Sts-Med Regional Meeting - Sabatelli

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»
Sistemi solari a concentrazione: tecnologie, applicazioni e
strumenti di incentivazione
Vincenzo Sabatelli – ENEA

Palermo, 6 Novembre 2013
STS-Med Workshop Regionale

SOMMARIO

 Scenario di riferimento e potenzialità delle applicazioni solari a media
temperatura
 Descrizione delle principali tecnologie a concentrazione per le applicazioni
a media temperatura
 Strumenti di incentivazione disponibili a sostegno della diffusione di tali
tecnologie
 Attività ENEA a supporto sia dello scenario di incentivazione che del
progetto STS-MED


Classificazione delle tecnologie
solari termiche
La classificazione delle tecnologie che sfruttano l’energia solare può essere
effettuata sia in base all’utilizzo della risorsa termica sia in base alle temperature
di esercizio, come segue:
 Tecnologie a bassa temperatura, per la produzione di Acqua Calda Sanitaria o
per il riscaldamento delle utenze domestiche e delle piscine (fino a circa
100°C)
 Tecnologie a media temperatura, utilizzate per la climatizzazione residenziale
o per la produzione di calore per processi industriali (fino a circa 250°C)
 Tecnologie ad alta temperatura, utilizzate per la produzione di energia
elettrica (oltre 250°C).


Applicazioni del solare termico
a media temperatura
 SOLAR COOLING
 Settore dalle elevate potenzialità in termini di risparmio di energia primaria
 Settore vicino alla maturità tecnologica ma anche con un vasto potenziale di
innovazione

 PRODUZIONE DI CALORE DI PROCESSO
 Settore dalle elevate potenzialità di sviluppo, soprattutto in quei settori
industriali dove è costante la richiesta di calore a bassa e media temperatura e
sia effettiva la possibilità tecnica di inserimento del sistema solare nel processo
industriale esistente.
 Settore in via di maturazione dal punto di vista tecnologico e quindi con elevate
prospettive di diffusione.


Potenzialità del solare termico a media
temperatura
Temperature necessarie per tipici processi industriali, realizzabili con tecnologia solare a
media temperatura :
Settore industriale

Processo produttivo

Alimentare e bevande

lavaggio
pastorizzazione
sterilizzazione
essiccatura
cottura
estrusione ed essiccatura

80 – 150
80 – 110
130 – 150
130 – 240
80 – 100
150 – 180

trattamento termico
bollitura
distillazione
essiccatura
candeggio ed essiccatura
lavaggio
trattamento termico
candeggio
tintura
lavaggio a vapore

150 – 180
95 – 100
110 – 300
150 – 180
130 – 180
80 – 100
80 – 130
60 – 100
100 – 160
150

Industria plastica
Industria chimica

Cartiero
Tessile

Lavanderie industriali

Temperatura [°C]


temperatura
I settori industriali dove è maggiore la probabilità di diffusione del solare termico sono
illustrate nel grafico seguente:

Partendo da stime ENEA basate sul mercato europeo, uno scenario plausibile prevede
entro il 2020 il soddisfacimento del 3÷4% del fabbisogno termico dell’industria italiana
tramite le tecnologie solari: questo corrisponderebbe all’installazione di circa 5 milioni di
metri quadri di superficie solare con una potenza di oltre 3.5 GWtermici


temperatura
 L’uso termico del energia solare nei settori industriali è attualmente non significativo
rispetto alle applicazioni a bassa temperatura

 L’utilizzo delle tecnologie solari in processi industriali a media temperatura avviene
infatti solo su modesta scala ed ha una natura per lo più sperimentale
Tutto ciò nonostante …
• il fabbisogno energetico del settore industriale rappresenti nei paesi industrializzati il 30% dell’intero
fabbisogno nazionale
• di cui solo un terzo è di natura elettrica, e per i restanti due terzi è relativo al calore, la cui maggior
parte risulta essere a temperature al disotto di 250 °C.

