Calore ad alta temperatura dall'energia solare - Una tecnologia - Malignani
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Calore
ad alta temperatura
dall’energia solare
Una tecnologia
innovativa
per un’energia pulita,
disponibile
con continuità
e ad un costo
competitivoCalore
ad alta temperatura
dall’energia solare
Una tecnologia
innovativa
per un’energia pulita,
disponibile
con continuità
e ad un costo
competitivoLa futura
domanda
di energia
è sostenibile? Il consumo energetico di un Paese è
d i rettamente correlato alla sua ric-
chezza prodotta: l’intensità energeti-
ca, ovvero il rapporto tra i consumi
energetici ed il PIL (Prodotto Interno
Lordo), benché leggermente decre-
scente con il progresso tecnologico, è
L’energia è necessaria all’incirca la stessa per i Paesi poveri e
per quelli più sviluppati.
La disponibilità energetica è stata
sempre una componente essenziale Energia e povertà
della civiltà umana. Nel corso dei
tempi, il consumo energetico pro ca- Il “World Energy Outlook 2002” del-
pite è cresciuto fino a diventare 100 l’IEA (International Energy Agency)
volte superiore all’energia del meta- evidenzia che ben 1,6 miliardi di per-
bolismo corporeo, basato sull’alimen- sone – un quarto della popolazione
tazione. Nei Paesi maggiormente svi- mondiale – sono oggi sprovviste di
luppati, mediamente ogni individuo energia elettrica, il che preclude loro
abbisogna giornalmente di 0,9 GJ, inevitabilmente lo sviluppo di una
u n ’ e n e rgia equivalente a quella otte- qualsiasi attività industriale e i relativi
nibile dalla combustione di 32 kg di risvolti occupazionali. La maggioranza
carbone. Il consumo energetico pla- (4/5) di queste popolazioni vive in
netario è cresciuto stabilmente negli aree rurali dei Paesi in via di sviluppo,
ultimi 150 anni ad un tasso annuo me- principalmente in Asia e in Africa. Inol-
dio intorno al 2,3%. Il fabbisogno tre circa 2,4 miliardi di persone fanno
e n e rgetico dell’uomo, soddisfatto affidamento quasi esclusivamente sul-
principalmente mediante i combustibi- le biomasse tradizionali come fonte di
li fossili, è aumentato fino a superare energia primaria (fig. 1). Peraltro, in
la somma dell’energia geotermica, molti di questi Paesi, il livello di radia-
p roveniente dal nucleo terre s t re, e zione solare è considerevole e potreb-
delle maree indotte dal sole e dalla lu- be divenire la fonte primaria di ener-
na. Le attività umane hanno quindi gia, purché utilizzabile con tecnologie
pressoché raddoppiato l’energia en- semplici ed economiche. È quindi
dogena del pianeta Terra. Il consumo compito dei Paesi più avanzati, come
complessivo legato alle attività del- l’Italia, sviluppare nuove tecnologie ed Fig. 1 - Situazione
l’uomo è comunque solo 1/10.000 del- il “know-how” corrispondente, al fine energetica nei Paesi
l’energia incidente sulla superficie ter- di permettere un tale progresso. in via di sviluppo
restre proveniente dal sole.
2in ben 4.300 miliardi di US$. Malgra-
do un incremento dell’uso di gas na-
turale, la principale fonte primaria
per la produzione di energia elettri-
ca rimarrà, almeno fino al 2030, il
carbone.
A parità di energia elettrica prodotta,
le emissioni di CO2 da carbone sono
2,5 volte maggiori di quelle da gas
naturale. Per modificare radicalmen-
te lo scenario delineato da questa
p revisione “business as usual”, è ne-
cessario un vigoroso impulso allo
sviluppo di tecnologie innovative.
Una serie di disastri
preannunciati
Fig. 2 - Scenario Lo scenario energetico
“business as usual” prevalente ll precedente scenario “business as
delle fonti energetiche di “business as usual” usual” comporta preoccupanti con-
a livello mondiale seguenze, vale a dire :
Gran parte delle previsioni energeti-
che, basate sulle proiezioni econo- 1. cambiamenti climatici di ampie
miche per i prossimi decenni, ci as- p ro p o rzioni, con conseguenze
sicurano che gli approvvigionamenti particolarmente gravi nei Paesi in
di combustibili fossili saranno larga- via di sviluppo, meno preparati ad
mente sufficienti a coprire le richie- a ff ro n t a rne gli eff e t t i ;
ste. In assenza di grandi innovazioni
tecnologiche, i previsti consistenti 2. sviluppo sostenibile ostacolato da
aumenti della domanda energetica problemi correlati alla sicurezza
mondiale saranno coperti da un degli approvvigionamenti di pe-
s e m p re più intenso utilizzo di com- trolio e gas naturale;
bustibili fossili, con una leggera fles-
sione del contributo relativo all’ener- 3. problemi della povertà mondiale
gia nucleare ed il mantenimento di non risolti, ma amplificati dall’ine-
un apporto molto ridotto da parte vitabile aumento del prezzo dei
delle fonti rinnovabili non idro e l e t t r i- combustibili fossili, causato dal-
che (fotovoltaico, eolico, biomasse l’aumento della domanda e dal-
ecc.). l’esigenza di massicci investimen-
ti, soprattutto per il gas naturale.
La percentuale di penetrazione di
queste nuove fonti energiche rinno- Le conseguenze di questo scenario
vabili, riferita alla domanda totale, possono essere evitate solo modifi-
p resenterà solamente un modesto cando alcune delle sue ipotesi di
i n c remento nei prossimi trenta anni, base, in part i c o l a re la previsione
da circa il 2% attuale a circa il 3% che nessuna tecnologia veramente
(fig. 2). innovativa e più accettabile per l’am-
biente sarà disponibile e avrà un
S e m p re secondo l’analisi dell’IEA, ruolo sostanziale nei prossimi de-
tra il 2000 ed il 2030 è prevedibile un cenni.
raddoppio dei consumi mondiali di
energia elettrica, principalmente a L’energia solare è la candidata idea-
causa dell’aumento della domanda le per ro m p e re il circolo vizioso tra il
nei Paesi in via di sviluppo. Gli inve- p ro g resso economico e le sue riper-
stimenti corrispondenti sono stimati cussioni ambientali e sociali.do completamente disaccoppiato e
indipendente dalla presenza dell’ir-
raggiamento solare, dunque anche di
notte o in condizioni di cielo coperto.
Questa nuova tecnologia ENEA sarà
Un nuovo approccio in grado, qualora sviluppata su scala
all’energia solare adeguata, di produrre calore di pro-
cesso ad alta temperatura per una
Come già menzionato, le tecnologie grande varietà di applicazioni indu-
rinnovabili odierne, senza il contributo striali, ed in particolare per la produ-
di quella idroelettrica, coprono solo il zione di energia elettrica, ad un costo
2% circa della domanda di energia competitivo con quello relativo al ga-
primaria nel mondo. Quasi tutte le pre- solio o al gas naturale, rispetto ai qua-
visioni IEA, basate sulla situazione di li costituisce una valida alternativa, ma
mercato attuale e sulla sua evoluzione senza emissioni di gas inquinanti e di
a livello mondiale, indicano che esse CO2.
