Rapporti tra ricerca, tecnologia ed applicazioni industriali nel campo dell’Energia Solare a Concentrazione

Rapporti tra ricerca, tecnologia ed
applicazioni industriali nel campo
dell’Energia Solare a Concentrazione
Con note sul
Ruolo dell’ESC negli scenari energetici futuri

Bruno D’Aguanno
CRS4 - Parco Tecnologico, Pula

Collana Seminari CRS4

9 novembre 2011
Sala Auditorium, Via Roma 253, Cagliari

Il solare termodinamico a concentrazione
  I principali metodi di concentrazione

Collettori parabolici lineari Sistemi a ricevitore centrale (Solar Tower)
(Parabolic Trough)

Collettori lineari di Fresnel Collettori parabolici circolari
(CLFR) (Dish Stirling)
Cagliari, 9 novembre 2011 2 Collana Seminari CRS4 – Dip. Outreach

Limiti teorici e pratici dei sistemi CSP

Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011


Le principali applicazioni del CSP

  Alcuni esempi delle principali applicazioni del CSP
Solar electricity

Solar fuels

Solar heat Water
desalination


Immagini degli impianti realizzati

Parabolic trough

SEGS, California (USA) - 354 MW


Parabolic trough

AndaSol, Granada (Spain) - 100 MW



Parabolic trough Solar Tower

Solucar Complex, Seville (Spain) - 181 MW



Gemasolar Tower, Seville (Spain) - 17 MW


I costi attuali dell’elettricità da CSP
Confronti del Levelized cost of electricity (LCOE)
c$/kWh (costo medio livellato dell’unità di energia elettrica)

$


Il ruolo della ricerca e sviluppo
•  Obiettivo primario: Sviluppo di iniziative di R&S e di dimostrazione
in grado di raggiungere, nel breve periodo (2014-2020), la parità con
i sistemi convenzionali

Da: CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011


Potential relative reduction of LEC by innovations

  Le proiezioni economiche, sia dalle simulazioni che dai dati reali raccolti, mostrano che i dati
di costo assoluto tra le diverse tecnologie disponibili sono ancora abbastanza vicini tra loro
  La competizione tra le diverse tecnologie è in mano agli investitori e al mercato ma la ricerca
e sviluppo deve essere fatta a tutti i livelli con l’obiettivo di migliorare le efficienze e ridurre I costi
in questa fase in cui non è presente una tecnologia affermata in maniera definitiva

  Esempio di riduzione dei costi derivante dall’innovazione:
Negli ultimi 25 anni si è passato dal primo collettore parabolico LS-2 al recente
HelioTrough, con un incremento dell’efficienza di raccolta dell’energia dal 38% al 48%


•  Aumento dell’efficienza: I sistemi CSP con maggior margine di
aumento dell’efficienza a tempi brevi (2014-2020), attraverso R&S,
sono i sistemi a torre

Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011


Le tendenze del mercato del CSP
Impianti CSP – distribuzione geografica Impianti CSP – ripartizione tra le tecnologie

  La potenza elettrica complessivamente installata è di oltre 940 MW

  La potenza elettrica degli impianti in corso di realizzazione è di oltre 2150 MW

  Più del 50% della potenza mondiale è installata in Spagna. Se si escludono gli impianti
SEGS in USA la Spagna da sola ha l’80% della potenza installata mondiale e può essere
considerata il motore del recente sviluppo del CSP.


Le ricadute occupazionali del CSP

CSP Global Outlook 2009 – ESTELA e SolarPaces

 In base al recente studio prodotto dalla European Solar Thermal Electricity Association
insieme a SolarPaces “Concentrating Solar Power – Global Outlook 2009” risulta che nel
solo settore del solare termodinamico a concentrazione si prevedono tra i 100.000 e i
200.000 occupati nel 2020 e tra un milione e 2 milioni nel 2050 in tutto il mondo

 Nella manifattura, nella produzione di componenti, nello sviluppo, nell’installazione e nei
settori indirettamente collegati, è prevista la creazione di 10 nuovi posti di lavoro per ogni
MW di solare termodinamico di nuova realizzazione

 Il solare termodinamico a concentrazione è una delle tecnologie energetiche rinnovabili a
più alto rapporto occupazionale per MWh prodotto

