Solare termico a torre, solare termico a concentrazione

Il sole è una fonte di energia estremamente "pulita". Oggi, in tutto il mondo, il lavoro sull'uso del Sole si sta sviluppando in molte direzioni. Prima di tutto, si sta sviluppando la cosiddetta piccola industria energetica, che comprende principalmente il riscaldamento degli edifici e la fornitura di calore. Ma sono già stati fatti passi seri nel campo dell'energia su larga scala: vengono create centrali solari sulla base della fotoconversione e della conversione termica. In questo articolo, ti parleremo delle prospettive delle stazioni dalla seconda direzione.

La tecnologia Concentrated Solar Power, conosciuta in tutto il mondo come CSP (Concentrated Solar Power), è un tipo di centrale solare che utilizza specchi o lenti per concentrare grandi quantità di luce solare in una piccola area.

Il CSP non deve essere confuso con il fotovoltaico a concentrazione, noto anche come CPV (fotovoltaico a concentrazione). In CSP, la luce solare concentrata viene convertita in calore e il calore viene quindi convertito in elettricità.D'altra parte, in CPV, la luce solare concentrata viene convertita direttamente in elettricità tramite effetto fotoelettrico.

Uso industriale dei concentratori solari

Energia solare

Il sole invia un potente flusso di energia radiante in direzione della terra. Anche se teniamo conto che i 2/3 di essa sono riflessi e dispersi dall'atmosfera, la superficie terrestre riceve comunque 1018 kWh di energia in 12 mesi, ovvero 20.000 volte di più di quanto il mondo consuma in un anno.

È naturale che utilizzare questa inesauribile fonte di energia per scopi pratici sia sempre sembrato molto allettante. Tuttavia, il tempo è passato, l'uomo in cerca di energia ha creato un motore termico, ha bloccato i fiumi, ha diviso un atomo e il Sole ha continuato ad aspettare dietro le quinte.

Perché è così difficile controllare la sua energia? Innanzitutto, l'intensità della radiazione solare cambia durante il giorno, il che è estremamente scomodo per il consumo. Ciò significa che la stazione solare deve avere un'installazione di batterie o lavorare insieme ad altre fonti. Ma questo non è ancora il più grande svantaggio. Peggio ancora, la densità della radiazione solare sulla superficie terrestre è molto bassa.

Quindi nelle regioni meridionali della Russia, è solo 900 - 1000 W / m2... Questo è sufficiente solo per riscaldare l'acqua nei collettori più semplici a temperature non superiori a 80 - 90 ° C.

È adatto per la fornitura di acqua calda e in parte per il riscaldamento, ma in nessun caso per la produzione di elettricità. Qui sono necessarie temperature molto più elevate. Per aumentare la densità del flusso è necessario raccoglierlo da una vasta area e trasformarlo da sparso a concentrato.

Produzione di energia con sistemi solari a concentrazione

I metodi per concentrare l'energia solare sono noti fin dall'antichità.È stata conservata una leggenda su come il grande Archimede, con l'aiuto di specchi concavi di rame lucido, bruciò la flotta romana che la assediava nel III secolo a.C. NS. Siracusa. E sebbene questa leggenda non sia confermata da documenti storici, la possibilità stessa di riscaldare qualsiasi sostanza nel fuoco di uno specchio parabolico a temperature di 3500 — 4000 ° C è un fatto indiscutibile.

I tentativi di utilizzare specchi parabolici per generare energia utile iniziarono nella seconda metà del XIX secolo. Un lavoro particolarmente intenso è stato svolto negli Stati Uniti, in Inghilterra e in Francia.

Uno specchio parabolico sperimentale per l'utilizzo dell'energia solare termica a Los Angeles, USA (circa 1901).

Nel 1866, Augustin Mouchaud utilizzò un cilindro parabolico per generare vapore nel primo motore a vapore solare.

La centrale solare di A. Mouchaud, presentata all'Esposizione industriale mondiale di Parigi nel 1882, fece una grande impressione sui contemporanei.

Il primo brevetto per un collettore solare fu ottenuto dall'italiano Alessandro Battaglia a Genova (Italia) nel 1886. Negli anni successivi, inventori come John Erickson e Frank Schumann svilupparono dispositivi che funzionano concentrando l'energia solare per l'irrigazione, il raffreddamento e il movimento.