potranno raggiungere al massimo il
3% nel 2030. Le ragioni di una pene- L’energia verde: un mercato
trazione così modesta sono ben note : europeo in rapida espansione
1. il costo dell’energia prodotta, al net- In gran parte dei Paesi europei, alle
to degli incentivi, deve essere com- società di distribuzione è richiesta la
petitivo con quello derivante dall’u- fornitura di energia elettrica con un
tilizzo dei combustibili fossili: la mi - contributo percentuale minimo pro v e-
gliore energia è quella più economi - niente da fonti rinnovabili. Questo
ca; crea un mercato con due prodotti in-
dipendenti, eliminando la concorre n-
2. la tecnologia di produzione energe- za tra essi. In Italia, per esempio, il
tica deve ovviare al problema della prezzo dell’energia elettrica verde è
“discontinuità”, fattore oggi asso- oggi prossimo ai 14 ce/kWh e la quo-
ciato all’energia solare ed eolica: ta da rinnovabili fissata al 2%. Inoltre
l’energia deve essere disponibile è previsto l’aumento graduale di que-
quando è richiesta dall’utente. sta quota obbligatoria, per agevolare
una pro g ressiva riduzione della di-
Tali limitazioni vanno quindi rimosse, pendenza dalle fonti fossili.
all’interno di una ragionevole tempisti-
ca determinata dall’urgenza del pro- Attualmente i consumi elettrici annua-
blema, con l’aiuto di tecnologie inno- li nell’Europa dei 15 sono di 2.600
vative. TWh/a, estrapolabili a 2.900 TWh/a
nel 2010. Un contributo del 22% di
Un nuovo e importante programma di e n e rgia elettrica verde in Euro p a ,
ricerca e sviluppo, sostenuto da appro- obiettivo a medio termine raccoman-
priati finanziamenti pubblici, è stato av- dato dalla Commissione Euro p e a ,
viato dall’ENEA nel 2001. Questo pro- aprirebbe un nuovo mercato al 2010
gramma punta allo sviluppo di una nuo- di 640 TWh/a, corrispondente ad una
va tecnologia, basata sull’utilizzo di potenza “verde” totale installata di 73
semplici specchi a basso costo per la G We.
concentrazione della radiazione diretta,
al fine di convert i re in modo efficiente Come si vedrà in seguito, una frazio-
l’energia solare in calore ad alta tempe- ne considerevole di tale richiesta di
ratura. Per ovviare alla variabilità indotta potenza potrebbe essere re a l i s t i c a-
dal ciclo giorno/notte, l’energia solare è mente soddisfatta con la tecnologia
immagazzinata sotto forma di calore innovativa ENEA, installata per esem-
con l’ausilio di sali fusi portati a 550 °C. pio nell’Africa del nord, ad un costo
L’accumulo termico ha una capacità di produzione paragonabile con
sufficiente per erogare potenza in mo- quello degli impianti a combustibili
4fossili e quindi competitivo con le al- US$/BOL, essi equivalgono a circa 750
tre tecnologie rinnovabili concorre n t i milioni di dollari, vale a dire un ricavo to-
(ad eccezione della idro e l e t t r i c a ) , tale di 750 dollari per ogni metro qua-
quali ad esempio l’eolica, la geoter- drato di collettori. Il costo stimato del-
mica e la fotovoltaica. l’intero sistema solare ENEA, rapporta-
to alla superficie di captazione, è del-
Energia elettrica solare dall’Africa l’ordine di 100 US$/m2, per un congruo
volume di produzione.
Molte aree del Sahara hanno sia una
favorevole esposizione alla radiazione Considerando un’efficienza tipica di
s o l a re sia un’escursione stagionale conversione, da energia solare diretta
piuttosto ridotta, con un irraggiamento a energia elettrica, pari a circa il 28%,
diretto che - per una superficie piana ottenibile a questi livelli di irraggia-
orizzontale - va da circa 9 kWh/m2 al mento, ogni chilometro quadrato di
giorno (in luglio) a circa 7 kWh/m2 al collettori produce annualmente circa
giorno (in dicembre). L’integrale an- 800 GWh di energia elettrica.
nuale della radiazione diretta normale
(DNI) è di circa 2.900 kWh/m2 (10,4 Questa quantità è equivalente alla
GJ/m2), pari ad una potenza media in- produzione annuale di una centrale
torno a 330 W/m2, quasi il doppio di convenzionale a carbone o a gas di
quella nelle località più favorevoli nel circa 100 MWe. Quindi per produrre
sud Italia (fig. 3). Con un’efficienza di l’energia elettrica erogata da una cen-
raccolta di circa il 65%, un chilometro trale di 1 GWe è richiesta un’area di
quadrato di collettori è in grado di tra- circa 10 km2 di specchi, ovvero un
sferire ogni anno all’accumulo termico quadrato di circa 3,3 km di lato. L’area
un’energia equivalente a 1,2 milioni di globalmente occupata dall’impianto è
Fig. 3 - Media annuale barili di petrolio (BOL) ovvero, nei circa in realtà doppia rispetto a quella cita-
della radiazione solare 25 anni di vita dell’impianto, 30 milioni di ta a causa della spaziatura tra gli
diretta (W/m2) BOL. Al prezzo attuale di circa 25 specchi.La perdita di potenza nel trasporto è
contenuta, pari a circa 0,03 Lo. A tito-
lo di esempio, il costo del trasporto
per una distanza di 1.000 km su terr a
e 100 km in mare – la distanza neces-
saria per trasportare in Sicilia l’ener-
Il trasporto elettrico gia prodotta nel Sahara vicino – è del-
su lunghe distanze: fattibile ed l ’ o rdine di 0,6÷1,0 US¢/kWh, un costo
economico addizionale sicuramente accettabile.
Il notevole contributo potenziale, offer- L’ e n e rgia elettrica prodotta nel Nord
to dall’energia solare attraverso tale Africa potrebbe essere quindi trasferi-
tecnologia, non sarebbe completa- ta alla rete europea per mezzo di li-
mente sfruttato qualora restasse in- nee HVDC, due delle quali sono già in
quadrato solamente nella logica di fase di realizzazione, tra l’Algeria e l’I-
una domanda locale e regionale. Ma, talia (2.000 MW) e tra il Marocco e la
qualora fosse reso disponibile verso Spagna (3.000 MW).
regioni con maggiore domanda di
elettricità e minore insolazione, le po- Il trasporto elettrico è più economico
tenzialità della tecnologia solare po- di quello del gas naturale, poi utilizza-
trebbero essere fortemente incremen- to per la produzione di energia elettri-
tate, offrendo la possibilità di contri- ca. Ma, per un confronto economico
buire in maniera significativa alla sta- omogeneo, si dovrebbe ipotizzare
bilizzazione del clima globale. un’eventuale produzione diretta, a
bocca di pozzo metanifero locale,
Infatti, grazie a tecnologie di trasmis- d e l l ’ e n e rgia elettrica, ad un costo sti-
sione oggi disponibili, il trasporto di mato di circa 1,5 US¢/kWh, a cui an-
energia elettrica rinnovabile da lonta- drebbe aggiunto il costo di trasporto.
ne regioni desertiche è fattibile sia dal Tuttavia, va sottolineato, l’energia ver-
punto di vista tecnologico che econo- de è una necessità, con un merc a t o
mico. A oggi, quasi 60 GW di potenza indipendente e propri prezzi di mer-
elettrica sono trasportati a grande di- cato.
stanza in 80 installazioni operative,
basate su linee elettriche di trasmis- I costi previsti
sione in corrente continua ad alta ten- sono altamente competitivi
sione (HVDC). Tra tutte, ricordiamo
quella che porta l’energia elettrica alla Ipotizzando i valori-obiettivo della tec-
città di New York dal Canada, su una nologia ENEA, sono stati calcolati i pa-
distanza maggiore di tremila chilome- rametri complessivi e i costi previsti,
tri. Queste linee, con una potenza tipi- sia dell’energia termica che dell’ener-
ca di trasmissione che va da 0,2 a 10 gia elettrica prodotta, per una serie di
GWe, superano, con l’ausilio di cavi moduli da 400 MWe; i risultati ottenuti
marini, anche gli ostacoli dovuti all’at- sono riassunti nella tabella 1.
