Energia solare concentrata (CSP)

L'energia solare concentrata (CSP) è un approccio alla generazione di elettricità in cui gli specchi vengono utilizzati per riflettere, concentrare e focalizzare la luce solare su un punto specifico. La luce concentrata viene convertita in calore, che a sua volta viene utilizzato per creare vapore. Il vapore viene quindi utilizzato per azionare una turbina che genera energia elettrica.

La tecnologia CSP viene utilizzata per immagazzinare l'energia solare in modo che possa essere utilizzata nelle giornate nuvolose e nelle ore successive al tramonto o prima dell'alba. Al momento della stesura di questo documento, CSP è ancora un approccio emergente alla generazione di elettricità ed è più comunemente utilizzato nei progetti su scala di utilità.

L'energia solare concentrata e la capacità della tecnologia CSP di immagazzinare energia termica hanno reso l'opzione dell'energia rinnovabile particolarmente popolare nella regione della cintura solare degli Stati Uniti. La regione della cintura del sole copre gli stati nelle parti meridionali e sud-occidentali del paese, dalla California alla Florida; questo include: Georgia, South Carolina, Alabama, Mississippi, Louisiana, New Mexico, Arizona, Nevada e Texas.

Gli Stati Uniti gestiscono in modo affidabile gli impianti CSP da oltre 15 anni. Ad esempio, la centrale elettrica di Crescent Dunes nel deserto del Mojave, che si estende attraverso la California sud-orientale e il Nevada meridionale, è stata sviluppata con i finanziamenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) negli anni '1990. La centrale utilizza il sale fuso come fluido termovettore e mezzo di stoccaggio, beneficiando in tal modo di una maggiore efficienza ed economicità.

Requisiti chiave per l'energia solare concentrata

Diversi fattori sono essenziali per il successo dell'implementazione di un sistema di energia solare concentrato. I requisiti chiave includono:

Finanziamento adeguato - Le tecnologie e i sistemi CSP sono costosi. Ricevere un finanziamento di progetto adeguato può essere difficile, ma necessario.
Fonti d'acqua disponibili - I sistemi CSP necessitano dell'accesso a una fonte d'acqua per il raffreddamento e per il lavaggio della raccolta e delle superfici a specchio. Gli impianti CSP hanno la capacità di impiegare tecniche di raffreddamento a umido, a secco o ibride al fine di ottimizzare l'efficienza nella generazione di elettricità e nella conservazione dell'acqua.
Luoghi con un'elevata radiazione solare - Una concentrazione ottimale dell'energia solare richiede che la luce sia intensa e non troppo diffusa. La messa a fuoco della luce solare può essere misurata dall'intensità normale diretta (DNI) dell'energia solare. Il DNI del sole è più forte nella regione della Sun Belt rispetto a qualsiasi altra area degli Stati Uniti, rendendo così il potenziale di produzione con CSP più forte qui che in qualsiasi altra parte del paese.
Appezzamenti di terreno adiacenti con copertura nuvolosa minima - Mentre la quantità esatta di terreno richiesta da un impianto CSP varierà in base alle tecnologie utilizzate, gli impianti CSP richiedono tipicamente da cinque a dieci acri di terreno per megawatt (MW) di capacità.
Accesso alla trasmissione accessibile e vicino - Il terreno utilizzato per CSP deve essere idoneo alla produzione di energia elettrica oltre a consentire l'accesso a una rete di trasmissione sempre più stressata e antiquata. Le linee di trasmissione ad alta tensione sono anche un requisito fondamentale per i progetti su larga scala per trasferire l'elettricità dal sistema CSP all'utente finale.

