Your SlideShare is downloading. ×
0
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Text the download link to your phone
Standard text messaging rates apply

Seminario Erminia Leonardi, 13-12-2012

670

Published on

Nel seminario si presenta la tecnologia dei sistemi solari a torre. Vengono indicati i requisiti climatici necessari per l'installazione di tale tipologia d'impianto e mostrati i trend di sviluppo …

Nel seminario si presenta la tecnologia dei sistemi solari a torre. Vengono indicati i requisiti climatici necessari per l'installazione di tale tipologia d'impianto e mostrati i trend di sviluppo attesi dal mercato. Infine sono mostrati i risultati della ricerca raggiunti all'interno del CRS4 in questo settore.

Published in: Technology
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
670
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
11
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. I sistemi a torre solare:R&S nella tecnologia solare ad alta concentrazione Erminia Leonardi Area Energie Rinnovabili CRS4 - Parco Tecnologico, Pula ermy@crs4.it 13 Dicembre, Cagliari
  • 2. SommarioGli impianti solari a concentrazione (CSP)Definizione e tipologiaEfficienza dellimpiantoDove si possono realizzareGli impianti a torre solareCaratteristicheI primi impianti sperimentaliGli impianti commercialiTendenza del mercato e R&SR&S nei sistemi a torre al CRS4Ottimizzazione del campo solareSistemi multitowerSistemi beam-downIl solare termodinamico nel mondo 2
  • 3. Il solare a concentrazione (CSP) Gli impianti CSP sono, a tutti gli effetti, degli impianti termoelettrici, con la sola differenza che il calore utilizzato nel ciclo termodinamico si ottiene concentrando la radiazione solare piuttosto che bruciando i combustibili fossili. CSP 7.5-100 kWe 1-10 MWe 30-80 MWe 30-200 MWeDischi parabolici Specchi lineari di Fresnel Specchi Torri solari parabolici lienari 3
  • 4. Efficienza dellimpianto CSP Lefficienza di un impianto solare è il prodotto dellefficienza di assorbimento della radiazione solare concentrata raccolta dal campo solare e di quella di conversione del ciclo termodinamico sistema=assorb⋅conversione IC −  T 4 TF assorb = conversione =1− ×0.75 IC TCIl termine IC rappresenta lenergia solare concentrata raccolta dal camposolare.Lefficienza di assorbimento include le perdite di energia radiative etermiche e generalmente diminuisce allaumentare della temperaturaLefficienza di conversione è legata allefficienza termica del ciclotermodinamico e aumenta con la temperatura I limiti pratici dellefficienza di conversione sono approssimativamente pari al 75% dellefficienza del ciclo di Carnot 4
  • 5. Efficienza dellimpianto CSPPer aumentare lefficienza totale, limpianto CSP deve puntare versoalte temperature (cioè, massimizzare lefficienza di conversione)minimizzando le perdite di efficienza di assorbimento. 5
  • 6. Limiti teorici e pratici Parabolici Torri solari lineariMassima concentrazione ~215 ~46200teoricaConcentrazione attuale ~80 ~800Massima temperatura ~1395 ~53000teorica (oC)Temperatura di esercizio ~390 ~565attuale (oC) 0.25  CI T stagnazione=   6
  • 7. Confronto di cicli termodinamici7
  • 8. Sommario dei cicli termodinamiciCiclo Tipici Efficienza Tipico Livello ditermodinamico valori di generatore di sviluppo TeP potenzaVapore 300 - 560 oC 34-42% 100-500 MW Commerciale 90 - 160 barVapore supercritico 560-610 oC 44-48% >500 MW Commerciale 240-310 barCO 2 supercritica 550-850 oC 42-54% 10-100 MW Pilota 210-300 barCO2 supercritica con 600-850 oC 47-60% >100 MW Concettualeciclo combinato 210-300 barEricsson 800-1000 oC 50-56% DimostrativoBrayton ad aria 1000-1300 oC ~40% 5-10 MW Commerciale (Gas) Dimostrativo (Solare)Brayton ad aria con 1000-1300 oC oltre 60% 100-500 MW Commerciale (Gas)ciclo combinato Concettuale (Solare) 8