traversamento di tratti di mare; vanno
citati al riguardo, per quanto concerne Si evince che si potrebbe pro d u rre
l’Italia, il collegamento sottomarino calore solare ad alta temperatura ad
con la Sardegna e quello, entrato in un costo di circa 2 US$/GJ, da con-
funzione di recente, con la Grecia. I l f ro n ta re con i costi estrapolati (IEA) al
costo della trasmissione di potenza tra- 2020 del gas naturale, pari a 3,07
mite linee terrestri HVDC può essere US$/GJ (Net-back), e del carbone,
stimato con la relazione: pari a 0,88 US$/GJ. Va tuttavia fatto
[0,3 + (0,2 ÷ 0,6)Lo] US¢/kWh presente che il gas naturale ha costi
dove con Lo è indicata la lunghezza variabili e dominati dall’incidenza del
della linea in migliaia di chilometri. L’in- t r a s p o rto , mentre a bocca di pozzo
cidenza dei tratti di trasmissione marini ha il prezzo imbattibile di circa 0,5
è all’incirca dieci volte maggiore rispet- US$/GJ.
to a quella sopra citata.
6Tab. 1 - Parametri principali di un impianto
per la produzione di energia elettrica basato
sulla tecnologia ENEA
Parametri radiazione solare
Localizzazione dell’impianto Sito ottimale: deserto Sahara
Irraggiamento diretto giornaliero, luglio 9,0 kWh/ (m2 d)
Irraggiamento diretto giornaliero, dicembre 7,0 kWh/ (m2 d)
Irraggiamento diretto annuo 2.900 kWh/ (m2 a)
10,44 GJ/ (m2 a)
Prestazioni campo solare
Efficienza captazione termica 72 %
Temperatura nominale di funzionamento 550 °C
Fattore di carico medio 0,9
Energia termica accumulata 6,79 GJ/(m2 a)
Costi produzione calore
Costi obiettivo ENEA campo solare 100 $/m2
Quota ammortamento costo capitale (*) 0,1152 a-1
Costo obiettivo energia termica
- Investimenti 1,70 $/GJ
- Esercizio e manutenzione 0,15 $/GJ
Totale (obiettivo) 1,85 $/GJ
Generazione elettrica: singolo blocco
Potenza elettrica nominale 400 MW
Fattore di carico 0,8
Efficienza di conversione elettrica 45 %
Energia elettrica prodotta 2,80 TWh/a
Energia termica richiesta 22,4 x 106 GJ/a
Area collettori solari 3,30 km2
Costi generazione elettrica
- Investimento impianti convenzionali 0,70 ¢/kWh
- Calore solare, valori obiettivo 1,48 ¢/kWh
- Spese fisse esercizio e manutenzione 0,23 ¢/kWh
- Spese variabili esercizio e manutenzione 0,15 ¢/kWh
Totale 2,56 ¢/kWh
Emissioni CO evitate, rispetto a
2
- Carbone, PCSE con FDG (rend. 33,5% ) 0,69 x 106 t/a
- Carbone, CIGCC (**) (rend. 43,8%) 0,56 x 106 t/a
- Gas naturale, NGCC (rend. 54,1%) 0,25 x 106 t/a
(*) I costi sono calcolati assumendo un tasso del 10%, una vita dell’impianto di 25 anni, un’as-
sicurazione annuale pari a 0,5% e trascurando le tasse, da cui risulta un tasso di ammorta-
mento annuo di 0,1152.
(**) Impianto a ciclo combinato con gassificazione integrata del carbone.di circa 3.600 km2 di collettori (un
quadrato di 60 km di lato).
La metà delle previste nuove instal-
lazioni mondiali per la produzione di
e n e rgia elettrica al 2020 – corr i s p o n-
Per la stessa serie di impianti modu- denti ad una potenza di circa 3.500
lari da 400 MW, il costo di pro d u z i o- GW – richiedere b b e ro una superf i-
ne dell’energia elettrica risulta esse- cie di collettori dell’ordine di 35.000
re pari a 2,56 US¢/kWh, a cui va ag- km2 (un quadrato di 190 km di lato),
giunto il costo del trasporto elettrico, solamente una minuscola frazione
dell’ordine di 0,6 US¢/kWh; costo delle aree desertiche potenzialmen-
del tutto comparabile con quello re- te utilizzabili.
lativo ad impianti con tecnologia
“Pulverised Coal Steam Electric” Benché la superficie in questione
(PCSE) e desolforazione dei fumi sia considerevole in termini assoluti,
(FDG) da 500 MWe oppure ad im- non c’è nessuna ragione per la qua-
pianti con ciclo combinato a gas na- le tale soluzione debba essere con-
turale (NGCC) da 400 MWe, che siderata utopica, purché essa sia at-
producono al tipico costo di 3,0÷3,3 traente dal punto di vista economi-
US¢/kWh, ma con emissioni di gas co. Si ricorda che la superficie mon-
inquinanti e di CO2. diale dedicata all’agricoltura am-
monta a circa un milione di chilome-
L’innovazione nelle tri quadrati! Al fine di arr i v a re allo
tecnologie solari: sviluppo su così grande scala di tali
un contributo alla sostenibilità tecnologie innovative, è necessario
s t i m o l a re un processo “virtuoso” di
La nuova tecnologia ENEA, nei Pae- avvio, grazie al quale si realizzi una
si a forte insolazione, è in grado di riduzione dei costi in seguito all’au-
r i d u rre i consumi delle risorse fossili mento della produzione e, nello
e la necessità di importazioni ener- stesso tempo, la penetrazione nel
getiche, diffondendo l’uso di una mercato sia amplificata dalla ridu-
straordinaria risorsa naturale, ben zione dei costi.
distribuita nel mondo e larg a m e n t e
accessibile. Tale tecnologia potrà Il supporto pubblico allo sviluppo
contribuire alla diversificazione del- tecnologico deve essere mantenuto
le fonti energetiche e alla riduzione solo finché questa diffusione “epide-
delle emissioni inquinanti. Inoltre mica” del prodotto non sia stata atti-
potrà cre a re non solo opportunità di vata.
l a v o ro e dare un impulso all’econo-
mia, ma al tempo stesso ridurre i ri- Le considerazioni precedenti mo-
schi di conflitto correlati alle forn i t u- strano come la nicchia di mercato,
re energetiche e ai cambiamenti cli- una volta raggiunta la competitività
matici. con i combustibili fossili, sia estre-
mamente vasta, pari a diverse mi-
Le emissioni mondiali annue di CO2 gliaia di gigawatt di potenza installa-
derivanti dalla produzione di ener- ta.
gia elettrica ammontano storica-
mente (1990) a 1,6 GtCeq/a, con un Poiché il tempo di costruzione di ta-
i n c remento annuo pari a circ a li impianti, che richiedono tecnolo-
l’1,5%. Il gruppo di lavoro “Interg o- gie semplici, è relativamente breve,
v e rnmental Panel on Climate Chan- il tasso di crescita del loro merc a t o
ges” (IPCC) ha raccomandato per il può raggiungere rapidamente livelli
2020 una riduzione di almeno 0,7 sostenuti, con una tempestiva pre s a
GtCeq /a, che potrebbe essere total- di controllo degli incombenti cam-
mente realizzata con una superficie biamenti climatici.
