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SOLARE TERMODINAMICO, PRODURRE E ACCUMULARE ENERGIA

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L’importanza dell’accumulo nella gestione del carico nei sistemi elettrici
Le prospettive del solare termodinamico


Com’è noto la criticità per la penetrazione delle nuove fonti rinnovabili è rappresentata soprattutto dalla caratteristica aleatoria della loro disponibilità. Infatti, benché gli sviluppi tecnologici e i processi di industrializzazione su larga scala avvenuti in questi anni abbiano ridotto fortemente i costi di installazione degli impianti, lasciando prevedere un prossimo raggiungimento di condizioni di competitività economica, la discontinuità di queste fonti rimane ancora il grosso problema da superare. Problema che ha insieme ripercussioni economiche, legate al potenziamento della rete di trasporto, di affidabilità e di sicurezza per il complesso del sistema elettrico.

Lo sfruttamento dell’energia solare per via termodinamica supera questo problema. Infatti, il solare termodinamico, rispetto al fotovoltaico, consente di accumulare energia attraverso lo stoccaggio termico della radiazione solare. Questo è possibile in virtù delle caratteristiche intrinseche di questa tecnologia. Il suo funzionamento è basato sulla captazione, tramite specchi, dell’energia del sole che viene utilizzata per produrre vapore per alimentare una turbina e generare elettricità. Una parte dell’energia catturata può essere accumulata sotto forma di calore ed essere utilizzata nei momenti di assenza o limitata disponibilità della fonte solare. Da quanto detto emerge che il solare termodinamico è basato sulla conversione dell’energia attraverso un ciclo termico. Quindi la tecnologia può sfruttare in parte gli sviluppi di efficienza, affidabilità e maturità industriale già raggiunti nel campo dei sistemi termoelettrici.

Solar Power Tower Technology, Albengoa Solar

Per questi motivi le prospettive del solare termodinamico nella produzione elettrica di grande potenza sono di gran lunga maggiori rispetto alle altre tecnologie rinnovabili. La International Energy Agency (IEA) prevede un trend di sviluppo che porterà questa tecnologia a fornire nel 2050 il 10% del fabbisogno di energia. A patto che questa tecnologia implementi sistemi di accumulo termico efficienti e adeguati, in grado di consentire un elevato fattore di utilizzazione degli impianti e un efficacie dispacciamento del carico con modalità sempre più simili agli impianti fossili.

L’importanza dell’accumulo nella gestione del carico nei sistemi elettrici
Nei sistemi elettrici è indispensabile un perfetto bilanciamento tra consumo ed elettricità prodotta. La regolazione del carico rappresenta una funzione importante, almeno quanto la produzione. Oggi questa funzione viene esplicata con tre modalità, con tempi di risposta diversi, definite rispettivamente regolazione primaria, secondaria e terziaria.
La prima ha lo scopo di stabilizzare la frequenza a seguito di brusche variazioni nel sistema elettrico di produzione o consumo, la seconda di ripristinare la frequenza stessa al valore nominale, la terza di ottimizzare il carico e distribuire l’elettricità prodotta dalle ore di bassa richiesta a quelle di picco.

Per quanto riguarda la regolazione primaria e secondaria queste funzioni sono svolte dalle centrali termoelettriche in esercizio o in riserva e dagli impianti di accumulo idrico per la terziaria.

Accumulo  Modalità di regolazione del carico elettrico

La penetrazione delle fonti rinnovabili di tipo aleatorio eolico, solare e idrico ad acqua fluente per le quali non è possibile il dispacciamento, cioè l’erogazione dell’elettricità sulla base della richiesta, determina una maggiore difficoltà di regolazione del carico. Le centrali fossili, dunque, sono maggiormente impegnate a compensare le variazioni temporali di disponibilità di queste fonti.
L’accumulo energetico rappresenta quindi una opzione ineludibile per lo sviluppo delle rinnovabili.

Nel campo dell’accumulo si offrono molte disponibilità, ma esse sono per lo più limitate a potenze ed energie non elevate:

Accumulo  Panorama delle tecnologie di accumulo

I supercapacitori, dispositivi in grado di accumulare energia elettrica in due condensatori in serie a doppio strato elettrico, pur con elevata potenza hanno per ora accumuli energetici piuttosto bassi e possono esplicare un servizio con rapidità ma per tempi molto brevi. Le batterie più innovative, infatti, non vanno oltre potenze di livello intermedio. Per potenze e accumuli elevati le uniche soluzioni rimangono il pompaggio idrico, già ampiamente sfruttato, e l’accumulo con aria compressa, che richiede adeguati siti geologici di stoccaggio.

L’accumulo tramite un sistema solare termodinamico rappresenta una possibilità ulteriore nel campo delle potenze e delle energie elevate. Consente di trasformare il solare in una fonte di tipo dispacciabile, contribuendo in maniera non trascurabile alla soluzione del problema.