Motore solare, 1882

L'impianto solare di Frank Schumann al Cairo

Nel 1912 fu costruito nei pressi del Cairo il primo impianto solare della potenza di 45 kW con concentratori parabolico-cilindrici con una superficie totale di 1200 m22 che serviva per il sistema di irrigazione. I tubi sono stati posizionati al centro di ogni specchio. I raggi del sole erano concentrati sulla loro superficie.L'acqua nei tubi si trasforma in vapore, che viene raccolto in un collettore comune e alimentato al motore a vapore.

In generale, va notato che questo fu un periodo in cui la credenza nel fantastico potere di messa a fuoco degli specchi si impadronì di molte menti. Il romanzo di A. Tolstoy "L'iperboloide dell'ingegnere Garin" divenne una sorta di prova di queste speranze.

In effetti, in numerosi settori, tali specchi sono ampiamente utilizzati. Su questo principio, molti paesi hanno costruito forni per la fusione di materiali refrattari di elevata purezza. Ad esempio, la Francia ha il forno più grande del mondo con una capacità di 1 MW.

E per quanto riguarda gli impianti per la generazione di energia elettrica? Qui gli scienziati hanno dovuto affrontare una serie di difficoltà. Innanzitutto, il costo dei sistemi di messa a fuoco con superfici specchianti complesse si è rivelato molto elevato. Inoltre, all'aumentare delle dimensioni degli specchi, il costo aumenta in modo esponenziale.

Inoltre, crea uno specchio con un'area di 500 - 600 m2 tecnicamente difficile e non puoi ottenere più di 50 kW di potenza da esso. È chiaro che in queste condizioni la potenza unitaria del ricevitore solare è notevolmente limitata.

E un'altra considerazione importante sui sistemi di specchi curvi. In linea di principio, sistemi abbastanza grandi possono essere assemblati da singoli moduli.

Per installazioni correnti di questo tipo vedere qui: Esempi di utilizzo di concentratori solari

Trogolo parabolico utilizzato presso la centrale solare a concentrazione di Lockhart vicino a Harper Lake, California ( Mojave Solar Project )

Centrali elettriche simili sono state costruite in molti paesi. Tuttavia, c'è un grave inconveniente nel loro lavoro: la difficoltà nel raccogliere energia.Dopotutto, ogni specchio ha il proprio generatore di vapore al fuoco e sono tutti distribuiti su una vasta area. Ciò significa che il vapore deve essere raccolto da molti ricevitori solari, il che complica notevolmente e aumenta il costo della stazione.

Torre solare

Anche negli anni prebellici, l'ingegnere N. V. Linitsky avanzò l'idea di una centrale solare termica con un ricevitore solare centrale situato su un'alta torre (centrale solare a torre).

Alla fine degli anni '40, gli scienziati dell'Istituto statale di ricerca sull'energia (ENIN) intitolato a V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum e B. A. Garf hanno sviluppato un concetto scientifico per la creazione di una tale stazione. Proposero di abbandonare i complessi e costosi specchi curvi, sostituendoli con i più semplici eliostati piatti.

Il principio di funzionamento delle centrali solari da una torre è abbastanza semplice. I raggi del sole vengono riflessi da più eliostati e diretti verso la superficie di un ricevitore centrale, un generatore di vapore solare posto sulla torre.

In accordo con la posizione del Sole nel cielo, anche l'orientamento degli eliostati cambia automaticamente. Di conseguenza, durante il giorno, un flusso concentrato di luce solare, riflesso da centinaia di specchi, riscalda il generatore di vapore.

Differenza tra i progetti SPP che utilizzano concentratori parabolici, SPP con concentratori a disco e SPP da una torre

Questa soluzione si è rivelata tanto semplice quanto originale. Ma la cosa più importante è stata che, in linea di principio, è diventato possibile creare grandi impianti solari con una potenza unitaria di centinaia di migliaia di kW.

Da allora, il concetto di impianto solare termico a torre ha ottenuto riconoscimenti a livello mondiale. Solo alla fine degli anni '70, tali stazioni con una capacità da 0,25 a 10 MW furono costruite negli Stati Uniti, Francia, Spagna, Italia e Giappone.

Torre solare SES Themis nei Pirenei orientali in Francia

Secondo questo progetto sovietico, nel 1985 in Crimea, vicino alla città di Shtelkino, fu costruita una centrale solare sperimentale a torre con una capacità di 5 MW (SES-5).

