In ingegneria energetica un impianto solare termodinamico, anche noto come centrale solare a concentrazione, oppure centrale solare termoelettrica, è un tipo di centrale elettrica che sfrutta, come fonte energetica primaria, la radiazione solare, accumulandola sotto forma di calore per mezzo di tecniche di concentrazione solare, per convertirla, tramite una turbina a vapore, ottenendo una produzione di energia elettrica.
Deve il suo nome al fatto che, alla fase di captazione dell'energia solare incidente, già presente nei comuni impianti solari termici, aggiunge un ciclo termodinamico (tipicamente un Ciclo Rankine, ma si considerano anche implementazioni future basate sul Ciclo Brayton) per la trasformazione dell'energia termica raccolta, in energia elettrica, tramite un gruppo turbina a vapore più alternatore, come avviene nelle comuni centrali termoelettriche.
Caratteristiche A differenza dei comuni pannelli solari termici per la generazione di acqua calda a fini domestici (con temperature inferiori a 95 °C), questa tipologia di impianto genera medie ed alte temperature (600 °C e oltre) permettendone l'uso in applicazioni industriali come la generazione di elettricità e/o come calore per processi industriali (cogenerazione).
La grande rivoluzione rispetto all'altra tecnologia solare di generazione elettrica (fotovoltaico) è però la possibilità di produzione di elettricità anche in periodi di assenza della fonte energetica primaria durante la notte o con cielo coperto da nuvolosità grazie alla possibilità di accumulo del calore in appositi serbatoi, ponendo almeno parziale rimedio ai limiti fisici di continuità/intermittenza imposti da tale tipo di fonte energetica.
Si tratta dunque di una tecnologia energetica alternativa e rinnovabile rispetto a quelle tradizionali basate su combustibili fossili e nucleari, il cui principio di funzionamento ha lontane origini storiche essendo fatta risalire a più di 2 millenni fa dall'idea di Archimede sugli specchi ustori.
Tipi di impianto e funzionamento Gli impianti solari a concentrazione si dividono in quattro tipi: a collettori parabolici lineari, a collettori lineari a riflettore Fresnel, a torre di energia solare ed a riflettore parabolico circolare.
Impianto a collettori parabolici lineari Questo tipo di impianto è formato da specchi parabolici (detti anche specchi a trogolo) - che ruotano su un solo asse - che riflettono e concentrano la luce diretta del sole su un tubo ricevitore posto nel fuoco del paraboloide.
Dentro il tubo scorre un fluido (detto fluido termovettore perché adatto ad immagazzinare e trasportare calore), che assorbe l'energia e la trasporta ad uno scambiatore di calore, per la produzione di vapore, e/o ad un serbatoio di accumulo, necessario se si vuole supplire ai momenti di scarsa o nulla insolazione (come la sera).
L'accumulo, se presente, può restituire il suo calore allo scambiatore di calore, che genera vapore tramite scambio termico; questo viene utilizzato per muovere uno o più turbine in cascata, collegate a loro volta a degli alternatori (il complesso turbina-alternatore è detto anche turboalternatore) per produrre così corrente elettrica.
Il fluido termovettore può essere olio diatermico (centrali di 1ª generazione) oppure, secondo gli sviluppi di questi ultimi anni, una miscela di sali che fondono alle temperature di esercizio della centrale e per questo detti sali fusi (centrali di 2ª generazione). L'olio diatermico ha lo svantaggio di dissociarsi a temperature superiori a 400 °C, che quindi rappresenta la temperatura limite per gli impianti con tale fluido termovettore.
La temperatura più alta raggiunta dai sali fusi (fino ed oltre ai 550 °C) rispetto all'olio diatermico consente una migliore resa energetica in base al rapporto delle temperature tra serbatoio caldo ed il serbatoio freddo di cui al Ciclo di Carnot. La maggiore temperatura permette anche la possibilità di un agevole accoppiamento con centrali a ciclo combinato. La Centrale Termoelettrica a Ciclo Combinato Archimede di Priolo Gargallo da 750 MWe è un esempio del genere.
Con l'utilizzo di miscele a sali fusi è possibile inoltre migliorare la capacità di accumulo termico dell'impianto, prolungandone la produttività anche fino a molte ore senza esposizione al sole. La Centrale Gemasolar è un esempio di implementazione che ottiene tra le maggiori autonomie di quelle esistenti, con fino a 15 ore di funzionamento a piena potenza nominale, senza radiazione solare.
Una volta "catturata" l'energia del Sole (sorgente) il processo di produzione ovvero conversione in energia elettrica è quindi del tutto analogo a quanto avviene in una comune centrale termoelettrica, ma senza emissioni di fumi.
In generale si possono definire un'efficienza di captazione del calore da parte degli specchi rispetto all'energia solare totale incidente (1ª conversione), un'efficienza nel trasporto del calore nel tubo centrale, un'efficienza nell'accumulo di calore nel serbatoio di accumulo, un'efficienza di conversione del calore accumulato in energia elettrica (2ª conversione) (sempre minori dell'unità per via di inevitabili perdite) e un'efficienza totale del totale rispetto alla fonte primaria di energia che si ottiene come prodotto delle varie efficienze precedenti.
Gli specchi concentratori sono completamente automatizzati in modo da inseguire costantemente il Sole nel suo moto apparente in cielo (sono detti per questo eliostati), massimizzando così la resa di captazione solare durante l'intero arco della giornata. In caso di forte vento è previsto l'abbassamento verso terra degli specchi in modo da evitare rotture, posizione utilizzata anche per pulire gli specchi.