Lo sviluppo pertanto di tecnologie a concentrazione di piccola taglia aprirebbe sicuramente
la strada ad applicazioni di più ampia scala e diffusione commerciale (mini e micro CSP
anche in assetto cogenerativo con cicli ORC, sistemi ibridi CPVT, sistemi ibridi del tipo
Dish/Stirling)


Applicazioni a media temperatura
I collettori solari a media temperatura si collocano in una zona di confine fra i collettori solari a bassa temperatura, oggi molto diffusi,
che raggiungono temperature limite intorno ai 100 °C, e i collettori solari a concentrazione ad alta temperatura, con temperature
variabili fra i 250 °C e i 2000 °C. In questo contesto, è interessante classificare i collettori in base alle temperature di utilizzo,
focalizzandosi principalmente nel range dei collettori a media temperatura e definendo per ogni tipo di collettori le applicazioni
possibili.

Range di
temperatura

Tipologie di collettori

Applicazioni possibili

100-120°C

•
•
•
•

• Produzione di calore di processo a bassa
temperatura
• Solar cooling con macchine ad assorbimento a
singolo effetto
• Impianti di desalinizzazione

120-250°C

• Concentratori parabolici lineari con bassi
rapporti di concentrazione
• Concentratori lineari Fresnel con bassi

• Produzione di calore di processo anche ad alta
temperatura
• Solar cooling con macchine ad assorbimento a
doppio effetto
• Cogenerazione a bassa temperatura con cicli ORC
• Impianti di desalinizzazione

da 250°C ad oltre 450°C

• Concentratori parabolici lineari con alti
• Concentratori lineari Fresnel con alti rapporti
di concentrazione

• Generazione di energia elettrica tramite un ciclo
termodinamico
• Cogenerazione a più alta temperatura con cicli
ORC

Collettori piani doppio vetrati
Collettori sottovuoto
Collettori CPC
Sistemi Dish a bassa e media temperatura


Tecnologie solari a concentrazione
SISTEMI PARABOLICI LINEARI (PTC)
Principali caratteristiche:
 Temperature di lavoro fino a 300°C
 Assorbitore:


Forma tubolare di dimensioni adeguate per
tener conto dell’allargamento dell’immagine
riflessa del disco solare



Trattamento selettivo



Incamiciato in un tubo di vetro

 Sistema ad inseguimento monoassiale con
orientamento N-S oppure E-W
 Fluidi
utilizzati:
olio
pressurizzata, vapore

diatermico,

acqua

Raffigurazione schematica di un collettore PTC


Vantaggi:
 Possibilità di avere elevate efficienze ottiche
 Output energetico costante nell’anno a parità di
condizioni di insolazione
 Minori effetti dovuti al modificatore dell’angolo di
incidenza (IAM) rispetto ad altre tecnologie

Svantaggi:
 Necessità di connessioni flessibili
per
assecondare lo spostamento del tubo ricevitore
 Esposizione a elevati carichi al vento
 Scarsa possibilità di riduzione dei costi a meno di
intervenire sui materiali utilizzati


Principali caratteristiche
di alcuni collettori PTC
presenti sul mercato



Soltigua (ITA)
IT.Collect

Sopogy (USA)


SISTEMI A SPECCHI LINEARI DI FRESNEL (LFC)
 Temperature di lavoro fino a 300°C
 Assorbitore:


Spesso di forma tubolare ma non solo



Trattamento selettivo



Copertura in vetro di diverse tipologie

 Presenza di un ottica secondaria
 Sistema ad inseguimento monoassiale con
orientamento N-S oppure E-W
 Fluidi
utilizzati:
olio
pressurizzata, vapore

diatermico,

Raffigurazione schematica di un collettore LFC

acqua

Raffigurazione in sezione del ricevitore secondario


Vantaggi:
 Ricevitore fisso e quindi non necessità di
connessioni flessibili
 Semplicità costruttiva
 Minore costo dei componenti sia ottici
strutturali

che

 Bassa esposizione ai carichi del vento

Svantaggi:
 Minore efficienza ottica rispetto ai PTC
 Necessità di un’ottica secondaria
 Minore ore di operatività (effetti di Blocking e
Shading)
 Output energetico variabile nel corso dell’anno
 Marcati effetti dovuti all’IAM