Le prospettive del solare termodinamico
Secondo lo scenario prospettato dalla IEA al 2050, il solare a concentrazione (CSP) fornirà oltre il 10 % del fabbisogno mondiale di energia elettrica (circa 5000 TWh all’anno).
Nel parco di generazione elettrica futuro il solare CSP sarà impiegato in larga misura nelle applicazioni di potenza elevata e dovrà esplicare un servizio sia di punta che di base. Questo richiederà l’introduzione di un significativo ed efficiente accumulo termico. Le tecnologie da sviluppare dovranno quindi prevedere questa capacità, che al momento non sembra economicamente e tecnologicamente praticabile per i sistemi fotovoltaici. Proprio in virtù dell’accumulo, la tecnologia termodinamica giocherà a lungo termine un ruolo predominante, pur non avendo ancora registrato il drastico abbattimento del costo di installazione del fotovoltaico, in mancanza di una diffusione industriale adeguata che invece si è già verificata per quest’ultimo.

I dati che emergono sono indicativi della previsione di un elevato trend di crescita a partire dal 2020, anno in cui le nuove tecnologie con accumulo raggiungeranno il livello commerciale.

Scenario  Previsioni di sviluppo del solare termodinamico (fonte IEA)

Il costo di produzione di elettricità raggiungerà per gli impianti collocati in siti ad alta insolazione (linea rossa) valore di 100 $/MWh, considerato competitivo rispetto alle fonti fossili e nucleare. Questa condizione di competitività è definita “Grid Parity”. Corrisponde alla situazione in cui la tecnologia si autosostiene economicamente in assenza degli incentivi in conto produzione attualmente applicati. Per siti a media insolazione (linea verde) la Grid Parity potrebbe essere raggiunta dopo la metà del decennio 2020-2030.

Un grosso impulso allo sviluppo verrà dalle applicazioni negli Stati Uniti. Già ora possiedono la leadership mondiale per potenza installata, a cui si aggiungeranno i paesi dell’Africa, l’India e il Medio Oriente. In seconda battuta giocheranno un ruolo significativo nell’ordine il Sud America, l’Asia centrale e la Cina. Per via della collocazione geografica le applicazioni in Europa saranno limitate alla Spagna e agli altri paesi dell’area del Mediterraneo, compresa la Turchia.

L’installazione degli impianti solari termodinamici ha una forte dipendenza territoriale. Infatti, questa tipologia di impianti cattura soltanto la porzione diretta della radiazione solare e sono economicamente sostenibili laddove esiste un‘insolazione significativa. Condizioni che si verificano nella cosiddetta “Sun Belt”, cintura solare che è la parte del pianeta compresa tra le basse e medie latitudini. Ecco la mappa che evidenzia le produzioni attese al 2050 nelle varie aree terrestri della cintura solare:

Sun Belt  Produzione e consumo di elettricità da solare termodinamico nelle aree della Sun Belt

Da questa fotografia emerge un fatto interessante: mentre nella maggior parte dei casi l’elettricità prodotta da questi impianti è consumata nello stesso paese di produzione, questo non vale per l’Africa che esporta in Europa gran parte dell’elettricità prodotta. La situazione europea, dal punto di vista dello sfruttamento dell’energia solare, rappresenta una tipicità nello scenario mondiale. L’Europa, dopo gli Stati Uniti, è il maggior consumatore di energia. Per contenere le emissioni di gas serra ha bisogno di incrementare il ricorso al rinnovabile, ma per quanto riguarda la fonte solare non vi sono condizioni di irraggiamento che consentano elevate prospettive di crescita, almeno per quanto riguarda la tecnologia termodinamica.

Allo stesso tempo, però, la vicinanza alle aree settentrionali del continente africano, caratterizzate da un elevato irraggiamento solare, costituisce una grande opportunità. A questo scopo alcuni paesi europei, guidati dalla Germania, hanno lanciato un grande progetto battezzato Desertec.

Desertec  Il progetto

Un progetto che si propone di realizzare grandi elettrodotti che attraversino il continente e uniscano tra loro le sponde del Mediterraneo, per trasportare l’energia elettrica prodotta nelle diverse aree con le fonti rinnovabili più idonee. In Desertec la tecnologia termodinamica rappresenta quella con più prospettive di applicazione, soprattutto nelle aree desertiche del Nord Africa, da dove l’elettricità così prodotta dovrebbe essere vettoriata per essere consumata in Europa.
Un progetto epocale che richiede investimenti notevoli, ma una volta realizzato modificherebbe irreversibilmente lo scenario dell’approvvigionamento energetico e favorirebbe uno sviluppo significativo del solare termodinamico.

Autore: prof. Franco Donatini, Università di Pisa
email: franco.donatini@yahoo.it

 

 

 

 

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