Il solare termodinamico in Italia
  ENEA: impianto sperimentale di prova collettori solari presso i
laboratori di Casaccia (Roma)



Dati ANEST (Associazione Nazionale Energia Solare Termodinamica) maggio 2011


  L’impianto Archimede realizzato da ENEL con la collaborazione
dell’ENEA


L’incentivazione del CSP in Italia (DM 11apr08)
  Il Decreto del 11 aprile 2008, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n.101 del 30
aprile 2008, stabilisce i criteri e le modalità per incentivare la produzione di energia
da fonte solare mediante cicli termodinamici.

  Il decreto, oltre a definire le tariffe incentivanti ed il periodo di diritto (Art. 6),
stabilisce i requisiti tecnici minimi dei componenti e degli impianti (Art. 4).

Requisiti tecnici minimi dei componenti e degli impianti
  Obiettivo nazionale: 200 MW al 2016
(deroga per chi realizza entro 14 mesi).

  Tariffa incentivante: valida per 25 anni
in moneta corrente, riferita all’energia solare
imputabile (Art.2 comma f) da sommare la
prezzo di vendita dell’energia prodotta.

  Incentivo variabile in funzione del “fattore
di integrazione” (Art. 6)

  Incentivo massimo pari a 0,28 €/kWhe
Per impianti che entreranno in esercizio in date
[1]
prodotto
successive è prevista una riduzione della tariffa (Art. 6).


Il solare termodinamico in Sardegna
  Lo sviluppo del CSP in Sardegna nasce nel 2000 al CRS4 con gli
studi iniziali del Prof. Carlo Rubbia sulle applicazioni dell’energia
solare termica ad alta e bassa temperatura
–  Proposta per uno studio innovativo per la fattibilità dell auto-
sostentamento energetico e idrico della Sardegna (C. Rubbia e E.
Leonardi, Crs4)
–  Dissalazione solare: un progetto ecologico ed economico per bypassare
la crisi idrica della Sardegna
–  Brevetto: un sistema per estrarre il calore immagazzinato in uno Stagno
Solare (Crs4, Nr. FI2003A000008)
–  Risultati raggiunti:
•  Strumenti software e pubblicazioni scientifiche
•  Qualifica del Crs4 come centro di eccellenza per la simulazione
•  Acquisizione di un contratto europeo su Design of Desalination
Plants using Solar Ponds in Lebanon
•  Presentazione al MIUR-FAR del progetto Dimostratore Solar Pond:
accumulo ed estrazione di calore con produzione di acqua dissalata


  Il lavoro preliminare sul CSP porta allo sviluppo del progetto di ricerca e
formazione ESTATE LAB finanziato dal MIUR (DM 23161)
  Il progetto impegna circa 15 persone nelle attività di ricerca
  Il progetto prevede la formazione di professionalità per lo sviluppo e
l’applicazione delle tecnologie innovative nel settore dell’energia solare
(30 formandi tra ricercatori modellisti, processisiti e tecnici specializzati)
MIUR - Laboratori pubblico-privati - Lab. n. 2 ``Laboratorio pubblico-
Finanziamento privato per lo sviluppo di tecnologie per l'energia solare termica ad
alta temperatura'' - Legge 297/1999 Art.12/lab DM23161

Titolo Estate_Lab - Laboratorio per la produzione di energia termica
ad alta temperatura da concentratori solari lineari
Data d inizio Gennaio 2007

Durata 3 anni + 5 anni

Costo Ricerca: 9.678.000 € Formazione: 1.731.000 €

Partecipanti


  L’impianto pilota del progetto ESTATE LAB


  Le attività di ricerca del progetto ESTATE LAB
 Innovazioni tecnologiche
Modelli previsionali della radiazione solare di piccola scala
  Banche dati di DNI da misure a terra e satellitari
Nuovi fluidi vettori termici
  Analisi e ottimizzazione di gas vettori
Nuovo tubo ricevente
  Analisi e ottimizzazione di tubi ricevitori modificati
Nuovo sistema di stoccaggio termico
  Analisi e ottimizzazione di materiali solidi per lo stoccaggio termico
  Studio del comportamento termo-fluido-dinamico del sistema di
stoccaggio termico