  • 9. Confronto efficienze: Parabolici lineari vs Torri solariDati di efficienza di conversione tratti dal rapporto NREL/SR-550-34440 Ottobre 2003 SEGS VI (30 MW) PT Solar Two (10 MW) ST (1989) (2020) (1996) (2020)Campo solare 0.53 0.57 0.50 0.56Ricevitore 0.73 0.81 0.76 0.82Ciclo termodinamico 0.35 0.40 0.32 0.46Perdite parassite 0.83 0.93 0.73 0.90Accumulo termico - 0.99 0.97 0.99Pompaggi 0.96 0.97 0.99 0.99Disponibilita 0.98 0.94 0.90 0.94Efficienza annuale 10.57 15.50 7.67 17.69solare/elettrico, % 9
  • 10. La tecnologia del solare a concentrazione (CSP) dove? CSP 1800-2000 kWh/m2/anno 4.9-5.5 kWh/m2/giornoMappa tratta dal sito http://www.solarthermalpower.it 10
  • 11. I sistemi a torre11
  • 12. I sistemi a torre: schema di funzionamento I sistemi a torre solare generano potenza elettrica dal Sole focaliz- zando la radiazione solare diretta concentrata su uno scambiatore di calore (ricevitore) montato sulla sommita di una torre Per concentrare la radiazione solare viene utilizzato un campo di specchi (eliostati) Lenergia solare raccolta al ricevitore viene trasferita ad una sostanza (es: miscele di sali fusi) che può immagazzinarla per usi successivi Lenergia immagazzinata può essere utilizzata per alimentare, per esempio, una turbina a vapore o a gas 12
  • 13. I sistemi a torre: i primi impianti sperimentaliProgetti Paese Potenza Fluido Sistema di Inizio sponsor (MWe) trasportatore accumulo attivita del caloreSSPS Spagna 0.5 Sodio liquido Sodio 1981EURELIOS Italia 1.0 vapore Sali di nitrati/ 1981 AcquaSUNSHINE Giappone 1.0 vapore Sali di nitrati/ 1981 AcquaSolar One Stati Uniti 10.0 vapore Olio/Roccia 1982CESA-1 Spagna 1.0 vapore Sali di nitrati 1983MSEE/Cat B Stati Uniti 1.0 Sali fusi di Sali di nitrati 1984 nitratiTHEMIS Francia 2.5 Sali Hi-Tec Sali Hi-Tec 1984SPP-5 Russia 5.0 vapore Acqua/vapore 1986Solar Two Stati Uniti 10.0 Sali fusi di Sali di nitrati 1996 nitrati 13
  • 14. I sistemi a torre: gli impianti commercialiImpianto Potenza Fine Paese Costo Copertura (MW) costruzione (Miliardi terreno (%) di dollari)Ivanpah 392 2013 California 2.2 18.5Crescent 110 2013 Nevada 1.0 16.5DunesPS20 20 2009 Spagna 0.1098 18.7Gemasolar 19.9 2011 Spagna 0.247 15.6 Altezza torre = 140 m No di eliostati = 2650 Area eliostato = 120 m2 Fluido termovettore: Sali fusi (Tin=290oC,Tout=565oC) Accumulo termico a due serbatoi (capacità di 15 ore) Turbina a vapore 14
  • 15. I sistemi a torre: cfr costi livellati (LEC) con i parabolici lineariLEC: prezzo costante a cui occorre vendere lenergia prodotta per pareggiare linvestimento iniziale ed i costi di funzionamento dellimpianto Dati : SANDIA REPORT 2011
  • 16. I sistemi a torre: stime LEC nel mercato americano Quasi dimezzati!!! I costi sono calcolati assumendo detrazioni di imposte del 10 %Dati : SANDIA REPORT 2011
  • 17. Sistemi a torre: R&S Opportunità di miglioramento dei costi dellenergia elettrica prodotta da impianti a torre solareAumentando le prestazioni Diminuendo i costi dellimpianto annuali dellimpianto (capitale e O&M) migliorando lefficienza ottica utilizzando materiali economici; del campo solare; con design e assemblaggio delriducendo le perdite termiche campo solare semplificati;del ricevitore; semplificando lesercizio e laaumentando la temperatura del manutenzione dellimpianto confluido termovettore in uscita dal procedure ottimizzate;ricevitore; aumentando la capacitàaumentando lefficienza del dellimpiantosistema di accumulo termico e/oriducendo le perdite parassite emigliorando lefficienza di esercizio