8Lo scenario futuro Si noti che la catena di sostituzioni
è prevedibile anche “storiche” (cibo per animali ! legna
dall’esperienza del passato ! carbone ! petrolio ! gas natura-
le) è stata dettata dal mercato e non
L’evoluzione delle forniture di energia dalla disponibilità delle risorse. Le so-
primaria negli ultimi 150 anni ha se- stituzioni sono avvenute sempre all’in-
guito un andamento re l a t i v a m e n t e c i rca ogni 55 anni, in corr i s p o n d e n z a
semplice. Cesare Marchetti (fisico ita- dei massimi dei cosiddetti “cicli di
liano) ha dimostrato che lo sviluppo di Kondratiev”, che regolano l’evoluzio-
molti aspetti dell’attività umana, e del- ne dei cicli economici. È da notare
le fonti energetiche in particolare, può che l’avvento di nuove fonti di energ i a
essere previsto utilizzando le equazio- ha presentato, almeno per il passato,
ni epidemiche. L’idea di base è che la un tasso di crescita del contributo fra-
penetrazione di una nuova tecnologia zionario percentuale pressoché uni-
ha un andamento simile a quello del- voco.
l’evoluzione biologica, nella quale
nuove specie cacciano via dalla pro- È ragionevole attendersi che anche
pria nicchia le specie preesistenti. nel futuro permangano andamenti
Quasi tutte le nuove concezioni tecno- analoghi nell’evoluzione del sistema
logiche si impongono sul mercato con e n e rgetico mondiale. Secondo tale
andamenti simili a quelli epidemici. La ipotesi, nella nicchia creata dall’evolu-
loro evoluzione temporale segue ana- zione epidemica delle tecnologie at-
loghe semplici equazioni. tuali, è prevista l’apparizione e la cre-
scita di una nuova forma di energia,
Negli ultimi 150 anni, in particolare, il per la quale l’energia solare è la più
mix delle fonti energetiche primarie ha accreditata candidata, eventualmente
mostrato un andamento in perfetto ac- seguita da un’altra nuova ipotetica
cordo con le curve epidemiche, indi- tecnologia, che potrebbe essere un
pendentemente dagli eventi della so- nuovo nucleare (fissione o fusione).
cietà. Il fatto che ci sia stato un così
buon accordo nel passato, suggerisce La conclusione è rafforzata dal fatto
la possibilità di estrapolare questo me- che, nel futuro, soltanto il sole e una
todo per gli avvenimenti futuri e, in par- rinnovata fonte di origine nucleare
ticolare, per l’aff e rmazione di una nuo- hanno potenzialità di contributo ener-
va risorsa energetica. L’affidabilità del getico tali da sostenere l’enorme do-
metodo è basata sul fatto che i para- manda di energia primaria, aggiuntiva
metri che governano la forma della cur- a quella dei combustibili fossili, i quali
va epidemica sono già definiti fin dagli evidentemente dovrebbero continuare
stadi iniziali dell’evoluzione (fig. 4). a seguire la loro curva epidemica.
Fig. 4 - Scenario
“evoluzione epidemica”
delle fonti di energia
a livello mondiale- la produzione e l’accumulo di calore
a più alta temperatura (superiore a
850 °C) per la produzione di idrogeno
tramite processi termici diretti ad alta
efficienza. Come noto, l’idrogeno po-
trebbe diventare il sostituto, a medio
termine, del gas naturale in tutte le
Secondo questa ipotesi, la percentua- sue applicazioni (è da ricordare che il
le di penetrazione del solare tra le fon- vecchio “gas di città”, ampiamente
ti primarie è prevista essere all’incirca usato in passato, era composto per
dell’11% nel 2020, del 27% nel 2040 e circa il 50% da idrogeno).
del 40% nel 2060. Tali previsioni ri-
sponderebbero perfettamente alle rac- Inoltre, nel lungo termine, l’introduzio-
comandazioni dell’IPCC per uno svi- ne dell’idrogeno come vettore energe-
luppo sostenibile. Tuttavia esse sono in tico, in aggiunta all’energia elettrica,
contrasto con le predizioni dell’IEA, sarà inevitabile e potrà consentire al-
nelle quali si ipotizza che solamente le l’energia solare di soddisfare una quo-
tecnologie esistenti e ormai relativa- ta ancora maggiore della futura do-
mente mature continueranno a perfe- manda di energia primaria.
zionarsi e non è prevista la comparsa
di significative “mutazioni” che generi-
no nuove “specie”.
Quindi concetti nuovi ed innovativi, co-
me peraltro è sempre successo nel
passato, sono assolutamente neces-
sari al fine di alterare gli andamenti
e n e rgetici previsti dallo scenario “busi-
ness as usual”, e specificatamente
nella direzione ipotizzata da Marchetti.
Dal punto di vista tecnologico, lo sfrut-
tamento della risorsa di energia addi-
zionale dal sole può essere evidente-
mente sia di tipo diretto (fotovoltaico,
captazione di calore ecc.) che indiretto
( e n e rgia idrica, eolica, biomasse
ecc.).Sulla base delle considerazioni
sopra citate e nell’ottica della disponi-
bilità di una fonte di energia primaria
adeguata a livello planetario, si ritiene
che una delle più promettenti tecnolo-
gie sia quella dell’utilizzo diretto della
radiazione solare, opportunamente
concentrata, per ottenere calore ad al-
ta temperatura. Le possibilità di utilizzo
di questo calore possono essere molte;
fra le varie applicazioni possibili, l’E-
NEA, impegnato in un programma sul
solare a concentrazione finanziato con
fondi pubblici da uno specifico art i c o l o
della legge finanziaria 2001, ha scelto
due linee di interv e n t o :
- la produzione e l’accumulo di calore
ad alta temperatura (550 °C) per la pro-
duzione di energia elettrica;
10Principali
caratteristiche
degli impianti solari
a concentrazione
ENEA
per la produzione non eccessivamente persistenti. L’ero-
di energia elettrica gazione di calore su richiesta consen-
te, inoltre, una produzione elettrica
che può seguire la variazione della do-
manda giornaliera.
Produzione di calore La grande sostituzione
a costi competitivi
L’ e n e rgia solare a concentrazione con
Una volta che i sistemi di captazione produzione di calore ad alta temperatu-
ed accumulo dell’energia solare ver- ra consente di estendere, anche attra-
ranno prodotti su una scala sufficien- verso il “retro-fitting”, l’uso di energia
temente grande, la produzione e l’e- pulita e rinnovabile in un gran numero di
rogazione di calore ad alta tempera- applicazioni industriali correnti. In que-
tura (550 °C) potrà essere effettuata, ste applicazioni, come per esempio la
in località ad elevata insolazione, ad produzione elettrica, l’energia è tradi-
un costo di circa 2 US$/GJ, non su- zionalmente fornita dall’energia chimica
periore all’analogo costo previsto nel contenuta nei combustibili fossili, tra-
futuro per il gas naturale e il petrolio. s f o rmata in calore ad alta temperatura
dalla combustione. In alternativa, per la
Un’energia disponibile stessa applicazione, l’energia solare
secondo la domanda può essere raccolta, trasferita ad un
fluido termovettore portato ad elevata
La presenza dell’accumulo permette temperatura, e accumulata in un conte-
l’erogazione di energia termica su ri- nitore termicamente isolato. A richiesta,
chiesta, indipendentemente dall’ora questo calore ad alta temperatura viene
(giorno o notte). Le discontinuità della trasferito all’applicazione, in sostituzio-
radiazione solare a breve termine (nu- ne del calore fornito dai combustibili
vole) e del ciclo notte/giorno sono fossili, nella forma più opportuna, ad
completamente compensate, come esempio come vapore, grazie ad uno
pure le giornate senza sole, purché scambiatore di calore (fig. 5).