In SES-5 viene utilizzato un generatore di vapore solare circolare aperto, le cui superfici, come si suol dire, sono aperte a tutti i venti. Pertanto, a basse temperature ambiente e velocità del vento elevate, le perdite convettive aumentano notevolmente e l'efficienza diminuisce in modo significativo.

Attualmente si ritiene che i ricevitori a cavità siano molto più efficienti. Qui, tutte le superfici del generatore di vapore sono chiuse, grazie alle quali le perdite convettive e per radiazione sono nettamente ridotte.

A causa dei bassi parametri del vapore (250 °C e 4 MPa), l'efficienza termica di SES-5 è solo di 0,32.

Dopo 10 anni di attività nel 1995 SES-5 in Crimea è stato chiuso e nel 2005 la torre è stata consegnata per rottamazione.

Modello SES-5 nel Museo Politecnico

Le centrali solari a torre attualmente in funzione utilizzano nuovi progetti e sistemi che utilizzano sali fusi (40% nitrato di potassio, 60% nitrato di sodio) come fluidi di lavoro. Questi fluidi di lavoro hanno una capacità termica maggiore rispetto all'acqua di mare, utilizzata nelle prime installazioni sperimentali.

Schema tecnologico di una moderna centrale solare termica

Moderna centrale solare a torre

Naturalmente, le centrali solari sono un business nuovo e complicato e naturalmente hanno abbastanza avversari. Molti dei dubbi che esprimono hanno buone ragioni, ma difficilmente si può essere d'accordo con gli altri.

Ad esempio, si dice spesso che sono necessarie grandi aree di terra per costruire centrali solari a torre. Non si possono tuttavia escludere le zone dove viene prodotto combustibile per il funzionamento delle centrali elettriche tradizionali.

C'è un altro caso più convincente a favore delle centrali solari a torre. L'area specifica del terreno allagato da bacini artificiali di centrali idroelettriche è di 169 ettari / MW, che è molte volte superiore agli indicatori di tali centrali solari. Inoltre, durante la costruzione di centrali idroelettriche, vengono spesso allagate terre fertili molto preziose e si suppone che le torri SPP vengano costruite in aree desertiche, su terreni che non sono né adatti all'agricoltura né alla costruzione di impianti industriali.

Un altro motivo per criticare gli SPP a torre è il loro elevato consumo di materiale. C'è persino il dubbio che SES sarà in grado di restituire l'energia spesa per la produzione di attrezzature e l'ottenimento di materiali utilizzati per la sua costruzione durante il periodo di funzionamento stimato.

In effetti, tali installazioni sono ad alta intensità di materiale, ma è essenziale che virtualmente tutti i materiali con cui sono costruiti i moderni impianti solari non scarseggino.I calcoli economici eseguiti dopo il lancio dei primi moderni impianti solari a torre hanno mostrato la loro elevata efficienza e periodi di ammortamento piuttosto favorevoli (vedi sotto per esempi di progetti di successo economico).

Un'altra riserva per aumentare l'efficienza degli impianti solari con torre è la realizzazione di impianti ibridi, in cui impianti solari lavoreranno insieme a impianti termici convenzionali a combustibile tradizionale.Nell'impianto combinato, nelle ore di intenso irraggiamento solare, il combustibile l'impianto riduce la sua potenza e "accelera" con tempo nuvoloso e ai picchi di carico.

Esempi di moderne centrali solari

Nel giugno 2008, Bright Source Energy ha aperto un centro di sviluppo dell'energia solare nel deserto israeliano del Negev.

Sul sito si trova nel parco industriale di Rotema, sono stati installati oltre 1.600 eliostati che seguono il sole e riflettono la luce su una torre solare di 60 metri. L'energia concentrata viene poi utilizzata per riscaldare la caldaia in cima alla torre a 550°C, generando vapore che viene inviato ad una turbina dove viene generata elettricità. Potenza centrale 5 MW.

Nel 2019, la stessa azienda ha costruito una nuova centrale elettrica nel deserto del Negev —Ashalim… Toya Composto da tre sezioni con tre diverse tecnologie, l'impianto combina tre tipi di energia: solare termico, fotovoltaico e metano (centrale ibrida). La capacità installata della torre solare è di 121 MW.

La stazione comprende 50.600 eliostati controllati da computer, sufficienti per alimentare 120.000 abitazioni. L'altezza della torre è di 260 metri.Era il più alto del mondo, ma è stato recentemente superato dalla torre solare di 262,44 metri del Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Una centrale elettrica nel deserto del Negev in Israele

Nell'estate del 2009, la società americana eSolar ha costruito una torre solare Torre Solare Sierra per una centrale da 5 MW situata a Lancaster, in California, a circa 80 km a nord di Los Angeles.La centrale copre un'area di circa 8 ettari in una valle secca a ovest del deserto del Mojave a 35°N di latitudine.

