Le Centrali Solari Termoelettriche

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Quando pensiamo all’energia solare, pensiamo alla produzione fotovoltaica, ma esiste un altro modo di sfruttare il sole: le centrali solari termoelettriche.

Un impianto di questo tipo può anche essere chiamato centrale solare a concentrazione o termodinamica. Si tratta di una tecnologia relativamente recente e non ancora molto diffusa. Le centrali solari termoelettriche sfruttano la radiazione solare per convertirla in calore concentrato e scaldare un fluido di lavoro. Concetto completamente diverso dalla produzione fotovoltaica, che invece si affida a caratteristiche fisiche di certi materiali per produrre energia elettrica direttamente nei pannelli.

Come sono fatte le centrali solari termoelettriche?

Esistono 4 diverse tipologie di centrali solari termoelettriche: a collettori parabolici lineari, a collettori lineari a riflettore Fresnel, a torre di energia solare ed a riflettore parabolico circolare. La caratteristica che accomuna tutte però è quella di utilizzare degli specchi detti eliostati, per riscaldare un fluido. Gli specchi concentratori sono completamente automatizzati per inseguire il Sole nel suo moto apparente in cielo. Questa funzione è necessaria per massimizzare la resa di captazione solare durante l’intero arco della giornata.

Molto diversi dai comuni pannelli solari termici a uso domestico, che raggiungono raramente temperature superiori a 95 °C. Questa tipologia di impianto genera medie ed alte temperature, anche oltre i 600 °C, permettendone l’uso in applicazioni industriali per la generazione di elettricità e/o di calore per processi industriali. Nella produzione di energia elettrica, quando il fluido di lavoro raggiunge lo stato gassoso attiverà una turbina che alimenta un generatore.

In alcuni tipi di centrale, si scalda un fluido termovettore che tramite uno scambiatore di calore riscalda dell’acqua perché diventi vapore.

Il fluido termovettore solitamente è una miscela di sali che fondono alle temperature di esercizio della centrale e per questo detti sali fusi. L’utilizzo delle miscele a sali fusi migliora la capacità di accumulo termico dell’impianto, prolungando la produttività  di molte ore dopo la fine dell’esposizione al sole.

Al processo si possono anche abbinare dei serbatoi per la conservazione del calore, prolungando ulteriormente l’autonomia dalla luce solare. 

Impianto a collettori parabolici lineari

Un impianto di questo tipo è formato da specchi parabolici capaci di ruotare su un asse orizzontale, che riflettono e concentrano la luce del sole su un tubo ricevitore posto nel fuoco del paraboloide. Il fluido termovettore che scorre nel tubo, si riscalda e raggiunge uno scambiatore di calore per la produzione di vapore, e/o un serbatoio di accumulo. L’accumulo può restituire calore allo scambiatore di calore, che genera vapore tramite scambio termico. Quest’ultimo viene utilizzato per muovere una o più turbine, collegate a loro volta a degli alternatori che producono corrente elettrica.

Impianto a specchi lineari a riflettore Fresnel

La differenza principale di questo tipo di impianto rispetto al precedente, sta nel tipo di eliostati usati.

I riflettori Fresnel sono numerose strisce parallele di specchi piani, inclinati appositamente per concentrare la luce solare su tubi posizionati sopra e parallelamente agli specchi. Dentro ai tubi c’è un fluido termovettore che funziona esattamente come in un impianto a collettori lineari parabolici. Il vantaggio di questo diverso tipo di specchi è che garantisce una maggiore superficie riflettente a parità di area occupata. Inoltre gli specchi piani sono meno costosi di quelli parabolici. Uno svantaggio però è una minore efficienza ottica e quindi una minore capacità di concentrazione della luce.

Impianto a torre di energia solare

Le centrali solari termoelettriche a torre sono composte da un sistema di specchi riflettenti indipendenti che concentrano i raggi solari in punto fisso, generalmente posto sulla sommità di una torre costruita al centro dell’impianto. Questi impianti hanno la forma circolare e necessitano di molto spazio. Più alta è la torre, più pannelli si possono piazzare intorno ad essa, tuttavia ad una distanza maggiore, l’efficienza degli specchi diminuisce. Nel ricevitore in cima alla torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere temperature superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

Impianto a riflettore parabolico circolare

Negli impianti di questo tipo, lo specchio è di forma rotonda e concava, simile a quella di un’antenna parabolica. La luce solare viene quindi riflessa su un fuoco centrale di tipo puntuale. Questo tipo di specchi necessita della capacità di muoversi su entrambi gli assi, verticale e orizzontale. Solitamente, nel fuoco centrale si piazza il lato caldo di un motore Stirling, ma sono stati sperimentati prototipi che utilizzano l’energia solare per dissociare l’ammoniaca. In questi, si recupera il calore in fase di ricombinazione dei composti in un apposito generatore di vapore, raccogliendo il flusso dei composti dissociati anche da più di un riflettore, per poi alimentare un convenzionale ciclo termodinamico con turboalternatore. Con questo sistema si riescono a raggiungere i massimi fattori di concentrazione, e quindi temperature molto elevate.

Esiste anche un quinto tipo di impianto detto Torre Solare

Da non confondere con la torre a energia solare, nonostante il nome simile. Ad oggi, sono state realizzate solo due strutture di questo tipo ed una è stata distrutta da una tempesta dopo soli 8 anni di produzione.