Fig. 5 - Produzione
di energia elettrica:
a) da combustibili
fossili,
b) da solarePossibilità di utilizzo su una
grande varietà di applicazioni
La tecnologia è fortemente modulare
e può soddisfare esigenze diverse.
L’energia solare può essere utilizzata
Un’energia sostitutiva sia in impianti di taglia elevata (dell’or-
per applicazioni tradizionali dine dei gigawatt elettrici), connessi
con la rete internazionale, sia in im-
L’ e n e rgia solare può alimentare, sotto pianti più piccoli (tipicamente di pochi
f o rma di calore ad alta temperatura, megawatt elettrici) per comunità isola-
impianti tradizionali e consolidati, co- te. Il suo potenziale è tale da rispon-
me quelli con turbine a vapore, a gas dere, in modo economicamente ac-
o a cicli combinati, oppure generatori cettabile, al mercato crescente dell’e-
“stand alone” per la produzione loca- nergia verde, fino ad una frazione so-
le di energia elettrica o la cogenera- stanziale della futura richiesta di ener-
zione di energia elettrica e calore. Il gia elettrica mondiale. Dal momento
calore ad alta temperatura può esse- che la generazione elettrica è realiz-
re anche fornito a molti altri pro c e s s i zata grazie a turboalternatori conven-
t e rmo-chimici industriali. zionali, l’integrazione nella rete di im-
pianti termoelettrici solari, anche di ta-
L’impianto solare produce energia glia elevata, non richiede misure parti-
elettrica e calore di processo come colari di stabilizzazione o di “backup”.
un qualsiasi altro impianto convenzio-
nale di potenza. L’impianto ad ener-
gia solare può, inoltre, essere integra-
to con un sistema di produzione a Una tecnologia rispettosa
combustibili fossili qualora, per esem- dell’ambiente
pio, siano richieste nei processi tem-
perature ancora maggiori per rag- Gli impianti solari producono energia
giungere efficienze termodinamiche senza emissioni né inquinamento.
più elevate. Non impiegano materiali tossici, in-
fiammabili o altrimenti pericolosi: l’in-
tero sistema non è sorgente di rischio
o di altri fastidi (rumore) per le popola-
Un uso efficiente dell’energia solare zioni residenti nelle sue vicinanze. In
particolare il liquido termovettore uti-
L’efficienza di captazione e di stoc- lizzato è un comune fertilizzante, già
caggio dell’energia solare diretta, inci- ampiamente usato in agricoltura, e
dente su un piano orizzontale, è supe- sue eventuali fuoriuscite accidentali
riore al 65%. non hanno alcun impatto ambientale.
Non sono richieste strutture elevate e i
Sistemi a concentrazione accoppiati a collettori solari, posizionati in modo or-
generatori elettrici azionati da turbine dinato e seguendo il profilo del terre-
a vapore, grazie a questa elevata effi- no, non deturpano il paesaggio.
cienza, richiedono superfici due o tre
volte inferiori rispetto ai sistemi foto- Il tempo di ritorno energetico del si-
voltaici, a parità di energia elettrica stema è dell’ordine di solo sei mesi,
prodotta. In molte regioni del mondo meno del 2% dell’energia prodotta du-
ogni metro quadrato di collettori può rante tutto il periodo di funzionamento;
r a c c o g l i e re annualmente la stessa percentuale molto inferiore rispetto a
quantità di energia termica contenuta quella, ad esempio, della tecnologia
in un barile di petrolio, evitando emis- fotovoltaica. Alla fine del periodo di
sioni di CO2 pari a circa 400 kg se si utilizzazione, molti dei materiali posso-
bruciasse il gas naturale, e a circa 1 t no essere riciclati e il sito può essere
se si bruciasse del carbone. ripristinato per ulteriori installazioni.
1214
modifiche e i miglioramenti che si fos-
sero resi disponibili nel frattempo. Lo
smantellamento finale dell’impianto è
semplice ed economico e il terreno è
riutilizzabile senza limitazioni.
Tempi di costruzione brevi R&S avanzata e rapida
e lunga durata dell’impianto commercializzazione
Grazie alla semplicità progettuale, un Impianti termoelettrici solari (con cal-
impianto completo può essere realizza- daia d’integrazione a gas) per un tota-
to in circa tre anni. Peraltro la vita atte- le di 354 MWe di picco, realizzati con
sa dell’impianto è approssimativamen- tecnologie analoghe ma di prima ge-
te di 25-30 anni. Oltre questo periodo nerazione, sono funzionanti a Kramer
l’utilizzo dell’installazione può essere Junction (USA) da quasi venti anni e
u l t e r i o rmente esteso apportando le hanno raggiunto un’impressionante ri-
16duzione dei costi del chilowattora pro- Two da 10 MWe). Al termine di più di dotto, che attualmente oscilla tra i 10 e due anni di intensa attività di ricerca e i 15 US¢/kWh. L’attuale concezione in- sviluppo, l’ENEA ha realizzato nel novativa ENEA, oltre ad una riduzione 2003, insieme con l’industria, un cir- dei costi, offre una maggiore tempera- cuito in dimensioni reali che incorpora tura di esercizio, un nuovo liquido ter- tutti questi elementi innovativi. movettore non infiammabile e un ac- cumulo termico tale da consentire il La messa in funzione e l’esercizio di funzionamento dell’impianto senza ri- tale circuito aprirà la strada alla co- chiedere l’integrazione con combusti- struzione di una serie di impianti di po- bili fossili. Il fluido termovettore e l’ac- tenza. Diversi impianti dimostrativi so- cumulo termico sono già stati provati no in fase di progettazione e valuta- con successo negli Stati Uniti in un im- zione ed è ragionevole attendersi che, pianto dimostrativo su scala significa- in meno di quattro anni, impianti com- tiva, che utilizza una diversa tecnolo- merciali di grandi dimensioni potranno gia (impianto a torre centrale Solar essere in via di realizzazione.