  • 18. I sistemi a torre: R&SGeneratore di potenza Rankine supercritico attualmente non fattibile per potenzeinferiori a 250 MW o temperature superiori a 700 oC.Possibilità di miglioramento di questi limiti.Bryton supercritico a CO2 offre la possibiltà di più alteefficienze per livelli di potenza e di temperature più basse.Brayton ad aria può essere fattibile a temperature >900oC. 18
  • 19. I sistemi a torre: R&S Il campo solare Riduzione dei costi mediante uso di materiali economici Design di eliostati wireless ed energeticamente autonomi, con installazione rapida e minima preparazione del terreno Rivestimenti anti-polvere a ridotta richiesta di acqua per la pulitura Ottimizzazione della disposizione degli eliostati. Esempio:Noone C.J. et al, Solar Energy 86 (2012) 792-803 19
  • 20. I sistemi a torre: R&S Il ricevitore Per temperature superiori a 700 oC i materiali utilizzati per iricevitori diventano significativamente più costosi. Necessità dimateriali più economici. Necessità di rivestimenti del ricevitore che assorbano tanto edemettano poco. Necessità di miglioramento del design del ricevitore. 20
  • 21. I sistemi a torre: R&S Il fluido termovettore I sali di nitrati possono essere disponibili fino a 700 oC; altri salipossono permettere di raggiungere temperature di esercizio soprai 900 oC Possibile uso di additivi che aumentino la capacità termica delfluido termovettore Ricerca in materiali (tubi, valvole, giunzioni, etc..) resistenti allacorrosione per fluidi termovettori ad alta temperatura 21
  • 22. I sistemi a torre: R&S al CRS4CRS4-2 [1] (acronimo per: CRS4 research software for CentralReceiver Solar System SimulationS) è un software recentementeprodotto al CRS4 per simulare le prestazioni ottiche di impianti atorre solare.Il codice è molto flessibile permettendo di descrivere sistemi in cui: ogni eliostato è definito da una foma, dimensione, ed altezza dal suolo; gli eliostati possono essere piatti o concavi; il numero, altezza e posizione di ogni torre è arbitrario (possibilità di studiare sistemi “multitowers”); il ricevitore può essere esterno o a cavità; Inoltre, possono essere studiati sistemi “beam-down” [2] (riflettore secondario a forma di iperboloide + CPC + ricevitore).[1] E. Leonardi and B. DAguanno, Energy, 2011, 36, 4828-4837.[2] E. Leonardi, Solar Energy, 2012, 86, 734-745. 22
  • 23. I sistemi a torre: le prestazioni otticheEffetto coseno Shading e blocking 23
  • 24. I sistemi a torre: la radiazione solare R o=arctg =0.267 D  2 − 2 −1 2 2F =2  eF  , 0≤max 24
  • 25. I sistemi a torre: ottimizzazione del campo solare al CRS4 Sviluppo di modelli analitici [1] per calcolare la posizione ottimale degli specchi, massimizzando la copertura del terreno con minimo shading e blocking Nh 1856 copertura, % 62 Rmin, m 30 Rmax, m 140 rh , m 2.5[1] Pisani L. et al., Proceedings di SolarPaces2012, 11-14 Settembre 2012, Marrakech 25
  • 26. I sistemi a torre: lapproccio “multitower”Gli eliostati costituiscono un sistema fortemente accoppiato.Algoritmi di ottimizzazione complessi... ricerca in corso al CRS4 26
  • 27. I sistemi beam-downLa torre convenzionale è sostituita da un riflettore secondario (iperboloideellissoide) con la proprietà ottica che un raggio diretto dalleliostato verso ilfuoco superiore, F1 (punto di focalizzazione), è riflesso dalla superficie delriflettore secondario verso il fuoco inferiore, F2. Vantaggio Ricevitore a terra Svantaggi Ingrandimento dello spot allingresso del ricevitore (necessità di CPC) Perdite di energia per  riflessioni multiple: 2  F 1− F 2  x2  y2 F 1 F 2 z=  2  4e 2 e −1 2 riflettore secondario + CPC 27
  • 28. I sistemi beam-downImpianto a Masdar (vicino ad Abu Dhabi) da 100 kW. 28
