Sts-Med Regional Meeting - Giaconia

Small scale thermal solar district units for
Mediterranean communities
Workshop Regionale

«IMPIANTI A CONCENTRAZIONE SOLARE
POLIGENERATIVI
una risposta integrata al fabbisogno energetico
delle comunità mediterranee»
Solare termodinamico per la produzione di energia

Alberto Giaconia - ENEA
Palermo, 6 Novembre 2013
STS-Med Workshop Regionale

«Il Solare Termodinamico»
 A differenza del solare termico, nel solare termodinamico di calore è prodotto a
temperature sufficientemente elevate (> 200°C) per alimentare cicli termoelettrici ad
elevata efficienza (es. Rankine)
 Impianti CSP (= Concentrating Solar Power)
 temperature medie (200-300°C), alte (300-600°C) e altissime (> 600°C)
 potenza piccola (< 1 MW), media (1-30 MW), grande (> 50 MW)


 impianti CSP di grossa taglia > 30 MW


 impianti CSP di media taglia 1-30 MW
(utilizzano componentistica modulare analoga a quella dei grossi impianti)


 impianti CSP di piccola taglia < 1 MW


Stoccaggio termico nel CSP
Lo stoccaggio termico rappresenta il maggiore fattore concorrenziale del CSP:
 stabilizzazione della rete elettrica in compatibilità con le centrali di potenza «tradizionali»
 disaccoppiamento domanda/disponibilità di energia
 aumento della produttività annua


1000

5000

Potenza incidente

750

Energia cumulativa incidente

3750

Energia cumulativa raccolta
500

2500

250

ENERGIA / (kWh)

POTENZA / (kW)

Potenza raccolta

1250

0

0
6.22

8.02

9.42

11.22

13.02

14.42

16.22

18.02

ORA RILIEVO / (hh.mm)


stoccaggio
termico

Qv
Qg = calore
accumulato nel
periodo g
Qv

Pel/term-el

Pel.
power block

Qn = calore
utilizzato nel
periodo n
t1

collettori

ricevitore

t4
t2

g

t3

n

t5


Ritorno Energetico Netto (NER): stime del NER (Shinnar R., AIChE 2007) per alcuni
processi di conversione dell’energia solare:
sistema di generazione

NER

impianti solari termodinamici senza accumulo in zone desertiche*

3.3

impianti solari termodinamici con accumulo termico in zone desertiche*

6 – 7.4

piccoli impianti fotovoltaici per usi domestici (6,000 €/kWp) in California

1.5

grossi impianti fotovoltaici (2,000 €/kWp) in zone desertiche*

4.4

* 2,500 kWh/anno/m2 di insolazione media


Impianti CSP «ibridi»

Ibridizzazione in un sito Italia-sud
(10-20% su base annua)

120%

100%

Utilizzo di un combustibile di back up

80%

60%

40%

20%

0%
Jan

Feb
SOLAR

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dec

BIOMASS

Ibridizzazione in un sito Italia-centro
(ca. 40% su base annua)


Impianti CSP «ibridi»
Utilizzo di un combustibile di back up
Dimensionamento impianti ibridi
% biomass back-up *, B

50
1.5 km2

40
30

2.0 km

20

R

2.5 km2
3.0 km

10
0
0

4

8

12

16

2

20

thermal storage capacity, T (GWh)


2

Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA
Industrial
Demonstration
plant

Cooperazione
pubblico-privato.

2010
2009
2008

Demo design
and construction

Industrial role

ENEL Archimede 5 MWe

2007

Test facility
PCS

Components test
and qualification

2006
2005

2004

Lab
R&D

Prototype Operation start-up

2003 Prototype Design
2002

2001

Project Start-up


Government role

Dalla R&S sui singoli
componenti, allo
sviluppo precompetitivo e nascita
di nuove filiere
produttive sul
territorio…

Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio

Collettore
solare
Accumulo
termico

Fluido
termovettore
Tubo
ricevitore


Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio: impianto Archimede


L’impianto Archimede a Priolo


Potenzialità del CSP nell’area MED
Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:
Mappa della radiazione solare diretta nell’area Mediterranea (fonte MED-CSP DLR - in
giallo le zone con maggiore irraggiamento diretto)


Il caso della Sicilia.

Circa il 50% del territorio regionale
presenta un irraggiamento solare
annuale > 1600 kWh/mq, valore che
rende vantaggiosa l’applicazione del
CSP.

E’ teoricamente possibile soddisfare
la domanda totale di energia
elettrica regionale (2139,7 KTEP) con
una superficie equivalente a un
quadrato di lato 13 km.


La presenza di una fitta rete di
metanodotti (prevalente mente
importazione da Algeria e Libia)
rende vantaggiosa l’ibridizzazione
degli impianti CSP.

Alternativamente l’ibridizzazione
può realizzarsi con biomassa
residuale o CDR.