L’impianto solare
a concentrazione
ENEA per
la produzione
di energia
elettrica
Il principio di funzionamento
Il progetto si è largamente ispirato ai si-
stemi a collettori parabolici lineari
(SEGS, Solar Electric Generating Sy-
stems) che operano con successo co-
me impianti ibridi solare-gas da circa
venti anni a Kramer Junction, in Califor-
nia. I miglioramenti principali rispetto a
tale tecnologia sono:
1. nuovi specchi parabolici per aumen- Fig. 6 - Il progetto
tarne la robustezza e diminuirne il Gli specchi parabolici ENEA di un impianto
costo; termoelettrico solare
La radiazione solare diretta è focaliz- a concentrazione
2. temperatura di funzionamento più al- zata su un tubo collettore-ricevitore
ta, circa 550 °C, che richiede conse- mediante l’uso di grandi specchi pa-
guentemente un nuovo rivestimento rabolici lineari. L’apertura degli spec-
selettivo del sistema che assorbe la chi è di 5,76 m, con una altezza fo-
luce concentrata; cale di 1,81 m. Gli specchi, adatti ad
una produzione economica in serie,
3. uso di un liquido termovettore con sono costituiti da pannelli “a nido d’a-
minore impatto ambientale e non in- pe” (“honeycomb”) di 2,5 cm di spes-
fiammabile; sore, con struttura interna in alluminio
e strati superficiali in fibra di vetro ,
4. i n t roduzione di un accumulo term i c o che presentano un’elevatissima rigi-
in grado di compensare le disconti- dità. Sulla superficie esterna di questi
nuità della sorgente solare. pannelli aderisce un sottile specchio di
vetro ad alta riflettività. Un insieme di tali
Questi miglioramenti (fig. 6) comportano pannelli riflettenti è rigidamente fissato
un costo di produzione inferiore, più alte ad una struttura di supporto, lunga circa Fig. 7 - Modulo
efficienze di conversione del calore sola- 25 m, che ne consente la rotazione per di collettore solare
re in energia elettrica e un funzionamen- seguire il percorso del sole (fig. 7). (progetto ENEA)
to dell’impianto di generazione 24 ore su
24 basato esclusivamente sull’energia
solare. In sintesi, gli specchi parabolici li-
neari concentrano la luce diretta del sole
su un tubo ricevitore lineare che assorbe
l’energia raggiante e la converte in calo-
re ad alta temperatura. Nell’intento di
compensare le irregolarità dell’irraggia-
mento solare e il ciclo notte/giorno, il ca-
lore è accumulato sotto forma di sali fusi
ad alta temperatura, utilizzati in seguito
per produrre vapore e alimentare un ci-
clo di potenza convenzionale. L’accumu-
lo termico ha una capacità adeguata a
garantire l’erogazione di potenza quan-
do richiesto, in particolare la notte o
quando la sorgente solare è assente.
18Il tubo ricevitore sistemi ibridi solare-gas naturale, in
quanto necessitano di una pesante in-
Il tubo ricevitore, situato sulla linea fo- tegrazione con gas naturale per copri-
cale degli specchi, è costituito da due re le discontinuità giornaliere della
cilindri concentrici separati da una in- fonte solare. Per queste ragioni, nel
tercapedine sotto vuoto con funzione progetto ENEA si è preferito adottare
di isolante termico. Il cilindro esterno come fluido termovettore una miscela
in vetro del diametro di 11,5 cm ha eutettica di sali fusi, 60% NaNO3 –
funzione di involucro protettivo ed è 40% KNO3. Questi sali sono larga-
collegato mediante soffietti metallici al mente usati in agricoltura come ferti-
cilindro interno in acciaio. Quest’ulti- lizzanti, sono economici e disponibili
mo, che ha diametro di 7 cm, costitui- in grandissime quantità. La loro tem-
sce il tubo assorbitore dell’energia so- peratura varia tra i 290 e i 550 °C,
lare; al suo interno circola il fluido ter- quando il campo solare è operativo; la
movettore. temperatura massima è limitata dal
fatto che a circa 600 °C i nitrati si de-
Un opportuno rivestimento spettral- compongono in nitriti, con potenziali
mente selettivo sviluppato nei labora- problemi di corrosione. È già stato
tori dell’ENEA, disposto sulla superfi- completato presso l’ENEA lo studio
cie esterna del tubo in acciaio, assicu- dettagliato dei componenti associati
ra il massimo assorbimento nello spet- all’uso della miscela di sali fusi, come
tro della luce solare e la minima emis- pure sono stati studiati e risolti in ma-
sione di radiazione infrarossa dal tubo niera soddisfacente i potenziali pro-
caldo, consentendo il raggiungimento blemi connessi con tale tecnologia,
dell’elevata temperatura di esercizio come ad esempio quelli relativi alla
dell’impianto (550 °C) (fig. 8). corrosione dei materiali.
Il fluido termovettore L’accumulo termico
Il fluido termovettore degli impianti di Nel settore della produzione elettrica,
Kramer Junction è un olio minerale in- una tecnologia matura deve ero g a re
fiammabile e tossico. Le proprietà di l’energia in funzione della domanda.
questo liquido, inoltre, limitano la tem- Fino ad oggi, l’unica energia rinnova-
peratura di funzionamento dell’impian- bile che ha avuto una diffusione este-
to e – per motivi di sicurezza e di co- sa in questo settore è stata quella
sto – non permettono l’immagazzina- i d roelettrica. Ciò è dovuto sia alla
mento del liquido caldo in volumi tali competitività dei suoi costi sia alla
da costituire un efficace accumulo ter- p resenza del sistema bacino/sbarr a-
mico. In realtà questi impianti sono dei mento, che è in grado di compensa
Fig. 8 - Tubo ricevitore
(progetto ENEA).
Nel particolare:
struttura del rivestimento
spettralmente selettivo
sviluppato dall’ENEA20
Ma, mentre in un impianto termoelet-
trico convenzionale destinato al cari-
co di base il riempimento del serba-
toio di olio combustibile è norm a l-
mente effettuato con frequenze del-
l ’ o rdine dei mesi, il tempo di accu-
re le fluttuazioni dovute alla variabi- mulo per l’impianto solare è determ i-
lità delle precipitazioni. nato dal ciclo giorn a l i e ro, eventual-
mente incrementato al fine di com-
Nel caso dell’energia solare, il calore pensare avo tempo.
accumulato nel serbatoio caldo svol-
ge la stessa funzione dell’accumulo Ne consegue che, a parità di poten-
di acqua nel bacino idroelettrico. za installata, le dimensioni per un
serbatoio di olio combustibile e
Fortunatamente, poiché l’energia so- quelle per l’accumulo termico di un
l a re è generalmente disponibile su impianto solare in funzionamento
base giornaliera, la quantità di ener- continuativo sono in realtà parago-
gia da immagazzinare, al fine di ga- nabili. Ad esempio, al fine di garan-
rantire la stessa continuità di funzio- t i re l’erogazione a potenza costante
namento, è tuttavia molto più mode- (24 ore su 24) dell’energia solare
sta. Un elevato salto termico (260 °C) giornaliera massima raccolta da 1
tra il serbatoio caldo e quello fre d d o km2 di collettori nel Sahara, è richie-
permette una notevole capacità di sto un serbatoio di accumulo di cir-
accumulo (per immagazzinare 1 kWh ca 30 m di diametro e di 21 m di al-
di energia termica sono sufficienti tezza. Se il serbatoio è di dimensio-
c i rca 5 litri di sale fuso nel serbatoio ni opportune, le perdite di energia
caldo). associate all’accumulo termico sono
molto contenute, tipicamente minori
L’energia accumulata in un dato vo- dell’1% giorn a l i e ro.
lume di questo sale fuso è eguale al-
l’energia prodotta dalla combustione Quindi l’accumulo termico è un si-
dello stesso volume di gas naturale, stema estremamente efficiente, qua-
alla pressione di 18,4 bar, oppure di lora confrontato con gli altri metodi
un volume di petrolio 43 volte inferio- c o rrenti di accumulo energetico (fig.
re. 9).