 Risultati raggiunti
  Un solo contenitore di stoccaggio è richiesto
  I materiali di stoccaggio sono economici e stabili
  L’intervallo di T di funzionamento è esteso (T_min~50oC, T_max~550oC)
  L’efficienza globale del sistema integrato è aumentata
  Il fattore di capacità annuo è aumentato


  Il progetto industriale MacchiaSol

  Studio prefattibilità impianto (CRS4)
  Studio fattibilità (Techint) e avvio campagna misura radiazione solare (CRS4)
  Presentazione istanza di VIA per realizzazione impianto

  Schema impianto MacchiaSol

  L’impianto ha una potenza nominale di 50 MW
(3 kW per un nucleo di 4 persone  ≈ 67.000 persone).
  Caratteristiche impianto analoghe ad AndaSol 1. (Area occupata 1,7 km2)
  Elettricità/anno: ≈ 130.000 MWh  Emissioni CO2 evitate ≈ 57.000 t/anno

  Le principali ricadute sul territorio del progetto MacchiaSol

Si prevedono importanti e positive ricadute sul fronte occupazionale e della
ricerca & sviluppo associate all’iniziativa:

•  L’iniziativa comporta un investimento complessivo di fra 200 e 300 milioni di euro, per
buona parte rappresentati da componenti e lavorazioni reperibili sul territorio locale

•  Per la fase di costruzione dell’opera, della durata prevista di oltre 24 mesi, si stima un
impiego di manodopera con punte di oltre 500 uomini/giorno e una media pari a 200
uomini/giorno per due anni

•  E’ previsto un organico diretto a regime di oltre 20 unità assunte a tempo indeterminato

•  L’impianto può contribuire ad alimentare un fiorente indotto locale per attività di
manutenzione e supporto tecnico all’esercizio dell’impianto

•  L’impianto, tecnologicamente innovativo, può promuovere la nascita sul territorio sardo di un
polo tecnologico di ricerca focalizzato sullo sviluppo della filiera del solare
termodinamico, con ulteriori importanti ricadute sul contesto industriale della regione


Altre ricadute dell’attività del CRS4 sul CSP
  Spin-Off Elianto
  Società che nasce nel 2007 da due ricercatori del CRS4 per la progettazione,
realizzazione e vendita di impianti solari termodinamici di piccola taglia (1-5 MWe) per
la produzione di energia e calore
  Fondazione ITS "Amaldi" Macomer
Istituto tecnico superiore per l'efficienza energetica
  formazione post diploma biennale in energie rinnovabili e risparmio energetico
(V livello del Quadro europeo delle qualifiche EQF)
  Soci fondatori: Acciona, Ceccato Spinnerets, Centralabs, Comune di Macomer,
CRS4, IPIA Amaldi Macomer
  Iniziativa finanziata da: MIUR e RAS
  Inizio dei corsi: ottobre 2011
  Master in Energie Rinnovabili
  formazione post laurea su fonti rinnovabili (in particolare CSP) e celle a combustibile
(e idrogeno)
  Partner: CRS4, POLITO, RMIT, CSIRO (partenariato in via di definizione)
  Iniziativa finanziata da: Assessorato al Lavoro della RAS
  Inizio dei corsi: maggio 2012

Conclusioni
  Il Solare Termodinamico a Concentrazione rappresenta una grande
opportunità per la Sardegna
  Grazie alla disponibilità del capitale umano e conoscitivo e della risorsa sole, la
Sardegna è nelle condizioni di trasformare le opportunità in realtà.
Si è cioè nelle condizioni di:
➡  Attrarre nuove imprese nel settore del CSP
➡  Generare nuova e stabile occupazione nei settori della componentistica,
della progettazione, della gestione e manutenzione di impianti e nel settore
delle ricerca e sviluppo
➡  Dare un contributo determinante al raggiungimento degli obiettivi
dell’indipendenza energetica e del 20 - 20 - 20 della EU
  Dall’editoriale delle “Scienze”, luglio 2011:
“La chiave del futuro energetico di un paese che voglia dirsi moderno sta in una
parola sola, per la quale la classe dirigente italiana ha dimostrato da mezzo
secolo a questa parte una fastidiosa allergia: il futuro si chiama ricerca…
..è l'unica strada da percorrere se vogliamo rimanere tra i paesi avanzati. Perché
dopodomani, in un settore strategico come quello dell'energia, a decidere i giochi
non sarà chi detiene le materie prime, ma chi possiede il know-how, …
…e importare tecnologia tedesca o cinese creerebbe una dipendenza non diversa
da quella dal gas e dal petrolio.”

