Fattibilità - Soluzioni con il fotovoltaico eventualmente in combinazione  con il termosolare e altre fonti rinnovabili

  Dati  gli attuali rendimenti dei  pannelli fotovoltaici (10%-15%) si stima che sia sufficiente lo 0.07% - 0.1% delle terre emerse mondiali per fare fronte al consumo elettrico globale. (Fonte Le Scienze maggio 2006). La valutazione è che sarebbe sufficiente trasformare in elettricità l’1% dell’energia ricevuta dal Sole che incide nei deserti. I deserti coprono il 5% della superficie terrestre: 25 milioni di kmq. Finora una tale soluzione è stata considerata proibitiva per il costo. La valutazione basata su un costo di 8.000 euro a KWatt prodotto col fotovoltaico ed utilizzando celle che hanno un rendimento del 15% (silicio cristallino) cioè che trasformano meno di un sesto dell’energia che gli proviene sotto forma di raggi solari.

  Il solo consumo energetico elettrico italiano si aggira sui 350 TWh. (T=Tera=1000 miliardi) Per l’idroelettrico e il termoelettrico si valuta il costo per la produzione di 1 KW di 2000 euro.

  Comunque coprendo di celle fotovoltaiche 1 kmq si ottengono 200 MW per 2000 ore l’anno cioè 400 GWh. Gli impianti termoelettrici italiani hanno una potenza di 57 GW e funzionano per 4000 ore l’anno producendo 230.000 GWh (=230 TWh). Per sostituirli col fotovoltaico occorrerebbe produrre una potenza doppia, di 115 GWh, e l’area occupata sarebbe di 575 kmq circa, circa il 2 per mille della superficie italiana - essendo la superficie totale italiana pari a 301.171 Kmq.

Fig.1: impianto a specchi curvi a sezione di parabola della centrale TERMOSOLARE della Kramer Junction Company (KJC), USA========>>>

 

CENTRALI TERMOSOLARI: IMPIANTI SOLARI  DI GRANDE  E MEDIA POTENZA

 

UN IMPIANTO CHE UTILIZZA LA RADIAZIONE SOLARE DI 354 MW DI POTENZA

Il più consistente impianto ‘SOLARE’ al mondo è attualmente quello messo a punto dalla Kramer Junction Company (KJC), USA, che produce 354 MW di potenza - [fig.1]

L’impianto è situato nel deserto di Mohave nel Sud della California. La radiazione solare viene intercettata da specchi curvi a sezione di parabola, che la riflettono e concentrano su tubi all’interno dei quali scorre del vapore che così viene riscaldato.

Funzionamento

Il vapore surriscaldato fino a 390 gradi va ad investire una turbina che serve a produrre l’elettricità. La continuità della produzione, nei giorni in cui il sole è coperto dalle nuvole, è garantita da un bruciatore di metano che si accende automaticamente quando la temperatura del vapore scende al di sotto di un certo livello. Senza che ci sia bisogno di un secondo impianto pronto ad accendersi.

La Kramer Junction Company è una ditta privata che vende l’energia elettrica sul mercato, e si avvale di un aiuto pubblico pari a 1,5 centesimi di dollaro al chilowattora.

Si tratta di una serie di impianti di portata molto più grande di quelli costruiti in Europa e di altri in programma (compreso quello di Rubbia dell’Enea). Sono stati costruiti sia in USA che in Australia e sono in fase di progettazione in diversi Paesi del mondo (come l’Egitto). Si tratta di impianti PER LA PRODUZIONE SU LARGA SCALA di energia elettrica che utilizzano l’energia solare come descriviamo brevemente di seguito. Naturalmente non pochi si chiedono come mai in Italia non si sia presa in considerazione una tale soluzione, né gli stessi massmedia si siano dati molto da fare per informare dell’esistenza e applicazioni di questo prodotto, visto che in America e tanti altri paesi è stato considerato un sistema così conveniente da farne una produzione su larga scala. In effetti il progetto Rubbia-Enea che esponiamo nel seguito di questo capitolo sul solare, tiene conto di questa esperienza della KJC e la migliora notevolmente come spieghiamo.    Riteniamo, data la portata della applicazione di doverne dare un’informazione abbastanza dettagliata.