Fig. 9 - Sistema
di accumulo
del calore
(progetto ENEA)
22Verso
la realizzazione
dell’impianto
industriale
ENEA
Un ampio programma
di R&S per la messa a punto
del sistema
Il programma ENEA sul solare a con-
centrazione è stato finanziato con fondi
pubblici stanziati da uno specifico arti-
colo della legge finanziaria 2001. Fin
dall’inizio del 2001 è stato attivato un
imponente programma di R&S, che è
attualmente nella sua fase conclusiva. privati nonché di adeguati investimenti. Fig. 10 - Impianto di prova
Tale programma, in conformità a quan- Infatti gli impianti prototipali comport a- e qualificazione collettori
to previsto dalla legge, ha anche avvia- no alti costi a causa sia della indispen- solari realizzato presso il
to una stretta collaborazione con molti sabile fase di apprendimento, nella Centro Ricerche ENEA
p a rtner industriali, sia italiani che stra- messa a punto e nell’uso di nuove tec- Casaccia
nieri, per la qualificazione del prodotto nologie, che della loro taglia necessa-
e per la sua successiva introduzione riamente ridotta; per essere economi-
nel mercato. Nel 2002, l’investimento camente convenienti impianti di questo
ENEA in termini di risorse umane è sta- tipo necessitano di potenze superiori a
to di circa 100.000 ore uomo. 40 MWe. Però gli impianti solari posso-
no essere anche integrati con impianti
Circuito sperimentale termoelettrici convenzionali, compresi
in scala reale quelli a ciclo combinato, per incremen-
t a rne la potenza elettrica complessiva
È stato costruito presso il Centro Ricer- (fig. 11).
che ENEA Casaccia un circuito di pro-
va dei moduli di collettore solare (fig. Questa possibilità consente di utilizzare,
10); realizzato in scala reale con com- con pochi cambiamenti, installazioni già
ponenti di origine industriale, l’impianto funzionanti. In tal modo si può fare affi- Fig. 11 - Schema di
è operativo dal dicembre 2003. Il col- damento sul sistema di produzione elet- integrazione del vapore
lettore solare, il tubo ricevitore, le tuba- trica, sul sito e sulle infrastrutture esi- solare in un impianto
zioni e la circolazione del sale fuso, nel- stenti, limitando il più possibile i costi termoelettrico
le stesse configurazioni di un impianto per la parte convenzionale dell’impian- a ciclo combinato
industriale di serie, saranno provati sul
campo. Il circuito è dotato anche di un
accumulo termico, per la verifica delle
sue modalità operative, benché in una
scala più ridotta rispetto a quella degli
impianti finali. Vista la modesta entità
dell’energia raccolta, il calore è dissi-
pato in aria.
Il prototipo pre-industriale
La realizzazione di un impianto prototi-
po completo per la produzione di ener-
gia elettrica, connesso con la rete di di-
stribuzione nazionale, necessita della
p a rtecipazione di soggetti pubblici e
24tegrazione tra un impianto a ciclo
combinato e un impianto solare ter-
modinamico. I principali parametri re-
lativi a questo progetto sono riportati
in tabella 2. Nei mesi estivi, l’impianto
solare incrementerà la potenza della
centrale – pari a 760 MWe - di circ a
20 MWe durante le ore diurne (dalle 7
alle 21).
La “solarizzazione”, per mezzo della
tecnologia ENEA, di un moderno im-
pianto convenzionale a ciclo combi-
nato, che già produce energia elettri-
Fig. 12 - Simulazione to e concentrando l’investimento sui ca, risulta molto semplice e non ri-
fotografica di un impianto componenti innovativi della nuova chiede grandi modifiche nel sistema
solare integrato in una tecnologia. In tal caso, inoltre, l’incre- esistente: infatti il vapore pro d o t t o
centrale a ciclo combinato mento di potenza può essere ampia- dall’impianto solare ha praticamente
mente modulato nell’arco della gior- le stesse caratteristiche di temperatu-
nata, facendo in modo che la pro d u- ra e pressione di quello che proviene
zione elettrica aggiuntiva dell’impian- dal generatore a re c u p e ro di calore
to solare avvenga nelle ore in cui è dai fumi di scarico del turbogas.
maggiore la domanda da parte delle
utenze esterne. I risultati attesi dal prototipo industria-
le riguardano, innanzitutto, le cono-
Su queste basi è stato firmato un ac- scenze derivanti da una applicazione
cordo di collaborazione ENEA-ENEL in piena scala della nuova tecnologia
e istituito un gruppo di lavoro con- solare, ma anche un effetto di trasci-
giunto per elaborare il Progetto Archi- namento per altre applicazioni e un
mede (integrazione di solare avanza- primo contributo, limitato ma già si-
to con un ciclo combinato). gnificativo, all’esigenza ormai impro-
rogabile di aumentare la disponibilità
Questa opportunità strategica, da di potenza elettrica sulla rete naziona-
realizzarsi presso una centrale ENEL le. Altro aspetto da non trascurare è
nel sud dell’Italia (ad esempio, la cen- l’opportunità di un’apertura del mer-
trale di Priolo Gargallo, Siracusa, ori- cato per l’industria dei componenti
ginariamente ad olio combustibile e solari, che potrebbe essere incentiva-
recentemente riconvertita a gas con ta ad investire per ottimizzare questi
ciclo combinato), costituirà la prima sistemi di produzione ed abbatterne i
applicazione a livello mondiale di in- costi.
Tab. 2 - Parametri principali relativi al Progetto Archimede
Localizzazione dell’impianto Priolo Gargallo (Siracusa)
Orientamento collettori Nord-Sud
Numero collettori 360
Superficie attiva collettori 199,1 103 m2
Energia termica annua raccolta 179,4 GWh/a
Energia elettrica lorda annua prodotta 59,2 GWh/a
Emissione annua di CO2 evitata 39.458 t/a
Risparmio annuo di energia primaria 12.703 tep/aProduzione
di idrogeno
con calore
ad alta o termofisici, utilizzando come fonte
temperatura primaria energia solare ad alta o altis-
sima temperatura, rappresenta una ri-
sposta di grande valenza in termini di
risorse energetiche disponibili, di
compatibilità ambientale e di poten-
ziale riduzione dei costi di produzione,
dato l’alto rendimento complessivo di
La produzione attuale trasformazione (fig. 13).
La produzione mondiale di idro g e n o ,
nel 2000, è stata di circa 50 milioni di
tonnellate, equivalente ad una poten-
za termica continua annua di circ a
200 GW. La domanda di idrogeno del
solo settore della raffinazione del
greggio dovrebbe, secondo le pre v i-
sioni, raddoppiare o addirittura qua-
druplicare nel prossimo decennio; a
questa andrà aggiunta la futura do-
manda proveniente da altri settori in-
dustriali ed in part i c o l a re dal settore
trasporti.
Attualmente la maggior parte della Le attività ENEA sulla produzione Fig. 13 - Schema
produzione di idrogeno, in generale termochimica di idrogeno da solare concettuale
in impianti di grande taglia, avviene di un impianto
utilizzando idrocarburi o carbone. Ta- Il programma ENEA di ricerca e svi- per la produzione
li metodi di produzione comportano luppo dei processi per la produzione di idrogeno tramite
la immissione in atmosfera di gas ser- di idrogeno con sistemi solari a con- sistemi solari
ra come la CO 2. La cattura e il confi- centrazione è orientato sui seguenti a concentrazione
namento della CO2 non può che es- obiettivi:
sere una tappa intermedia, con non
pochi problemi di fattibilità, nella • elevata efficienza nella conversione
transizione ad un modello energ e t i c o da energia solare a idrogeno;
di scala planetaria basato sul vettore
idrogeno. Il traguardo finale sarà co- • ciclo chimico che possa essere
stituito in ogni caso da processi di realizzato in impianti relativamente
produzione di energia senza emissio- semplici e con processi aff i d a b i l i ;
ni di gas serra, serviti da vettori di tra-
smissione quali energia elettrica ed • uso di sostanze chimiche a basso
idrogeno. impatto ambientale, disponibili in ab-
bondanza e a basso costo.