Il CSP e il problema energetico
  La necessità di soddisfare i bisogni primari di cibo, d'acqua e di perpetuazione della
specie hanno determinato e condizionato il rapporto dell'uomo con la biosfera, e i
rapporti e le organizzazioni sociali tra gli uomini.
  Nella sua storia evolutiva l'uomo si è dotato di strumenti in grado di facilitare tale
soddisfacimento.
  Gli strumenti abbracciano "tutti i mezzi ragionati dell'azione umana, la macchina e il
modo d'impiegarla, il codice e il suo singolo operatore" e sono "al tempo stesso mezzi
di controllo e trasformatori di energia" [Illich:2005].
  A loro volta, la macchina, il modo d'impiegarla e il codice definiscono la tecnologia che,
tolto "ogni alone mistico... (e) sia pur concepita da un genio dell'umanità, non è altro
che un convertitore di energia presa dal magazzino della natura" [Rifkin:2004].
  Un uso smodato, controllato da pochi, e continuamento accrescitivo di questi strumenti
ha generato, in un modo termodinamicamente chiuso e, quindi, con un contenuto finito
di materiali, il problema energetico che, in dettaglio, corrisponde a problemi di:
  Disponibilità di risorse energetiche
  Sostenibilità ambientale
  Disponibilità di materiali
  Equità sociale
  Nella prima parte, abbiamo semplicemente compreso che il CSP è uno strumento in
grado di trasferire l’energia del sole ad altri sistemi, in modo che nel processo venga
prodotto lavoro utile
  Il CSP può contribuire a risolvere, o ad attenuare, il problema energetico ?


Il problema delle risorse energetiche

TYPICAL POWER OF ENERGY RESOURCES

Incoming solar flux (Φsolare) 1,74 x 1017 Watt
Fossil power (pfossile) 1,39 x 1013 Watt
Endogenic flux (Φendogeno) 4,44 x 1013 Watt
Wind power (pfventi) 0,87 x 1015 Watt
Cycle of H2O (pH2O) 3,48 x 1016 Watt
Biosphere power (pbiosfera) 0,50 x 1015 Watt

➡  The incoming solar flux, expressed in Watt, is 4 order of magnitude bigger than
the flux of consumed fossil resources
➡  The worldwide annual energy consumption corresponds to the solar energy
which arrives on the global desert areas in 5.7 hours
➡  The energy contained in the known and estimated uranium reserves
corresponds to the solar energy arriving on the global desert areas in 13 days
➡  The wind flux, expressed in Watt, is approximately 60 times bigger than the
flux of consumed fossil resources
➡  All energy fluxes different from the solar flux are less than 1 % of the solar flux


Il problema delle risorse energetiche

PROBLEM SOLUTION

Limit in the energy
The flux energy is the natural choice
resources

Limit in the material
The energy mix is the natural choice
availability

Limit in the eco- The decrease in the energy consumption is
sustainability the natural choice

The micro-distributed energy production is
Limit in the equity
the natural choice


Il problema della sostenibilità ambientale

➡  FOSSIL ENERGY AND WASTES

➡  SOLAR FLUX ENERGY AND WASTES


Jeremy Rifkin, Entropy, Penguim Putman Inc., 1980

➡  Se c’è una cosa strana è che noi, uomini dell’età moderna, accettiamo una storia
dell’universo che inizia da uno stato di perfezione e termina nella decadenza e nel
caos e continuiamo a sposare un concetto di storia del mondo terrestre che segue il
cammino opposto cioè da uno stato di caos a quello di mondo “progressivamente”
sempre più ordinato
➡  Crediamo ancora che la tecnologia riesca a creare maggior ordine nel mondo, ma
ancora una volta questo è solo un lato della verità perché la legge dell’entropia ci
insegna che ogni volta che si usa energia libera si crea maggior disordine in qualche
altra parte dell’ambiente circostante.