Torre Solare Sierra

Al 9 settembre 2009, sulla base dell'esempio delle centrali elettriche esistenti, è stato stimato che il costo di costruzione di una centrale solare a torre (CSP) è compreso tra 2,5 e 4 dollari USA per watt, mentre il carburante (radiazione solare) è gratuito . Pertanto, la costruzione di una tale centrale elettrica con una capacità di 250 MW costa da 600 a 1000 milioni di dollari USA. Ciò significa da 0,12 a 0,18 dollari/kWh.

È stato inoltre riscontrato che i nuovi impianti CSP possono essere economicamente competitivi rispetto ai combustibili fossili.

Nathaniel Bullard, analista di Bloomberg New Energy Finance, ha stimato che il costo dell'elettricità generata dalla centrale solare di Iwanpa, lanciata nel 2014, è inferiore all'elettricità generata da Centrale fotovoltaica, ed è quasi uguale all'elettricità di una centrale a gas naturale.

La più famosa delle centrali solari al momento è la centrale elettrica Gemasolare con una capacità di 19,9 MW, situato a ovest della città di Esia in Andalusia (Spagna). La centrale è stata inaugurata dal re Juan Carlos di Spagna il 4 ottobre 2011.

Centrale elettrica Gemsolar

Questo progetto, che ha ricevuto una sovvenzione di 5 milioni di euro dalla Commissione Europea, utilizza la tecnologia testata dalla società americana Solar Two:

• 2.493 eliostati con una superficie totale di 298.000 m2 utilizzano vetro con migliore riflettività, il cui design semplificato riduce i costi di produzione del 45%.

• Un più grande sistema di accumulo di energia termica con una capacità di 8.500 tonnellate di sali fusi (nitrati), che fornisce un'autonomia di 15 ore (circa 250 MWh) in assenza di luce solare.

• Design della pompa migliorato che consente di pompare i sali direttamente dai serbatoi di stoccaggio senza la necessità di un pozzetto.

• Sistema di generazione del vapore con ricircolo forzato del vapore.

• Turbina a vapore con maggiore pressione e maggiore efficienza.

• Circuito di circolazione del sale fuso semplificato, dimezzando il numero di valvole necessarie.

La centrale (torre ed eliostati) si estende su una superficie complessiva di 190 ettari.

Torre solare SPP Gemasolar

Abengoa ha costruito Ehi solare in Sud Africa — una centrale elettrica con un'altezza di 205 metri e una capacità di 50 MW. La cerimonia di apertura si è svolta il 27 agosto 2013.

Ehi solare

Sistema di generazione elettrica solare Ivanpah - una centrale solare da 392 megawatt (MW) nel deserto del Mojave in California, 40 miglia a sud-ovest di Las Vegas. La centrale è stata messa in servizio il 13 febbraio 2014.

Sistema di generazione elettrica solare Ivanpah

La produzione annua di questo SPP copre il consumo di 140.000 famiglie. Installati 173.500 specchi eliostatici che focalizzano l'energia solare sui generatori di vapore situati su tre torri solari centrali.

Nel marzo 2013 è stato firmato un accordo con Bright Source Energy per la costruzione di una centrale elettrica Bruciato in California, costituito da due torri da 230 m (250 MW ciascuna), commissioning previsto per il 2021.

Altre centrali elettriche a torre solare operative: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marocco, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha e Shouhang Dunhuang (Kathi, entrambi 2018.), Gonghe, Luneng Haixi e Hami (Cina, tutto 2019), Cerro Dominador (Cile, aprile 2021).

Una soluzione innovativa per l'energia solare

Poiché questa tecnologia funziona meglio in aree con elevata insolazione (radiazione solare), gli esperti prevedono che la maggiore crescita del numero di centrali solari a torre sarà in luoghi come l'Africa, il Messico e il sud-ovest degli Stati Uniti.

Si ritiene inoltre che l'energia solare concentrata abbia serie prospettive e che possa fornire fino al 25% del fabbisogno energetico mondiale entro il 2050. Attualmente, nel mondo sono in fase di sviluppo più di 50 nuovi progetti di questo tipo di centrali elettriche.