Kramer Junction Solar Power Plants   /Impianti di Potenza Solare della Kramer Junction

La Kramer Junction Company (KJC) è il socio General Manager in carico delle cinque strutture di generazione elettriche termiche solari da 30-Megawatts situate nel deserto del Mohave in California. L’uscita totale è di circa 165 megawatt a pieno regime. Insieme alla relativa filiale interamente posseduta, KJC Operating Company, KJC funziona e controlla queste strutture (SEGS III-VII).

I progetti di generazione elettrico-solari del sistema della KJC (SEGS) sono una serie di programmi di scala che regolano le centrali elettriche termiche solari, che sono state progettate e sviluppate nella metà degli anni 1980 dalle LUZ industries. I sistemi solari di Solel hanno migliorato significativamente l’efficienza della tecnologia di HCE nel corso degli ultimi anni. 

Gli impianti funzionano con potenza alimentata dal sole. Per garantire l’alimentazione ininterrottamente durante i periodi di domanda di punta, i giorni nuvolosi o le sere in anticipo, un generatore a gas naturale ausiliario è disponibile e funziona per supportare le fonti di alimentazione (l’energia assicurata da gas naturale è limitata dalle regolazioni a 25% dell’assorbimento di energia annuale efficace totale dell’impianto). Il funzionamento é costantemente controllato ed ottimizzato tramite i comandi da calcolatore.  programma di servizio, particolarmente nei pomeriggi caldi. Solel e KJC stanno realizzando continui miglioramenti della tecnologia termica solare e per rendere il costo di produzione di energia elettrica termica solare sempre più competitivo.

Descrizione degli Impianti di Potenza

5 campi di 33 MW di potenza ciascuno-Operativi e commercialmente avviati dal 1985-Eccellente affidabilità-Sostituisce oltre 1 milioni di barili di petrolio/anno-Ha un’attesa di vita di lavoro di  15 anni.

Descrizione del Sistema

I campi solari si compongono di collettori che rintracciano i raggi solari. Concentrano la luce solare sopra i tubi d’acciaio che contengono un liquido di scambio di calore (HTF). Questo liquido è pompato attraverso gli scambiatori di calore per generare il vapore fino a 400 °C (752 °F) che a sua volta alimenta una turbina per produrre l’elettricità. Oltre che per elettricità, l’acqua calda emessa può essere riutilizzata per le macchine di raffreddamento o per acqua calda da riscaldamento. Un impianto solare può funzionare oltre le ore piene di sole usando i combustibili alternativi. [Vedi Fig.2 p.135]

 

STORIA

  Le crisi petrolifere dell’inizio degli anni ‘70 hanno evidenziato le possibilità di fonti di energia alternativa. Gli Americani ed i tedeschi hanno patrocinato lo sviluppo di un certo numero di sistemi parabolici di calore e di pompaggio dell’acqua. Nel 1984, la Luz International Israel Ltd di Israele ha sviluppato nove centrali elettriche che generano un totale di 345MW di elettricità per oltre mezzo milione di residenti nel deserto del Mohave nella California del sud che evita l’uso di oltre 2 milioni di barili di petrolio l’anno I nove impianti furono denominati SEGS (Sistema di Generazione Elettrico-Solare). La gamma di centrali del formato da 14 a 80 Mw è situata su tre siti: Daggett, Kramer Junction e lago Harper.  

Ogni SEGS ha un campo solare e un dispositivo di potenza convenzionale attraverso cui la forza del vapore riscaldato dà potenza a una turbina e genera l’elettricità. SEGS è un impianto ibrido che può anche funzionare a gas naturale.

 

 

PROGETTO ARCHIMEDE—termosolare

 

E’ IL NOME DEL NUOVO PROGETTO TERMOSOLARE MESSO A PUNTO DALL’ENEA

 

SOTTO LA GUIDA DI CARLO Rubbia

 

e che descriviamo alla pagina seguente

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Termosolare e pannelli

Una cella fotovoltaica è l’elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico, ma può venire anche impiegata singolarmente in usi specifici.

La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio, e si presenta in genere di colore nero o blu e con dimensioni variabili dai 4 ai 6 pollici.[1 pollice-inch = 2,54 cm.]