Principali caratteristiche
di alcuni collettori LFC
presenti sul mercato



HelioDynamics (USA)

Industrial Solar GmbH (Ger)

Chromasun Inc. (USA)

Soltigua (ITA)


SISTEMI CPC (Compount Parabolic Concentrator)
Principio di funzionamento e principali applicazioni


SISTEMI PARABOLICI A DISCO (PDC)
 Poiché sono sempre puntati direttamente verso il
sole, sono i collettori solari più efficienti.
 Hanno rapporti di concentrazione compresi fra
500 e 2000, che gli permette di avere altissime
temperature e quindi alte efficienze di
trasformazioni energetiche.
 Un campo di PDR ha una struttura modulare, che
permette di far funzionare indipendentemente
singole unità.


Strumenti di incentivazione
MECCANISMI DI INCENTIVAZIONE DEL SOLARE TERMICO

 Detrazioni Fiscali del 55% (65%)
In vigore per tutto il 2013
Da giugno l'entità della detrazione è stata innalzata al 65%

 Conto Energia Termico
Impegno di spesa annua cumulata pari a complessivi 900 M€, di cui:
 200 M€ per la PA
 700 M€ per i soggetti privati


DETRAZIONI FISCALI
Con riferimento al D.M. 19.02.2007 (“Disposizioni in materia di detrazioni per le spese di
riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente” e s.m.i.), le tipologie di pannelli
solari che possono beneficiare del regime fiscale agevolato (detrazione d’imposta del 55% in
10 anni) sono:
• quelli destinati alla "produzione di acqua calda per usi domestici o industriali e per la copertura del

fabbisogno di acqua calda in piscine, strutture sportive, case di ricovero e cura, istituti scolastici e
università“ (ai sensi dell’art. 1, comma 349, della legge 27 dicembre 2006, n. 296)

• sono, inoltre, ammessi alla detrazione (art. 8 – “Asseverazione degli interventi di installazione di pannelli
solari”), i pannelli solari in possesso di certificazione di qualità conforme alle norme UNI EN 12975 o
UNI EN 12976 rilasciata da un laboratorio accreditato.

Per l’ottenimento dell’incentivo occorre
• la certificazione del solo collettore secondo la norma UNI EN 12975 nel caso di sistemi solari a
circolazione forzata o a circolazione naturale con collettore separato dall’accumulo
• la certificazione secondo la norma UNI EN 12976 nel caso di sistemi solari in cui l'unità di accumulo
non è disgiungibile dal collettore (sistemi integrati - ICS)


DETRAZIONI FISCALI – Applicabilità ai collettori a concentrazione
Con la pubblicazione da parte del CEN di un emendamento alla EN12975-1:2006 +
A1:2010, è ora possibile utilizzare lo stesso standard per la certificazione dei collettori a
concentrazione con o senza sistema d’inseguimento.

Sebbene la norma sia sostanzialmente applicabile a tale tipologia di collettori, particolare attenzione
deve essere posta nell’esecuzione dei test sia di caratterizzazione energetica sia di qualificazione
meccanica
Per questi ultimi, poiché la normativa non è ancora in grado di gestire le caratteristiche specifiche dei
collettori a concentrazione con o senza inseguimento, parte di questi test (es. carico meccanico,
pioggia, impatto) non risultano al momento applicabili

ACCESSO ALLA DETRAZIONE FISCALE DEL 55%
(Risoluzione n. 12/E emanata dall’Agenzia delle Entrate in data 07.02.2011)
Collettori a concentrazione
per la produzione di ACS

Sistemi termodinamici per la produzione
combinata di elettricità e calore
(Incentivo applicabile alla sola quota parte destinata agli usi termici)


Adeguamento EN 12975: Metodiche adottate e attività in corso
TEST

Metodica da adottare

Attività in corso

Caratterizzazione
energetica

• Si può ricorre al metodo in transitorio (QDT test)

• Definizione del modello matematico da
considerare in relazione al fattore di
concentrazione e alla presenza del vetro di
copertura
• Influenza della velocità del vento
• Proprietà del fluido termo-vettore

