sts-med regional meeting - giaconia

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 Palermo, 6 Novembre 2013

Small scale thermal solar district units for Mediterranean communities

«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






0

250

500

750

1000

6.22 8.02 9.42 11.22 13.02 14.42 16.22 18.02

ORA RILIEVO / (hh.mm)

PO

TE

NZ

A /

(k

W)

0

1250

2500

3750

5000

EN

ER

GIA

/ (

kW

h)

Potenza incidente

Potenza raccolta

Energia cumulativa incidente

Energia cumulativa raccolta






power block

Pel.

collettori ricevitore

stoccaggio

termico

Qv

Qg = calore accumulato nel

periodo g

g

Qv

Pel/term-el

t1

t2 t3

t4

t5 n

Qn = calore utilizzato nel

periodo n


Stoccaggio termico nel CSP

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

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


0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec

SOLAR BIOMASS

Impianti CSP «ibridi» Utilizzo di un combustibile di back up

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

Dimensionamento impianti ibridi


Impianti CSP «ibridi» Utilizzo di un combustibile di back up

2.5 km2

2.0 km2

1.5 km2

0

10

20

30

40

50

0 4 8 12 16 20

thermal storage capacity, T (GWh)%

bio

ma

ss

ba

ck-u

p *

, B

3.0 km2

R


Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA

Cooperazione pubblico-privato.

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

Ind

ustrial ro

le

Industrial

Demonstration

plant

Test facility

PCS

Prototype DesignLab

R&D

Components test and qualification

Prototype Operation start-up

Project Start-up

Demo designand construction

2006

2007

2008

2009

2005

2004

2010

2002

2001

2003

ENEL Archimede 5 MWe

Go

vern

me

nt ro

le


Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio

Tubo ricevitore

Collettore solare

Accumulo termico

Fluido termovettore

Tubo ricevitoreTubo ricevitore

Collettore solareCollettore solare

Accumulo termicoAccumulo termico

Fluido termovettoreFluido termovettore


Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio: impianto Archimede


Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA 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)


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.

Potenzialità del CSP nell’area MED Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:

Il caso della Sicilia.


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)


Hourly pick 1 409 W/m2 Solar Rate

Yearly total 2 308 kWh/m2

Unit Length 100 m

Unit Area 540 m2

Optical Efficiency 75 % Solar Collectors

Thermal Efficiency 83 %

No Collectors 18

Total Collector Length 1800 m

Total Collector Area 9 720 m2 Solar Field

Site Area 22 000 m2

Electric Energy 3 010 MWh Annual Production

Thermal Energy 8 900 MWh

Electric Power 1,0 MW el

Outlet Thermal Power 4,0 MW th

Inlet Thermal Power 5,7 MW th

Type MED Desalting Unit

Capacity 250 m3 per day

Impianti CSP poligenerativi su media scala (1-10 MW)

Esempio di impianto CSP poligenerativo da 1 MWel + 4 MWt

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

Documents