La produzione futura
Tra i processi termochimici l’ENEA ha
Uno dei problemi fondamentali sarà preso in esame i seguenti quattro ci-
la produzione di idrogeno su larga cli, che si trovano a diff e renti livelli di
scala a costi competitivi ed in modo fattibilità tecnico-scientifica o di svi-
sostenibile. Ciò significa l’uso di ac- luppo:
qua come materia prima e di una fon-
te energetica primaria che non pro- • Ferriti miste (Tmax ~750 ° C)
duca gas serra. Le due opzioni pos-
sibili sono ad oggi, per le fonti prima- • Zolfo-Iodio (Tmax ~ 850 °C)
rie, il ricorso all’energia solare con-
centrata ovvero all’uso dell’energia • Zinco-Zinco ossido
nucleare con reattori nucleari di nuova (Tmax~2000 °C)
generazione.La produzione di idroge-
no ottenuta con processi termochimici • Processo UT-3 (Tmax ~ 760 °C)
26Questi processi si differenziano per • la produzione degli acidi solforico e
vari fattori, quali temperatura massima iodidrico (reazione esotermica a bas-
del ciclo, numero e complessità delle sa temperatura);
operazioni unitarie coinvolte, caratteri-
stiche ed impatto ambientale delle so- • la dissociazione dell’acido solforico
stanze utilizzate, rendimento comples- con produzione di vapore acqueo, os-
sivo del ciclo, e, come già detto, per il sigeno ed anidride solforosa, quest’ul-
livello di sviluppo e di fattibilità scienti- tima riciclata alla fase di produzione
fica e tecnica.Tra i processi che sono degli acidi;
ad uno stadio di ricerca più avanzato
nei laboratori ENEA, oltre a quello del- • la dissociazione catalitica dell’acido
le ferriti miste (interessante per la iodidrico con produzione di idrogeno
semplicità del ciclo), va evidenziato il e iodio, che viene riciclato alla reazio-
processo zolfo-iodio. ne di produzione degli acidi (reazione
debolmente endotermica con tempe-
Il ciclo zolfo-iodio rature variabili in funzione dei cataliz-
zatori e delle condizioni operative).
Il processo zolfo–iodio, tra tutti quelli
finora considerati, si trova ad uno sta- La concentrazione dell’acido solforico
dio di sviluppo più avanzato. Sono e le successive operazioni fino ad ar-
stati già realizzati nel mondo alcuni rivare ai prodotti della sua dissociazio-
impianti sperimentali che hanno dimo- ne, rappresentano le fasi in cui è ri-
strato la fattibilità della pro d u z i o n e chiesta la maggior parte del calore di
continua di idrogeno. Il processo si processo ad alta temperatura.
basa sulle seguenti reazioni (fig.14):
Le attività di ricerca e sviluppo dell’E-
• 2H2O + SO2 + I2 ! H2SO4 + 2HI (~100 °C NEA su questo processo si sono at-
tualmente focalizzate sulle fasi di con-
• H2SO4 ! H2O + SO2 + 0,5O2 (850 °C) centrazione e dissociazione dell’acido
solforico.
• 2HI ! H2 + I2 (200÷700 °C)
L’obiettivo delle attività sperimentali e
Inizialmente il processo zolfo-iodio fu teoriche consiste nella definizione e
proposto per essere alimentato dal valutazione della parte del processo e
Fig. 14 - Schema calore prodotto da un reattore nuclea- del relativo impianto chimico che rea-
concettuale del processo re a gas; in seguito è stata sviluppata lizza l’interfaccia con un impianto so-
di produzione di idrogeno una versione solare. Il ciclo zolfo-iodio lare a concentrazione, per fornire ca-
col ciclo zolfo-iodio si basa su tre reazioni fondamentali: lore ad alta temperatura.
Un altro aspetto su cui verte l’attività
ENEA, di notevole importanza per una
versione solare del processo, riguarda
la possibilità di stoccaggio dell’anidri-
de solforosa prodotta nella dissocia-
zione dell’acido solforico.
Un tale accumulo infatti consentirebbe
di svincolare il resto del processo –
produzione acidi e fase iodidrica –
dalle intermittenze della fonte solare,
riducendo il dimensionamento di una
parte considerevole dell’intero impian-
to chimico, la cui gestione potrebbe
d i v e n i re praticamente continua per
più di due terzi, alla stregua di un im-
pianto chimico tradizionale.Conclusioni
Largamente ispirato ai sistemi a collet-
tori parabolici lineari che operano con
successo in California da circa venti
anni, il progetto ENEA, grazie ai signi-
ficativi miglioramenti tecnologici intro-
dotti, consente la produzione di ener-
Le tecnologie attualmente utilizzate gia a costi inferiori, più alte efficienze
per produrre energia con le fonti rin- di conversione del calore solare in
novabili (solare, eolico, biomasse) non energia elettrica e la generazione di
ne consentono uno sfruttamento otti- energia 24 ore su 24 basata esclusi-
male essendo ancora caratterizzate vamente sulla fonte solare.
da elevati costi e insufficiente conti-
nuità della produzione. A differenza dei sistemi a collettori pa-
rabolici lineari americani in cui il fluido
Tali fonti continueranno, pertanto, a ri- termovettore è un olio minerale infiam-
coprire nei prossimi decenni un ruolo mabile, tossico e non utilizzabile a
secondario nella copertura della do- t e m p e r a t u re elevate, nell’impianto
manda di energia primaria nel mondo progettato dall’ENEA è utilizzata una
(secondo l’IEA passeranno dall’attuale miscela di sali fusi (largamente usati
2% ad un massimo del 3% nel 2030). come fertilizzanti, economici e dispo-
nibili in grandissime quantità), che
La produzione di energia elettrica (per consente di raggiungere temperature
la quale l’IEA prevede, tra il 2000 ed il molto più elevate (fino a 550 °C) e l’in-
2030, un raddoppio) sarà effettuata troduzione di un sistema di accumulo
prevalentemente con fonti fossili (pri- grazie al quale l’impianto è in grado di
ma fra tutte il carbone), con un aggra- produrre energia elettrica con conti-
vio ulteriore dei problemi legati all’au- nuità anche in assenza di radiazione
mento delle emissioni di gas serra e solare diretta.
dei fenomeni legati ai cambiamenti cli-
matici e l’amplificarsi del divario tra La nuova tecnologia messa a punto
Paesi sviluppati e in via di sviluppo a dall’ENEA, per la quale l’Ente ha otte-
causa dell’aumento del prezzo dei nuto un importante riconoscimento da
combustibili fossili conseguente al- parte dell’AIE nell’ambito del Rappor-
l’aumento della domanda. to 2003 sulla politica energetica italia-
na, è in grado di ridurre, nei Paesi a
Questo scenario potrà essere modifi- forte insolazione, i consumi delle risor-
cato radicalmente solo attraverso un se fossili e la necessità di importazio-
vigoroso impulso allo sviluppo di tec- ni energetiche, diffondendo l’uso di
nologie innovative che consentano un una straordinaria risorsa naturale, ben
migliore utilizzo delle fonti rinnovabili. distribuita nel mondo e largamente
accessibile. Essa potrà contribuire in
È proprio questo l’obiettivo del pro- maniera determinante alla diversifica-
gramma di ricerca e sviluppo sul sola- zione delle fonti energetiche e alla ri-
re termo-dinamico, avviato dall’ENEA duzione delle emissioni inquinanti,
nel 2001 con il sostegno di finanzia- creare nuove opportunità di lavoro e
menti pubblici, che prevede la realiz- dare un impulso all’economia, ridu-
zazione di impianti fortemente innova- cendo al tempo stesso i rischi di con-
tivi in grado di convertire in modo effi- flitto correlati alle forniture energetiche
ciente l’energia solare in calore ad al- e ai cambiamenti climatici.
ta temperatura.
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