L'occasione per tornare a parlare di energia solare era di quelle imperdibili. Lo scorso giugno a Priolo Gargallo, vicino a Siracusa, è stato infatti inaugurato il nuovo impianto solare Enel, denominato Archimede. Quella di Priolo è divenuta, così, la prima centrale al mondo a usare i sali fusi come fluido termovettore e la prima a integrare un ciclo combinato a gas e un impianto solare termodinamico per la produzione di energia elettrica.
L'evento ha il sapore delle grandi imprese. Si tratta, infatti, della prima realizzazione su scala industriale, per quanto ancora ridotta e sperimentale, di un modello di centrale elettrica deltutto innovativo, per il quale da anni lavora congiuntamente un gruppo di ricercatori Enea, in piena sinergia con una serie di aziende specializzate nello sviluppo di componenti ad altissimo tasso tecnologico e, ovviamente, con Enel.
Lo sforzo compiuto in questi ultimi anni da Enel per promuovere la ricerca e lo sviluppo delle fonti di energia rinnovabile trova riscontro nelle iniziative intraprese dal Governo per raggiungere i parametri richiesti dai protocolli comunitari in fatto di produzione di energia pulita. Ma non solo. Ciò che è in ballo è la fondamentale corsa per accaparrarsi, da parte del nostro Paese, un 'posto al sole' (mai espressione fu più pertinente!) nel colossale progetto Desertec.
Quando a luglio del 2009 a Monaco di Baviera la Desertec Foundation illustrò per la prima volta l'idea di costruire decine di grandi centrali a energia solare termodinamica nel deserto del Sahara per produrre elettricità da portare in Europa, qualcuno pensò di trovarsi di fronte a dei folli visionari. Oggi ai coraggiosi membri fondatori del consorzio (tra i quali la Deutsche Bank e Siemens) si sono aggiunti altri colossi della finanza e dell'imprenditoria internazionale e, tra questi, la nostra Enel Greenpower. L'obiettivo è produrre con il sole e il vento d'Africa energia capace di alimentare la crescita delle nazioni dell'area e, soprattutto, di coprire il 15% del fabbisogno energetico europeo entro il 2050. Spesa stimata: 400 miliardi di euro.
Per i governi del Maghreb si prospetta la ghiotta e inattesa opportunità di trasformare una risorsa naturale data per scontata in una fonte di inestimabile ricchezza: il sole diventa il nuovo petrolio.
All'Europa, a cui l'esperienza dovrebbe aver insegnato quanto possa essere pericoloso dipendere per l'approvvigionamento energetico dai Paesi più poveri, non rimane che accaparrarsi il controllo degli impianti di produzione. La sfida dunque è oggi quella di sviluppare per primi la tecnologia più efficiente e maturare un know-how che si imponga.
In questo ambito l'Italia gioca le proprie carte puntando su risorse tecniche d'avanguardia e su una filiera che, a discapito di omogeneità e volumi, presenta punte di eccellenza tecnologica competitive a livello internazionale.
È stato mettendo insieme queste risorse che Enel ha condotto a buon fine il progetto Archimede.
Gioco di specchi
Lo storico bizantino Zonaras narra, che, durante l'assedio di Siracusa nel 213 a.C., Archimede distrusse la flotta romana del generale Marcello con l'ausilio di uno specchio concavo formato da centinaia di scudi metallici che riflettevano i raggi del sole, concentrando l'energia solare sulle navi nemiche e incendiandole. Gli studiosi mettono oggi in dubbio che i famosi specchi su cui Archimede condusse delle ricerche, potessero avere la capacità reale di provocare l'autocombustione del solido legno di una nave, ma l'intuizione rimasta impressa nell'immaginario collettivo fu in seguito rielaborata e, oggi, battezzare con il nome di Archimede uno dei primi progetti applicativi degli specchi ustori, trovandoci per di più a pochi chilometri da Siracusa, è parso un tributo dovuto al grande scienziato greco. Ma la grande novità dell'impianto non consiste tanto nell'uso degli specchi parabolici, quanto nell'adozione come fluido termovettore dei sali fusi, come ci ha illustrato l'ingegner Daniele Consoli, ricercatore Enel, nel corso della nostra visita a Priolo.
“Quello che stiamo facendo qui è un prototipo dimostrativo su scala industriale di un impianto basato sui nuovi collettori brevettati da Enea”, ci ha spiegato Consoli.