Impianto a specchi lineari a riflettore Fresnel I riflettori Fresnel applicano l'idea della lente di Fresnel, un tipo di lente inventata dal fisico Augustin-Jean Fresnel nel 1827. Consistono in svariate strisce strette parallele di specchi piani inclinati opportunamente per concentrare la radiazione solare su tubi posti opportunamente in alto, sopra e parallelamente alle file di specchi piani. All'interno dei tubi abbiamo un fluido termovettore che opera poi come descritto nel tipo di impianto a specchi lineari parabolici. Il vantaggio di questo approccio è che permette una maggiore superficie riflettente a parità di area occupata ed inoltre gli specchi piani sono più economici dei riflettori lineari parabolici. Lo svantaggio è una minore efficienza ottica.
Impianto a torre di energia solare Esistono anche centrali solari con un sistema di specchi riflettenti indipendenti che inseguono il sole e concentrano i suoi raggi su un ricevitore fisso posto alla sommità di una struttura a torre posta solitamente al centro dell'impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale di energia solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.
Impianto a riflettore parabolico circolare
In questo tipo di riflettore, la radiazione solare viene riflessa su un fuoco centrale di tipo puntuale. L'inseguimento solare avviene con il movimento su due assi. In genere nel fuoco troviamo il lato caldo di un motore Stirling, ma è stato anche costruito un prototipo che utilizzava l'energia solare per dissociare l'ammoniaca recuperando il calore in fase di ricombinazione dei composti in un apposito generatore di vapore, possibilmente raccogliendo il flusso dei composti dissociati anche da più riflettori parabolici, che poi alimentava un convenzionale ciclo termodinamico. Con questo sistema si raggiungono i massimi fattori di concentrazione, e quindi di temperature.
Vantaggi e svantaggi Nel 2008, il fisico italiano Carlo Rubbia ha stimato che un ipotetico quadrato di specchi di 40 000 km² (200 km per ogni lato) basterebbe per sostituire tutta l'energia derivata dal petrolio prodotta oggi nel mondo, mentre per alimentare un terzo dell'Italia bastava un'area che producesse la potenza di 15 centrali nucleari; vasta, in pratica, quanto l'area circoscritta dal Grande Raccordo Anulare.
Il vantaggio riscontrabile nell'immediato rispetto ad un tradizionale impianto fotovoltaico consiste in una produzione di energia più uniforme nel tempo causa lo sfruttamento indiretto dell'energia solare 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 (circa 550 °C).
Per far fronte ai periodi di scarso soleggiamento, specialmente nel periodo invernale e per impianti di grossa potenza, si è pensato di abbinare a questo tipo di impianti solari, dei sistemi di combustione tradizionali con cui poter mantenere la temperatura dei sali fusi oppure, come ad esempio nel caso del progetto Archimede, integrando l'impianto solare termodinamico con un impianto termoelettrico a ciclo combinato alimentato a metano. Un problema paventato per questo tipo di impianti e più in generale i sistemi energetici che sfruttano l'energia solare, sono le notevoli superfici libere da occupare in rapporto alla produzione elettrica. Ad esempio un impianto da circa 40 MW nominali di potenza elettrica in una zona con un DNI (Direct Normal Irradiance) attorno a 1800 kWh/m² anno (Sicilia), occupa circa 120 ettari di superficie. Ma questa caratteristica di essere una fonte diluita, è ancora più seria nel caso dell'idroelettrico; per citare un esempio, la costruzione dell'Impianto Idroelettrico di Glorenza eroga 105 MWe utilizzando le acque provenienti dalla diga di sbarramento che hanno creato il lago artificiale di Resia, impegnando 6,6 km2 di fertili terreni, ovvero 660 ettari. E l'opera non è stata fermata neanche dalla necessità di dovere allagare un intero centro abitato, di cui oggi sporge solo il campanile.
Ma la questione sulle superfici diventa oziosa se si considera l'ampia disponibilità in Italia, che per esempio, i fautori dei biocarburanti, stimano in 1-2 milioni di ettari di terreni incolti o marginali. Questa disponibilità di spazi è mantenuta anche ove è preferibile la costruzione di impianti solari, ovvero nel Sud Italia, che dispone di molte zone utilizzabili, come testimoniano i progetti già avviati. Seguendo questa linea si è ipotizzato anche la costruzione di vaste centrali solari-termodinamiche nelle aree desertiche del Nord Africa, in seguito ad accordi internazionali con Libia e Marocco (Progetto Desertec), laddove la disponibilità di spazio e condizioni climatiche relative all'insolazione media annua del tutto ottimali creerebbero situazioni particolarmente favorevoli alla produzione su vasta scala di energia elettrica: sembra che tale soluzione, unita alla realizzazione di reti di distribuzione elettrica a "corrente continua" e bassa perdita, possa arrivare a soddisfare anche l'intero fabbisogno energetico europeo.
Un altro svantaggio è che un siffatto sistema di produzione di energia, se fortemente centralizzato, risulterebbe facilmente soggetto ad attacchi di tipo vandalistico, in quanto, vista la superficie occupata, non potrebbe essere sorvegliato come accade con impianti di altro tipo. Tuttavia è bene notare che l'attuale approvvigionamento energetico si basa su un sistema di poche, grandi centrali, e quindi soggette allo stesso tipo di rischi di sabotaggio. Anzi, una centrale di questo tipo, proprio grazie alla sua struttura, sarebbe molto più veloce e più economica da riparare rispetto ad una comune centrale a turbogas.
Nonostante queste limitazioni si ritiene tuttavia che tali sistemi rappresentino comunque una svolta o un miglioramento sensibile all'interno del panorama di produzione energetico da fonte solare, la fonte primaria di energia sulla Terra.
Diffusione Nel mondo