Questo tipo di impianto è composto da un collettore alla base che ha la funzione di  raccogliere l’aria calda, da una torre da cui fuoriesce l’aria, e dalle turbine situate tra la torre e il collettore. Il collettore è un’ampia serra in vetro o plastica e aperta alle estremità, i raggi solari riscaldano l’aria al suo interno. La torre ha il ruolo di collegare l’aria calda della serra con quella più fredda sulla sua cima. L’aria calda, che sale perché più leggera, crea una corrente d’aria tra il collettore e la torre. Questa corrente aziona le turbine poste tra collettore e torre, convertendo il flusso d’aria in energia elettrica. In questo impianto la produzione di energia è proporzionale all’altezza della torre e al volume di aria calda accumulata nella serra. Per accumulare più calore si possono aggiungere nel collettore dei tubi contenenti un fluido termovettore con una capacità termica superiore a quella del suolo. Il vantaggio di una struttura come questa è la capacità di durare decine di ore senza calore diretto. Questa caratteristica non è solo dovuta al calore ceduto successivamente dal suolo o dal fluido, ma perché una serra accumula calore anche con cielo nuvoloso.

Quanto sono efficienti le centrali solari termoelettriche?

Nel 2008, il fisico italiano Carlo Rubbia ha stimato che, costruendo un quadrato di specchi di 40.000 km² si sarebbe potuto sostituire tutta l’energia derivata dal petrolio prodotta allora nel mondo. Ma se questa tecnologia è così promettente perché non si è fatto largamente ricorso ad essa?

Il problema è lo stesso legato al solare fotovoltaico: l’affidabilità. Seppure il solare termodinamico possa vantare una maggiore autonomia dalla luce solare, rispetto al fotovoltaico, questa si limita al massimo a pochi giorni. Molte delle centrali solari termodinamiche che sono state costruite, lavorano in regime di cogenerazione. Quando infatti non è disponibile la luce solare per periodi prolungati, fanno il ricorso alla combustione di gas per scaldare i fluidi termovettori. Per questo motivo, alcuni esperti del settore non le considerano fonti interamente rinnovabili.

In ogni caso, il vantaggio maggiore rispetto ad un tradizionale impianto fotovoltaico consiste in una produzione di energia più uniforme nel tempo. Ciò si deve alla capacità di riuscire a produrre energia anche di notte o in caso di cattivo tempo fino ad alcuni giorni grazie al sistema di accumulo del fluido termovettore e all’alta temperatura raggiungibile dai sali fusi.

Queste centrali non sono inquinanti dato che utilizzano il sole come fonte energetica, ma impattano comunque sull’ambiente.

In quanto centrali termiche scaricano calore residuo. Questa è una necessità del sistema di trasformazione del calore in energia meccanica per produrre energia elettrica. L’energia termica a bassa temperatura non utilizzabile per azionare il turbo-alternatore, si trasferisce all’acqua di refrigerazione del condensatore che, a sua volta, se non utilizzata in un sistema di teleriscaldamento, viene scaricata nel corpo idrico dal quale era stata prelevata. Quest’acqua non subisce alcuna alterazione chimica, ma è comunque a temperatura più elevata di quando prelevata. Collegare questo tipo di centrali ad un sistema di teleriscaldamento, risulta tuttavia superfluo. Per loro stessa necessità, questi impianti devono sorgere in zone molto soleggiate che hanno quindi un clima temperato o caldo.

A seconda dell’ambiente e da come si effettua la re-immissione dell’acqua, si possono verificare crescite anomale di alghe e animali acquatici.

Le centrali occupano una grande estensione di superficie recintata, per cui diventano un ostacolo per la fauna locale. Inoltre, i diversi edifici necessari al loro funzionamento comportano sempre un impatto sull’ambiente dal punto di vista paesaggistico.

Nella sala macchine, le turbine e i generatori di corrente producono un rumore costante di numerosi decibel, dannoso sia per la fauna, sia per l’uomo.

Le centrali solari termoelettriche rappresentano la soluzione ecologica al fabbisogno energetico?

NO

Seppur come specificato più volte, il solare termoelettrico abbia più autonomia del normale fotovoltaico, essa resta comunque un fattore incisivo.

In quei paesi dove ci sono molte precipitazioni semplicemente le centrali hanno un valore EROEI (link interno EROEI) troppo basso. Se gli impianti lavorano in  cogenerazione hanno una buona resa energetica, ma fanno ricorso alla combustione di carburanti fossili e quindi sono più inquinanti rispetto ad altre fonti rinnovabili.

In conclusione, impianti di questo tipo sono utili e molto più ecologici delle fonti fossili, ma come per le altre energie rinnovabili, non si può fare affidamento completamente e solamente ad essi.

La parola chiave nelle corsa alle rinnovabili ed alla transizione ecologica è differenziare. Bisogna fare affidamento su più fonti che lavorino in armonia per sopperire l’una alle mancanze dell’altra.

Il solare termoelettrico è un ottimo alleato nella lotta al cambiamento climatico, ed è fondamentale che la tecnologia per il suo sfruttamento continui a migliorare perché dia rese sempre migliori e sostenibili.

Conoscevi già quest’uso del sole per produrre energia? Faccelo sapere nei commenti.