  • 29. Ricerca al CRS4 nei sistemi beam-down Gli eliostati sono modellati come calotte sfericheNh copertura % Rmin (m) Rmax(m) rh (m) e F 1 (m) F 2 (m) rhyp (m)786 91 30 150 5 2 75 5 28.5 29
  • 30. Ricerca al CRS4 nei sistemi beam-downDensità di energia raccolta nel piano orizzontale contenente il fuoco F2durante il mese di Luglio a Cagliari nel 2005 (dati satellitari di radiazionesolare diretta forniti da DLR) Specchi piatti Specchi concavi ~19% dellenergia totale è ~87% dellenergia totale è contenuta entro una superficie contenuta entro una superficie di 5 m di raggio di 5 m di raggioConfrontando il sistema beam-down (BD) con il corrispondente sistema a torreconvenzionale (ST), troviamo che il BD raccoglie mediamente meno energia(circa il 10 % in meno) rispetto al sistema ST, ma a terra piuttosto che in cimaalla torre. 30
  • 31. Il solare termodinamico nel mondoSpagna:relativa battuta di arresto causato dallazzeramento del programmadi incentivazione in conto energia introdotto nel 2007.Tuttavia, attualmente sono in linea 1581 MW di impianti solaritermodinamici, che comprendono 3 impianti a torre (50 MW),2 Fresnel (31.4 MW) e 30 parabolici lineari (1500 MW).Entro il 2014 verranno ultimati impianti già approvati che porterannoil totale a 2400 MW.Le aziende spagnole del settore ora si stanno orientando verso leesportazioni.Stati Uniti:sono in costruzione impianti per 1300 MW (parabolici lineari e torri).Il programma Sunshot del DOE e molto ambizioso puntando su R&Sper dimezzare i costi di installazione e di gestione degli impianti. 31
  • 32. Il solare termodinamico nel mondoCina:sta decollando anche il mercato cinese con lavvio di procedure perla realizzazione di impianti commerciali grazie ai contributi dellaAsian Dev. Bank e lattivazione di una industria del settore in grado diprodurre componenti a prezzi competitivi.Attualmente la Cina ha una torre solare sperimentale da 1 MW e 3progetti pilota, tra cui uno concernente lapplicazione di sali fusi adalta temperatura, 7 impianti commerciali in progetto/costruzione perun totale di 300 MW, 2 produttori di specchi con potenzialita produttivadi 4 milioni di m2/anno, 7 produttori di ricevitori solari, 1 produttore dieliostati.Nuovi progetti di R&S prevedono:2 torri solari a sali fusi da 10 MW1 impianto ibridato a carbone da 10 MW1 impianto fesnel per produzione di vapore saturovari progetti di accumulo termico ad alta temperatura 32
  • 33. Il solare termodinamico nel mondoGiappone:si riprendono gli sforzi iniziati nel periodo 1974-1984 che videro lacostruzione di una torre solare ed un sistema parabolico linereentrambi sperimentali, con particolare interesse al mercatonord-africano ed asiatico.India:è iniziata la costruzioe del primo impianto a specchi parabolici linearida 50 MW.Marocco:saranno realizzati impianti solari termodinamici per 500 MW entro il2015.Un programma di investimenti molto ambizioso punta a raggiungerecome obiettivo a finale la produzione di 2000 MW da fonti solareconiugando sviluppo energetico e miglioramento infrastrutturale,ambientale ed economico nelle zone interessate dalla realizzazionedegli impianti. 33
  • 34. E in Italia?Forti resistenze/ritardi alla pianificazione di strategie energetiche cheinvestano nel solare termodinamico Fossili vs RinnovabiliCon la Direttiva RES 2009/28 CE nellaprile 2009, lItalia ha dovutopredisporre un Piano di Azione Nazionale in cui si impegna ad investirenelle fonti rinnovabili compatibilmente con gli accordi comunitari: Energia solare a concentrazione 600 MWe 1700 GWhe/anno 30 km2 In Italia entro il 2020 34
  • 35. Grazie per lattenzione!
  • 36. Confronto efficienze: Parabolici lineari vs Torri solari 36

×