➡  Il massiccio flusso di energia presente nelle moderne società industriali crea
inquinamento altrettanto pesante e accumulo di rifiuti nel mondo in cui siamo costretti a
vivere; insomma, più spingiamo la nostra tecnologia più veloce sarà il processo di
trasformazione, più l’energia disponibile si dissipa in fretta e l’inquinamento e i
rifiuti aumentano. ... Ogni tecnologia ... non è altro che un convertitore di energia
presa dal magazzino della natura

➡  Il mondo accresce il suo disordine perché ogni volta che applichiamo una nuova
tecnologia più complessa alla soluzione di un problema è come se tentassimo di
spegnere un fuoco con la benzina. Più moltiplichiamo i “convertitori” e più
l’energia disponibile viene presa e usata, maggiore la dissipazione, il disordine e
i problemi che ne derivano e che proliferano più in fretta delle soluzioni



PROBLEM SOLUTION

Limit in the energy
resources


Limit in the material The energy mix is the natural choice
availability

Limit in the equity
the natural choice


Il problema della disponibilità dei materiali

➡  ENERGIA FOSSILE E DISPONIBILITA’ DEI MATERIALI
➡  Non possiamo bruciare tutto il petrolio. I suoi derivati sono essenziali per i
lubrificanti, le plastiche e la gomma sintetica, ecc.
➡  Non possiamo bruciare tutto il gas. I suoi derivati sono essenziali per
l’ammoniaca, i vetri, le plastiche, ecc.
➡  Non possiamo bruciare tutto il carbone. I suoi derivati sono essenziali per il
benzene, il toluene, i saponi, l’aspirina, i solventi, ecc.

➡  Se producessimo i 15 TW dalla fusione nucleare, le riserve terrestri di litio
necessarie a questa produzione si esaurirebbero in circa 100 anni

➡  ENERGIA DI FLUSSO E DISPONIBILITA’ DEI MATERIALI
➡  Se producessimo i 15 TW dal solo vento, avremmo, nel giro di circa 50 anni,
problemi con i lubrificanti consumati dagli impianti, mentre nulla sappiamo sugli
effetti sui microclimi locali

➡  Se producessimo i 15 TW da moduli fotovoltaici sarebbero necessarie 6 milioni
di tonnellate di arsenico, mentre le riserve mondiali sono di circa 3 milioni di
tonnellate


Il problema della disponibilità dei materiali

PROBLEM SOLUTION

Limit in the energy
resources


availability

Limit in the equity
the natural choice


Il problema dell’equità sociale
➡  IL PROGETTO DESERTEC: UN PROGETTO FARAONICO



➡  Il sistema industriale sta iniziando ad utilizzare le energie rinnovabili
con le stesse logiche usate per le energie fossili:
‣  impianti di produzione di grossa taglia e di grossa complessità
‣  reti di distribuzione convenzionale e “non-smart”
‣  produzione nelle mani di pochi soggetti

➡  Utilizzare le energie rinnovabili con le stesse logiche, e all’interno
dello stesso modello sociale con dinamica economica consumistica che
ha generato:
‣  la crisi climatica
‣  la crisi energetica
‣  la crisi economica
serve a poco, o a nulla, e le crisi saranno solo attenuate ma non risolte



PROBLEM SOLUTION

Limit in the energy
resources


availability

Limit in the equity
the natural choice


Conclusioni

Il CSP E’ UNA TECNOLOGIA CHE SE UTILIZZATA:

➡  Per risolvere il problema delle fonti energetiche

➡  Per contribuire alla riduzione dei consumi energetici,

➡  In combinazione alle altre tecnologie di trasformazione delle energie
rinnovabili (FV, eolico, etc.) e

➡  Per la generazione distribuita

ALLORA

IL CSP E’ UNA TECNOLOGIA CHIAVE

➡  Per la PIANIFICAZIONE ENERGETICA TERRITORIALE ECO-
SOSTENIBILE ED EQUA

➡  Per il RAGGIUNGIMENTO DELL’EQUILIBRIO DELL’UOMO CON LA
BIOSFERA

➡  E cioè, in ultima istanza, per la RISOLUZIONE della CRISI
ENERGETICA della CRISI AMBIENTALE, e della CRISI SOCIO-
ECONOMICA