Non tutte le aree con elevato
grado di insolazione sono
effettivamente disponibili alla
installazione di impianti CSP di
grossa taglia: occorre infatti che il
terreno sia “libero” da altri usi
(abitazioni, strade, industrie,
agricoltura, ecc.), che l’impatto
ambientale sul territorio sia
limitato, e che le caratteristiche
orografiche siano idonee, …


Impianti CSP poligenerativi su piccola-media scala
Le condizioni locali in molte regioni del sud Italia rendono favorevole l’applicazione
estensiva del CSP su piccola-media taglia (< 1 MW) per una generazione distribuita
 Diminuendo la scala di impianto diventa sempre più significativo il costo dei sistemi
ausiliari (es. gruppo di potenza, BoP, ecc.)
 Distribuzione dei costi di
impianto per un impianto a
collettori parabolici lineari da
100 MWel con accumulo termico
 In impianti medio-piccoli
l’incidenza degli ausiliari rispetto
al campo solare diviene più
significativa (> 70%)
(fonte: Sargent & Lundy LLC Consulting Group. NREL Subcontractor
Report, NREL/SR-550-34440, October 2003).


Le condizioni locali in molte regioni del sud Italia rendono favorevole l’applicazione
estensiva del CSP su piccola-media taglia (< 1 MW) per una generazione distribuita
 Diminuendo la scala di impianto diventa sempre più significativo il costo dei sistemi
ausiliari (es. gruppo di potenza: turbina)
 Diventa conveniente trovare applicazioni più puramente termiche come dissalazione e
produzione di combustibili, possibilmente in cogenerazione


Schema generale di un impianto CSP poligenerativo
I 3 gradi di flessibilità di
funzionamento:
1) Fonte energetica
primaria, in base alle
disponibilità locali
(ibridizzazione)
2) Dispacciamento energia
(stoccaggio termico +
ibridizzazione)
3) Prodotti/servizi da
fornire in base alla
domanda locale
(poligenerazione)

Schema generale di un impianto CSP poligenerativo

Il back up al livello del
fluido termovettore
permette un
funzionamento degli
utilizzatori indipendente
dalle condizioni meteo e
variazioni stagionali.

Impianti CSP poligenerativi su media scala (1-10 MW)
Schema di un impianto CSP poligenerativo su scala 1-10 MW

(n.b.: il caso di impianti di piccola taglia è concettualmente analogo, cambia la tecnologia)


Impianti CSP poligenerativi su media scala (1-10 MW)
Esempio di impianto CSP poligenerativo da 1 MWel + 4 MWt
Electric Power

1,0 MW el

Outlet Thermal Power

4,0 MW th

Inlet Thermal Power

5,7 MW th

Desalting Unit

Type

MED

Capacity 250 m3 per day

Hourly pick
1 409 W/m2
Yearly total
2 308 kWh/m2
Unit Length
100 m
Unit Area
540 m2
Solar Collectors
Optical Efficiency
75 %
Thermal Efficiency
83 %
No Collectors
18
Total Collector Length 1800 m
Solar Field
Total Collector Area
9 720 m2
Site Area
22 000 m2
Electric Energy
3 010 MWh
Annual Production
Thermal Energy
8 900 MWh
Solar Rate

Il campo solare occupa una superficie
totale di
115 m x 65 m x 3 moduli = ca. 2 ettari


Conclusioni
 Regioni del sud Italia (come la Sicilia) sono particolarmente adatte alla generazione solare
distribuita da CSP di piccola-media taglia
 Tale opportunità consente di:
 aumentare l’intensità di produzione de fonti rinnovabili senza interferire con la rete di distribuzione elettrica
 avviare nuove filiere produttive sui componenti di impianto (collettori, sistemi di stoccaggio, piping, ecc.)

 Impianti CSP poligenerativi «ibridi» con stoccaggio termico:
 presentano una elevata flessibilità per adattarsi alle risorse localmente disponibili e alle esigenze degli
utilizzatori finali: singoli edifici, intere zone residenziali o industrie
 Possono accedere alle tariffe incentivanti


Attuali linee di sviluppo del solare termodinamico
 Nuovi impianti di grossa taglia (generalmente a torre centrale, ma anche trough è
possibile) con stoccaggio a sali fusi fino 565°C (USA e Spagna)
 Impianti a torre centrale di grossa taglia con ricevitore ad aria (> 700°C) e cicli combinati
ibridi


 Sistemi multi-tower modulari


 Applicazioni termiche alla dissalazione e produzione di «solar fuels» (generalmente
idrogeno o conversione di CO2 in combustibili sintetici)
 Impianti CSP modulari di piccola-media taglia (~ 1 MW)
 Sistemi di stoccaggio termico più compatti: serbatoio unico con stratificazione termica
 Stoccaggio con sistemi a cambiamento di fase (PCM) o cemento
 Applicazione di ORC (anche cogenerativi) per piccole-medie taglie
 Collettori Fresnel (generalmente con generazione diretta di vapore)


Sts-Med Regional Meeting - Giaconia

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (9)

Similar to Sts-Med Regional Meeting - Giaconia

Similar to Sts-Med Regional Meeting - Giaconia (20)

More from Consorzio ARCA

More from Consorzio ARCA (18)

Sts-Med Regional Meeting - Giaconia