• È comunque possibile utilizzare il metodo in
stazionario a patto di rilevare le diverse
componenti della radiazione solare (diretta,
diffusa)
Prove di
qualificazione

• Per le prove applicabili, le metodiche di prova da
adottare rimangono le stesse.
• Indicazioni specifiche vengono fornite per quelle
prove in cui possono intervenire i sistemi di
protezione che in genere sono previsti per i sistemi
a concentrazione (Es. sistemi di protezione contro
il surriscaldamento, l’assenza di fluido, l’azione del
vento, ecc.). In questi casi il corretto
funzionamento di tali sistemi deve essere
verificato.

• Definizione di procedure specifiche per le
prove di resistenza alle alte temperature,
esposizione, pioggia e carico meccanico


CONTO ENERGIA TERMICO
Il Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012 ha dato attuazione al cosiddetto “Conto
Termico”, un regime di sostegno specifico per interventi di piccole dimensioni per la
produzione di energia termica da fonti rinnovabili e l’incremento dell’efficienza energetica.
L’accesso all’incentivo è consentito per due categorie di interventi:
• Categoria 1 ‐ interventi di incremento dell’efficienza energetica (art. 4, comma 1 del Decreto)
• Soggetti ammessi: solo PA
• Interventi ammessi: solo su edifici pubblici esistenti
• Accesso agli incentivi: diretto e su prenotazione

• Categoria 2 ‐ interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e
sistemi ad alta efficienza (art. 4, comma 2 del Decreto) quali: sostituzione di impianti di climatizzazione
invernale esistenti con impianti ad alta efficienza, sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o
di riscaldamento delle serre e dei fabbricati rurali con impianti a biomassa, installazione di collettori
solari termici, sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa di calore.
• Soggetti ammessi: PA e soggetti privati
• Interventi ammessi: sostituzione di generatori termici esistenti ad eccezione degli impianti solari
• Accesso agli incentivi: diretto


CONTO ENERGIA TERMICO


CONTO ENERGIA TERMICO – Regole applicative GSE


Ruolo ENEA
 QUALIFICAZIONE DEI COMPONENTI
 Presso il CR ENEA Trisaia è operativo un laboratorio per la sperimentazione e
qualificazione di collettori solari a media temperatura
 Sviluppo della normativa tecnica specifica per collettori a concentrazione
(attività in ambito CEN/TC 312)

 ATTIVITA’ DI SUPPORTO ALLO SVILUPPO TECNOLOGICO
 Sono attive diverse collaborazioni con aziende italiane operanti nel settore
delle applicazioni solari a media temperatura

 Messa a punto di metodiche semplificate per l’analisi delle prestazioni di
collettori a concentrazione e l’accoppiamento con sistemi piligenerativi (STSMED)


Ruolo ENEA
QUALIFICAZIONE DEI COMPONENTI
Laboratorio per applicazioni a media temperatura
 Sperimentazione e qualificazione di
collettori solari a media temperatura
 Analisi e caratterizzazione energetica
degli accumuli termici
 Studio, implementazione e ottimizzazione
di sistemi avanzati di controllo

Laboratorio
accreditato ACCREDIA


Ruolo ENEA
SUPPORTO ALLO SVILUPPO INDUSTRIALE

 Analisi e caratterizzazione energetica di diverse tipologie di concentratori solari (CPC,
parabolici lineari, parabolici puntuali, a specchi lineari di Fresnel)

Soltigua

Innova

 Supporto allo sviluppo e sperimentazione di componenti allo
stato pre-industruale e/o di prototipo
90

30

120
90

60

40

120

20

60

150

30

30
10

150

30

20

10

180

180

0

0

210

210

330

330

240

300
270

240

300
270

Costruzioni
Solari


Ruolo ENEA
Mini e Micro CSPO abbinati a cicli ORC

Esempio di installazione (Fonte: INGECO)
Valori calcolati di producibilità giornaliera e relative efficienze