Conclusioni
Ivan Illich, Toward a History of Needs, Pantheon Books, New York, 1977
Da qualche tempo è venuto di moda parlare di un'imminente crisi energetica.
Questo eufemismo occulta una contraddizione e consacra un'illusione.
Maschera la contraddizione che è implicita nel perseguire assieme l'equità e lo
sviluppo industriale;
fa salva l'illusione che la potenza della macchina possa sostituire
indefinitamente il lavoro dell'uomo.
Per superare la contraddizione e dissolvere l'illusione, è urgente chiarire quella
realtà che viene oscurata dal linguaggio della crisi:
e la realtà è che
elevati quanta di energia degradano le relazioni sociali con la stessa
ineluttabilità con cui distruggono l'ambiente fisico.

Ivan Illich, Tools for conviviality, Harper & Row, New York, 1973
[E da questa realtà se ne esce ] con un processo politico che permetta alla
popolazione di determinare il massimo che può chiedere in un mondo con
risorse limitate;… un processo per far sì che un numero crescente di persone
possa fare, e non avere, sempre di più con sempre meno…
Un processo del genere può sembrare ancora utopistico ai giorni nostri: ma se
si lascia che la crisi si aggravi, presto sembrerà quanto mai realistico


BACKUP SLIDES

Cagliari, 9 novembre 2011 Collana Seminari CRS4 – Dip. Outreach

Il solare termodinamico a concentrazione (CSP)

  In molte applicazioni tecnologiche è richiesta una notevole potenza che
l’energia che arriva di rettamente dal sole non è in grado di fornire se
non viene opportunamente concentrata.
  CSP, Concentrating Solar Power, è l’espressione inglese che indica la
tecnologia solare termodinamica. Scopo della tecnologia solare
termodinamica è convertire l’energia solare in energia termica a
temperatura media ed elevata.
  L’energia prodotta può essere utilizzata in diverse applicazioni (solar
cooling, dissalazione, trigenerazione, processi industriali, ecc.).
  L’applicazione più diffusa e rilevante per il CSP è la produzione di
energia elettrica.
  Sono disponibili diverse tecnologie che in generale hanno in comune il
fatto di concentrare i raggi solari in un punto focale attraverso superfici
riflettenti (specchi o superfici in alluminio che seguono costantemente la
posizione del sole). In base alle tecnologie utilizzate variano le
temperature che si possono raggiungere e di conseguenza le
applicazioni.

Cagliari 9 novembre 2011 44 Convegno Regionale CGIL sull’Energia in Sardegna

Il solare termodinamico a concentrazione (CSP)

  Tipica configurazione di un impianto per la produzione di energia di
grossa potenza (50 MW)

  The operative layout of the AndaSol 1
THotel ,Cagliari – 15 luglio 2011 45 Convegno Regionale CGIL sull’Energia in Sardegna


Overall operational capacity 940 MW


Under construction capacity: 1934 MW

Gli impianti realizzati ed in corso di realizzazione in Spagna



CSP Global Outlook 2009 – ESTELA e SolarPaces


Sommario e conclusioni

➡  SOMMARIO

➡  Il CSP è una tecnologia che permette l’utilizzo “efficiente” dell’energia solare
per una gran varietà di applicazioni (produzione di elettricità, di calore, di
combustibili solari, di acqua dissalata, etc.).

➡ Il CSP, grazie all’accumulo, permette di fornire “energia” anche in assenza di
radiazione solare.

➡  Il CSP può essere realizzato su territori di scarso valore agricolo.

➡  Il CSP è fortemente modulare, e le sue applicazioni possono andare dalle
centinaia di kW alle centinaia di MW.

➡  Il CSP è una tecnologia in cui la ricerca è ancora un fattore determinante per il
suo completo dispiegamento.

➡  Il CSP è una tecnologia le cui applicazioni industriali sono in fortissima crescita

➡  Il CSP è una tecnologia con alte ricadute occupazionali territoriali


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