Realizzare il prototipo di un impianto solare a concentrazione su piccola scala
Il solare a concentrazione (CSP, Concentrated Solar Power) utilizza specchi o lenti per concentrare la luce solare su un ricevitore, prima di trasformarla in calore per alimentare motori che producono elettricità. Gli impianti CSP su piccola scala, che generano decine o centinaia di kilowatt di elettricità, potrebbero risultare ideali per abitazioni, piccole imprese in regioni remote o persino per i paesi in via di sviluppo. Tuttavia, a differenza delle soluzioni fotovoltaiche, la tecnologia CSP ha difficoltà a decollare a causa di problemi tecnici ed elevati costi di investimento. Il progetto POLYPHEM, finanziato dall’UE, ha creato prototipi per la gran parte dei componenti necessari a un piccolo impianto solare, di cui alcuni sono pronti per lo sviluppo commerciale. Sono stati inoltre sviluppati strumenti di modellizzazione numerica per l’ottimizzazione del modello dell’impianto e della valutazione delle prestazioni. «Siamo molto orgogliosi che la nostra prova di concetto sia in grado di produrre elettricità in modo flessibile soltanto in modalità solare, nonché in presenza di condizioni fluttuanti di domanda e offerta», afferma Alain Ferriere, coordinatore del progetto POLYPHEM.
Ciclo termodinamico ibrido
POLYPHEM funziona tramite un ciclo termodinamico combinato. Nel ciclo superiore, un ricevitore solare pressurizzato ad alta temperatura in cima a una torre cattura la radiazione solare concentrata su specchi, che va ad alimentare una turbina a gas per la produzione di elettricità. Il calore di scarico è recuperato dall’olio termico e stoccato all’interno di un serbatoio in calcestruzzo. L’olio caldo in alto abbassa il termoclino, uno strato intermedio che separa il liquido caldo da quello freddo. Il ciclo inferiore utilizza a sua volta la macchina per ciclo Rankine a fluido organico per generare elettricità. Qui, il calore scaricato dal serbatoio di accumulo inverte il flusso dell’olio, riportando in alto il termoclino. «Un unico serbatoio di accumulo a termoclino, provvisto dell’energia termica calda e fredda, si dimostra molto più economico rispetto a un sistema tradizionale a due serbatoi. Inoltre, la soluzione a due cicli fa sì che l’impianto continui a generare elettricità in periodi poco soleggiati, aumentando la sua capacità», aggiunge Ferriere del CNRS, l’istituto che ospita il progetto.
Prototipazione e collaudo
Il gruppo ha sviluppato la gran parte dei componenti necessari per un impianto, comprese una turbina a gas da 60 kilowatt e una macchina per ciclo Rankine a fluido organico da 23 kilowatt. Il gruppo di accumulo dell’energia termica realizzato, della capacità di 2 500 kilowattora, era costituito da un serbatoio composto da 22,8 tonnellate di mattoni in calcestruzzo e 7 600 chilogrammi di olio termico sintetico a una temperatura compresa tra 110 e 330 gradi centigradi. Il modello del ricevitore solare era basato su materiali metallici già sperimentati dal CNRS e dal centro CEA. L’insieme dei componenti, a eccezione del ricevitore solare e della turbina a gas, è stato spedito in Francia e installato presso l’azienda bit.ly/3XvlyW5 (Themis). La turbina a gas microscopica e il generatore sono stati oggetto di collaudo per sei mesi, superando le 40 ore di funzionamento e raggiungendo una temperatura in entrata alla turbina di 700 gradi centigradi e una velocità pari a 52 000 giri al minuto. Il collaudo del letto di riempimento dell’accumulo termico, durato cinque mesi e arrivato a 59 cicli, è avvenuto con successo all’interno di un serbatoio a termoclino con olio termico. Il materiale in calcestruzzo, il modello dei mattoni e i modelli del letto di riempimento sono stati tutti convalidati, così come il comportamento del termoclino in ogni modalità operativa. «Per motivi tecnici, abbiamo dovuto fare a meno del ricevitore solare; quindi, non siamo riusciti a completare l’intero programma di verifica dell’impianto», spiega Ferriere. «Tuttavia, gli altri componenti sono pronti per lo sviluppo commerciale, come lo scambiatore di calore da gas a liquido, disponibile per l’installazione in versione compatta.»
Approdare sul mercato
POLYPHEM può fornire elettricità, calore, acqua pulita, e così via ai luoghi soleggiati dotati di approvvigionamento energetico decentralizzato. Infatti, il funzionamento di un impianto commerciale targato POLYPHEM è stato simulato per paesi come Cile e Namibia. «Il costo di produzione dell’energia di POLYPHEM risulta più basso del 35-45 % rispetto agli impianti a diesel della concorrenza. Ciononostante, per competere con la generazione di elettricità degli impianti fotovoltaici, che costa addirittura un terzo, occorrerà ridurre ulteriormente il costo di investimento nella tecnologia CSP», conclude Ferriere. Il gruppo intende ora costruire e mettere in funzione un impianto prototipo completo, comprensivo di campo e torre solari a grandezza reale.
Parole chiave
POLYPHEM, elettricità, turbina, generatore, termoclino, olio, solare, termodinamico, fotovoltaico