Tipi di sistemi di energia solare concentrata

I quattro tipi principali di sistemi CSP sono:

Sistemi parabolici
Sistemi di canali parabolici
Sistemi di riflettori Fresnel lineari compatti
Sistemi di torri di potenza

Sistemi parabolici impiegano antenne specchiate a forma di U - o paraboliche - che sono circa dieci volte le dimensioni di una parabola satellitare residenziale per focalizzare la luce solare sul ricevitore che è montato nel punto focale della parabola. Questo ricevitore è integrato in un motore a combustione esterna ad alta efficienza che utilizza tubi contenenti idrogeno o gas elio che corrono lungo l'esterno del motore e si aprono nei quattro cilindri dei pistoni.

Quando la luce solare concentrata viene raccolta dal ricevitore, riscalda il gas nei tubi a temperature estreme, provocando l'espansione del gas caldo all'interno dei cilindri. Questo gas in espansione aziona i pistoni che fanno girare un albero motore che, a sua volta, alimenta il generatore che produce elettricità.

In un sistema di parabola parabolica, il ricevitore, il motore e il generatore formano un unico gruppo combinato che è posto nel punto focale della parabola specchiata. Per catturare la quantità massima di energia solare, il sistema di parabola segue il percorso del sole attraverso il cielo, in modo simile a un array di tracciamento.

Sistemi di canali parabolici incorporare specchi a forma di U che hanno tubi pieni d'olio che corrono lungo il punto focale. Gli specchi sono puntati verso il sole e concentrano la luce solare sui tubi per riscaldare l'olio all'interno; le temperature possono raggiungere i 750 ° F. L'olio riscaldato viene quindi utilizzato per far bollire l'acqua e produrre il vapore utilizzato per azionare turbine e generatori.

Sistemi di riflettori Fresnel lineari compatti utilizzare lunghe file parallele di specchi piatti che costano meno degli specchi curvi nel sistema di canali parabolici. Gli specchi piatti del sistema Fresnel lineare compatto concentrano l'energia solare su ricevitori rialzati che incorporano una raccolta di tubi riempiti con acqua corrente. La luce solare focalizzata viene utilizzata per far bollire l'acqua, producendo così vapore che può essere utilizzato per generare energia.

Sistemi di torri di potenza, a volte chiamati ricevitori centrali, utilizzano numerosi specchi grandi e piatti per tracciare il sole e focalizzare l'energia solare su un ricevitore. In questo sistema, il ricevitore si trova in cima a un'alta torre e raccoglie la luce solare utilizzata per riscaldare i fluidi, come il sale fuso; le temperature possono raggiungere fino a 1,050 ° F. Il fluido riscaldato può essere utilizzato immediatamente per produrre vapore e generare elettricità, oppure può essere immagazzinato e salvato per essere utilizzato in un secondo momento.

Vantaggi dell'energia solare concentrata

La riduzione delle emissioni di carbonio è uno dei principali vantaggi presentati da tutti i sistemi di energia solare. Alcuni altri vantaggi includono:

Sicurezza energetica - L'energia rinnovabile è domestica, mentre le fonti di petrolio e gas sono concentrate in aree specifiche. Un approvvigionamento energetico diversificato in una nazione, fornito da fonti energetiche nazionali, rafforza la sicurezza energetica e contribuisce a una strategia energetica sostenibile e duratura in grado di proteggere l'alimentazione da fluttuazioni e vulnerabilità del mercato dannose. La diminuzione della dipendenza dalle fonti importate e la sostituzione dell'energia straniera con elettricità domestica affidabile e pulita possono fornire opportunità economiche locali aumentando al contempo la sicurezza energetica.
Affidabilità di lunga data - In media, gli impianti di energia solare sono costruiti per un massimo di 25-30 anni di funzionamento. L'operatore dell'impianto deve comprendere che la tecnologia e le attrezzature dovranno essere mantenute, rimesse a nuovo e sostituite nel tempo. Si prevede che ogni aggiornamento sia più efficiente con un costo inferiore. Pertanto, l'affidabilità di lunga data è stabilita poiché la fonte di energia rinnovabile produce elettricità per lungo tempo migliorando continuamente l'efficienza.
Prezzi sempre più competitivi - Mentre il costo del gas, dei combustibili fossili e di altre alternative energetiche continua a fluttuare tra le regioni, l'energia rinnovabile ha visto una continua diminuzione del prezzo. Il calo più significativo è stato nel settore solare, con prezzi che sono scesi di circa l'80% negli ultimi sette anni. Pertanto, l'energia solare rappresenta una fonte di energia più economica ed economica.