Il solare termodinamico è una tecnologia che utilizza una serie di specchi parabolici per concentrare i raggi del sole su tubazioni poste lungo la linea focale delle stesse parabole, percorse da un fluido. Questo, raccolto in appositi serbatoi, può essere utilizzato per alimentare un generatore di vapore. Il vapore ad alta temperatura e pressione muove le turbine dell'adiacente centrale a ciclo combinato e produce energia elettrica quando serve, risparmiando combustibile fossile.
“L'innovazione consiste nell'aver sostituito il fluido convenzionalmente impiegato, un olio diatermico, tossico e altamente infiammabile, con una miscela di nitrati di sodio e potassio normalmente utilizzati come fertilizzanti, quindi completamente biodegradabili. I sali, inoltre, raggiungono temperature operative massime sensibilmente superiori a quelle consentite dall'olio diatermico (550 vs 400) e quindi permettono di raggiungere efficienze di conversione elettrica maggiori. L'impianto solare di Priolo è in grado di generare una potenza elettrica pari a circa 5 MW e di produrre 9 GWh all'anno di energia elettrica garantendo quindi un risparmio di 2.100 t equivalenti di petrolio all'anno, riducendo le emissioni di anidride carbonica per circa 3.250 t”.
I vantaggi per quanto riguarda le prestazioni e l'ecocompatibilità del sistema sono chiari, ma a livello di costi?
Per quanto il sale abbia costi inferiori rispetto all'olio diatermico, non si può fare un confronto di prezzo tra le materie prime.
Il risparmio è dovuto piuttosto al fatto che convertire l'energia termica in energia elettrica quando il fluido termovettore è il sale implica una maggior efficienza.
Poi c'è la questione dell'accumulo. Precise normative di sicurezza impediscono che si accumulino grosse quantità di olio diatermico, che è altamente infiammabile, quindi negli impianti che ne fanno uso è necessario inserire un ulteriore passaggio (scambiatore olio sali) per caricare e scaricare il sistema di accumulo con conseguenti ulteriori dispersioni termiche.
Il progetto Archimede ha messo alla prova anche il livello di maturazione della filiera italiana che ha prodotto i componenti principali del sistema, lavorando su specifiche elaborate dai ricercatori Enea. Quali aziende sono state coinvolte? E quali sono state le novità introdotte?
Ronda ha realizzato la struttura portante. Allo scopo di migliorare la stabilità meccanica del collettore è stato sviluppato un nuovo sostegno degli specchi parabolici basato su un sistema di centine e correnti. Le superfici riflettenti sono realizzate con un vetro sottile supportato da un pannello in materiale composito. Il tubo ricevitore è stato invece realizzato da Archimede Solar Energy del Gruppo Angelantoni. Sul tubo, ridisegnato per ospitare i sali fusi, è stato applicato un nuovo materiale di rivestimento per migliorare l'assorbimento radioattivo e ridurre le perdite di calore.
Targato Siemens, invece, il sistema di controllo della movimentazione degli specchi e tutto il sistema gestionale della centrale. Quali sono gli aspetti più interessanti?
Il Dcs, fornito da Siemens, è Simatic IT ed è composto da tre plc (Open Pmc) ridondanti. Le schede di acquisizione I/O del campo sono singole, ma fanno capo a due schede Profibus, una per ogni controllore. Per quanto riguarda il sistema di movimentazione dei collettori, gli specchi sono movimentati da una centralina oleodinamica con a bordo un controllore fornito da Duplomatic e sono attivati da due pistoni a olio. Ogni collettore ha un proprio sistema di movimentazione oleodinamico, che gestisce autonomamente il funzionamento nei vari stati operativi (posizionamento in sicurezza, inseguimento a bassa e ad alta velocità del vento, stand-by, ecc.) e, secondo le indicazioni che provengono dal supervisore di impianto collegato in Profibus (velocità di trasmissione 500 kbit/s), riceve il comando di stato e il valore di angolo da assumere (precisione 8 mrad). L'angolo è calcolato a livello centrale tramite algoritmo astronomico. Ogni collettore ha un proprio encoder assoluto.