Impianto CSP a lenti di Fresnel su ORC CLEAN CYCLE WHG INGECO –GE (Tin150° C)
Eth [MJ]
Eel [MJ]
Esol [MJ]
ηel [-]
ηth [-]
LUGLIO
51,85
8,10
111,35
0,073
0,466
ROMA
GENNAIO
15,92
2,49
35,35
0,070
0,450
LUGLIO
51,85
8,10
108,81
0,074
0,476
PALERMO
GENNAIO
16,49
2,58
36,35
0,071
0,453
LUGLIO
51,85
8,10
108,94
0,074
0,476
TRISAIA
GENNAIO
14,10
2,20
31,65
0,070
0,446

η [-]
0,538
0,521
0,551
0,524
0,550
0,515


Ruolo ENEA
Sistemi Dish/Stirling

Esempio di analisi ottica condotta sul
sistema al fine di valutarne le
performance

Sistema Dish/Stirling
installato in Trisaia
per la sua
caratterizzazione e
valutazione delle
potenzialità di
produzione elettrica e
termica su mediolungo periodo.

Andamento delle prestazioni energetiche
giornaliere durante il periodo di monitoraggio

Producibilità giornaliera ed efficienze del sistema Dish/Stirling

MILANO
ROMA
PALERMO
TRISAIA

LUGLIO
GENNAIO
LUGLIO
GENNAIO
LUGLIO
GENNAIO
LUGLIO
GENNAIO

Eth [MJ]
161.27
36.16
181.14
91.33
183.10
91.70
172.55
77.41

Eel [MJ]
61.35
13.40
68.97
34.55
69.72
34.69
65.68
29.21

Esol [MJ]
494.44
110.19
555.48
279.63
561.50
280.79
529.09
236.88

ηel [-]
0.1241
0.1216
0.1242
0.1235
0.1242
0.1235
0.1241
32
0.1233

ηth [-]
0.3262
0.3281
0.3261
0.3266
0.3261
0.3266
0.3261
0.3268

η [-]
0.4503
0.4497
0.4503
0.4501
0.4503
0.4501
0.4503
0.4501


Ruolo ENEA
Sistemi CPVT

electric

thermal (model)

global

0.7

electrical (model)

thermal

0.8

global (model)

Efficiency [-]

0.6
0.5

0.4
0.3

Modulo fotovoltaico-termico installato sul concentratore

0.2
0.1
0
-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

T*m [K m2 W-1]

Prototipo del
sistema CPVT
durante le prove
all’Università di
Padova

Esempio di analisi ottica condotta sul ricevitore
CPVT
Eth [MJ]
GENNAIO
13.09
ROMA
GIUGNO
22.25
GENNAIO
11.93
CATANIA
GIUGNO
20.50
GENNAIO
10.74
PADOVA
GIUGNO
23.09
GENNAIO
12.98
TRISAIA
GIUGNO
23.99
GENNAIO
14.68
IL CAIRO
GIUGNO
20.23

Efficienza in funzione della temperatura
media ridotta: valori misurati (punti) e
curve di previsione del modello in
condizioni di stazionarietà con il carico
elettrico connesso
Eel [MJ]
7.37
11.99
6.82
11.01
6.28
12.30
7.30
12.51
8.09
10.73

Esol [MJ]
35.24
57.48
32.59
52.79
29.95
59.19
34.97
60.42
38.73
51.38

ηel [-]
0.209
0.209
0.209
0.209
0.210
0.208
0.209
0.207
0.209
0.209

ηth [-]
0.371
0.387
0.366
0.388
0.358
0.390
0.371
0.397
0.379
0.394

η [-]
0.580
0.596
0.575
0.597
0.568
0.598
0.580
0.604
0.588
0.603


Grazie per l’attenzione
Per ulteriori informazioni …

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie,
l’energia e lo sviluppo economico sostenibile

Centro Ricerche TRISAIA

Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari

http://www.enea.it
http://www.trisaia.enea.it


Sts-Med Regional Meeting - Sabatelli

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Sts-Med Regional Meeting - Sabatelli

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

More from Consorzio ARCA

More from Consorzio ARCA (18)

Sts-Med Regional Meeting - Sabatelli