Storia dell'energia solare concentrata

Secondo l'antico mito greco, il concetto di energia solare concentrata fu scoperto per la prima volta da Archimede nel 214-212 a.C. Sviluppò una tattica di difesa in cui i soldati usavano scudi di bronzo per concentrare la luce del sole sulle navi romane invasori, facendo sì che le navi prendessero fuoco. Tuttavia, il primo utilizzo documentato di CSP fu nel 1866, quando August Mouchout utilizzò un sistema di abbeveratoi parabolici per riscaldare l'acqua e produrre vapore per azionare il primo motore a vapore solare.

Nel 1912 Frank Schuman, un inventore di Filadelfia, Pennsylvania, stabilì un sistema di abbeveratoi parabolici in una piccola comunità agricola a Meadi, in Egitto. Gli abbeveratoi venivano utilizzati per generare vapore che, a sua volta, veniva utilizzato per azionare grandi pompe dell'acqua, fornendo 6,000 galloni di acqua al minuto a vaste aree del deserto.

Nel 1968, il primo impianto CSP operativo è stato costruito a Sant'Ilario, in Italia, dal professor Giovani Francia. L'impianto utilizzava un sistema di torri elettriche circondato da un campo di altri collettori di energia solare.

Nel 1982, una raccolta di organizzazioni del settore solare e il DOE degli Stati Uniti iniziarono a gestire Solar One. Solar One era un progetto dimostrativo da 10 MW del sistema della torre di alimentazione che ha stabilito l'uso e il funzionamento fattibili del sistema.

Nel 1986, il più grande impianto di energia solare del mondo è stato commissionato a Kramer Junction, in California. Il sistema utilizzava file di specchi per concentrare l'energia solare su un sistema di tubi e riscaldare il fluido di trasferimento all'interno. Il vapore prodotto alimentava una turbina che produceva elettricità.

Tra il 1996 e il 1999, il DOE degli Stati Uniti e una raccolta di organizzazioni dell'industria solare hanno lavorato a Solar Two, un progetto che avrebbe dovuto essere un miglioramento del progetto della torre di alimentazione Solar One.

Futuro dell'energia solare concentrata e dell'energia solare spaziale

Continuano ad essere realizzati progressi e invenzioni che migliorano l'uso e l'accessibilità dell'energia solare concentrata. I miglioramenti vengono continuamente sviluppati e applicati ai sistemi CSP, consentendo loro di operare con maggiore efficienza e alimentare una varietà di progetti su scala di utilità.

Dalla metà del XX secolo sono state condotte ricerche sull'uso dell'energia solare spaziale (SBSP). SBSP è il concetto che l'energia solare può essere catturata nello spazio e quindi trasferita sulla Terra o su altri pianeti per essere utilizzata come elettricità. SBSP ha la capacità di risolvere l'effetto serra del mondo con un impatto minimo sull'ambiente.

Un modo per costruire un sistema SBSP è utilizzare l'energia solare concentrata. Questi sistemi SBSP impiegano la tecnica di focalizzare l'energia solare utilizzando specchi che riscaldano un liquido e azionano una turbina che crea elettricità.

Un ostacolo che impedisce la sperimentazione diffusa e l'implementazione di sistemi solari spaziali è il costo elevato per l'acquisizione e l'invio di tutti i materiali necessari. SBSP ha la capacità di fornire un'alimentazione costante, pulita e affidabile a costi inferiori, ma ci vorranno molti anni di costruzione, test, investimenti e implementazioni di successo prima che il sistema possa persino iniziare a compensare i suoi costi iniziali.