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Ai confini della ricerca
La sfida lanciata dal mercato dell'energia solare ha stimolato l'ingegno creativo di parecchi, sia in ambito accademico sia scientifico. La scorsa primavera a Verona, nel corso dell'undicesima edizione del Solar Expo, si è tenuto R4R, un evento che ha dato visibilità al lavoro dell'omonima community, la prima in Italia, interamente dedicata alle fonti rinnovabili. Tra i 20 spin off universitari e startup che agiscono in tutti i comparti delle energie rinnovabili e delle tecnologie energetiche di ultima generazione, abbiamo trovato diverse proposte interessanti. Idee che forse un giorno determineranno una svolta nel campo dell'automazione dei processi produttivi di energia, incidendo sul corso della storia.
Una di queste è il sistema meccatronico per l'inseguimento solare sviluppato da Biasol, che massimizza il rendimento di un impianto fotovoltaico garantendo maggiori quantitativi di energia elettrica in uscita (+30-35% rispetto alla tradizionale tecnologia fissa) con una conseguente riduzione del Pay Back Time dell'investimento.
La tecnologia applicata si basa su un automatismo biassiale che permette di inseguire il sole secondo i due assi (longitudinale e latitudinale) evitando gli ombreggiamenti e mantenendo massimo l'angolo di incidenza dei raggi solari durante le diverse stagioni e ore del giorno.
I componenti elettronici guidano e aggiornano il sistema di puntamento motorizzato attraverso un algoritmo, implementato e crittografato da Biasol su schede di controllo (sistema Master - Multislave). I componenti meccanici eseguono i movimenti attraverso attuatori elettromeccanici lineari che operano direttamente sul telaio dell'impianto. BiaSol ha sviluppato un software di simulazione che permette di calcolare in modo ottimale l'interasse tra i pannelli e la distanza di separazione tra le stringhe e di ottenere una stima realistica sull'energia producibile dall'impianto. La scheda Master può essere posizionata a distanza dall'impianto (fino a 1 km), in modo da facilitare le operazioni di controllo remoto. Un unico cavo a due poli connette la scheda Master con le schede Slave percorrendo l'intero impianto. Si ha così la possibilità di collegare all'impianto sistemi Gsm di allarme e grazie al collegamento Master-Inverter tramite protocollo Modbus, di comunicare in remoto con la pagina web del cliente e segnalare tempestivamente eventuali guasti. BiaSol sta lavorando per implementare il sistema anche su impianti solari a concentrazione.
Dall'iniziativa di docenti e ricercatori dell'Università Politecnica delle Marche, nasce, invece S.Tra.TE.G.I.E., che ha messo a punto un sistema costituito da un dispositivo modulare composto da elementi capaci di inseguire il percorso solare con un meccanismo di movimento su due assi, utilizzando, però, un set di motori passo-passo, controllati in maniera sequenziale da un unico plc. Ogni motore deve essere guidato in maniera indipendente. Un complesso algoritmo, implementato sul plc, calcola la posizione che lo specchio deve assumere per concentrare adeguatamente la luce solare sul fuoco.
La posizione così ottenuta è convertita in numero di passi che ogni singolo motore deve realizzare. Il controllo dei motori è ottenuto per mezzo di due schede separate: una contiene i driver per il controllo dei motori e la seconda è una scheda d'interfaccia fra i driver e il plc. In base a un indirizzo associato a ciascuno dei 180 motori che movimentano il sistema, la scheda è in grado di inviare il segnale al driver corrispondente e, quindi, al motore che deve essere azionato.
Un'altra caratteristica importante del sistema è la velocità di calcolo e di attuazione del comando; in particolare, l'utilizzo di motoriduttori con rapporti di riduzione di 1200:1 e oltre permette di raggiungere elevate risoluzioni di puntamento, ma per compiere un dato angolo di movimento il numero di step da eseguire risulta essere maggiore all'aumentare del rapporto di riduzione. Per questa ragione diventa fondamentale anche una velocità di attuazione sufficientemente elevata. Infatti, il movimento relativo del sole nel cielo richiede un aggiornamento della posizione degli specchi piuttosto frequente affinché i raggi riflessi si mantengano nel fuoco senza allontanarsi troppo dal target. Il sistema di movimentazione dell'impianto prototipo include motoriduttori con rapporto di riduzione 1500:1 e la movimentazione di tutti i 180 motori è realizzata, nelle condizioni più gravose, in meno di 30 s. Per ottenere questo risultato, è stato necessario fare uso di una catena di controlli in grado di agire sui motori passo-passo a una frequenza minima di 200 Hz.