Piccoli esemplari di celle fotovoltaiche in materiale amorfo sono in grado di alimentare autonomamente dispositivi elettronici di consumo, quali calcolatrici, orologi e simili.

Analogamente al modulo, il rendimento della cella fotovoltaica [Rs] si ottiene valutando il rapporto tra l’energia prodotta dalla cella [Ec] e l’energia luminosa [El]che investe l’intera sua superficie. Valori tipici per gli esemplari in silicio cristallino comunemente disponibili sul mercato si attestano attorno al 15%. [Rs=Ec/El]

 

Il pannello o modulo fotovoltaico è costituito da CELLE FOTOVOLTAICHE.

Il CAMPO fotovoltaico  è costituito dall’insieme di pannelli disposti su stringhe ovvero serie elettriche.

Le varie stringhe di moduli fotovoltaici possono, a seconda delle esigenze, essere tra loro connesse in parallelo mediante opportuni quadri elettrici prima di raggiungere l’inverter o il regolatore di carica nel caso di impianti stand-alone ovvero ad isola in corrente continua.

Il campo fotovoltaico può essere paragonato ai polmoni di un impianto, ovvero il punto di contatto tra l’impianto e la sua fonte di energia: la luce del sole.

La potenza nominale del campo fotovoltaico si misura in base alla somma dei valori di potenza nominale espressi da ciascun modulo fotovoltaico di cui è composto, e l’unità di misura più usata è il kilowatt picco (simbolo: kWp).

La dimensione occupata da un campo fotovoltaico realizzato con tecnologie odierne basate sul silicio si aggira intorno agli 8 mq / kWp (metri quadrati per ogni chilowatt di picco)ai quali vanno aggiunte eventuali superfici occupate dai coni d’ombra prodotti dalle stringhe se posizionate su una superficie piana e conseguentemente sollevate verso il sole con una struttura di sostegno apposita.

Inseguitore solare

Un campo fotovoltaico può, secondo le esigenze, essere montato su strutture fisse o semoventi. Il silicio cristallino, infatti, risulta molto sensibile all’incidenza con cui la luce ne colpisce la superficie. Di conseguenza in alcuni casi risulta opportuno impiegare strutture dette inseguitori che rilevano la posizione del sole e orientano il campo fotovoltaico di conseguenza.

Gli inseguitori più diffusi sono quelli a un grado di libertà, l’azimuth. Per ottenere ciò una o più stringhe vengono montate a bordo di una base rotante. L’incremento di produzione elettrica risultate è approssimativamente pari al 17%.

Gli inseguitori a tilt sono anch’essi ad un grado di libertà, ma nel senso verticale. In questo caso il campo fotovoltaico viene sollevato verso l’orizzonte in modo che l’angolo rispetto al suolo sia ottimale per la posizione del sole. L’incremento di produzione risultante rispetto ad una soluzione fissa è di circa il 6%.

Gli inseguitori più sofisticati sono quelli chiamati in gergo girasoli, ovvero inseguitori a due gradi di libertà. In questo caso entrambe le caratteristiche degli inseguitori poc’anzi citati vengono combinate per rinforzarsi a vicenda. I vantaggi in termini elettrici raramente superano il 25%.

Innovazioni

  L’università di Toronto ha inventato un materiale plastico che sfruttando nanotecnologie converte i raggi solari e infrarossi (quindi funziona anche con il tempo nuovoloso) in elettricità. Si prevede che costruendo i futuri pannelli fotovoltaici con questo materiale se ne aumenteranno le prestazioni di cinque volte. Può essere inoltre usato come generatore portatile e quindi essere spruzzato su superfici di altri materiali (ad esempio vestiti o su una batteria di auto a idrogeno)

Si pensa che basterebbe ricoprire lo 0,1% della Terra di questa nuova tipologia di pannelli per sostituire tutte le centrali elettriche (per lo più ubicate nel primo mondo). Questa notizia è stata pubblica da Nature Materials.

Le celle polimeriche hanno però dimostrato finora di fondersi con il calore del sole e inoltre si deteriorano rapidamente quando esposte al sole.

 

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<==-Campo fotovoltaico            

-Campo montato su inseguitore di azimuth ===>>