Una concentrazione termodinamico dell'impianto solare (o concentrazione solare centrale termica o heliothermodynamic ) in inglese CSP (per energia solare concentrata ) è un sito industriale che concentra i raggi del sole utilizzando specchi per riscaldare un fluido termovettore , che produce generalmente elettricità . Questo tipo di impianto permette, immagazzinando questo fluido in un serbatoio, di prolungare il funzionamento dell'impianto per diverse ore oltre il tramonto. Si distinguono diversi tipi di centrali elettriche in base alla forma degli specchi (piani o curvi) e alla distribuzione del fluido termovettore (puntiforme o lineare).
Diverse tecnologie sono state implementate su scala industriale. L'impianto a torre è costituito da un campo di collettori solari motorizzati, gli eliostati , che concentrano i raggi solari verso un fuoco fisso, posto alla sommità di una torre , dove è presente una caldaia. Nelle centrali elettriche con specchi cilindrico-parabolici , questi concentrano la radiazione su tubi riempiti con un fluido termovettore . Una tecnologia simile, specchi di Fresnel, usi piano (o quasi-plane) specchi oscillante attorno ad un asse orizzontale in modo da seguire il percorso del sole e quindi reindirizzare e ottimale concentrare i raggi solari verso un tubo di assorbimento. In queste due tecnologie, il liquido di raffreddamento (olio o sali fusi) circolante nel tubo viene così portato ad alta temperatura ed inviato ad un generatore di vapore . Il vapore poi fa girare le turbine che azionano gli alternatori per produrre elettricità. La parabolica Dish Stirling (en) , associando impianto solare termodinamico e motore Stirling , permette di raggiungere temperature molto elevate (più di 700 °C ) e quindi la massima efficienza di tutte le tecnologie solari, ovvero il 29% rispetto a il 15 il solito 20% di energia solare fotovoltaica .
Altre strade termodinamiche sono attualmente allo studio per sfruttare la radiazione solare . Una soluzione che utilizza aria riscaldata a più di 726.85 °C tramite un letto fluido (ad esempio di carburo di silicio ), studiata per resistere meglio alla fatica termica, in particolare legata alle irregolarità della risorsa solare e che pone un problema agli scambiatori di calore convenzionali, è stato proposto negli anni 2000. Una fornitura di aria molto calda sostituirebbe la camera di combustione dell'equivalente di una turbina a gas con un concentratore di energia solare. Microcentrali con parabole autonome associate ad un motore Stirling al focolare (da 10 a 25 kW ), funzionante con sorgenti calde di oltre 500 °C , permetterebbero una produzione decentralizzata di calore ed elettricità.
L'Unione Europea sta finanziando, attraverso il programma H2020, il progetto Capture, lanciato nel 2015, il cui obiettivo è ridurre i costi dei progetti solari a concentrazione per migliorarne la competitività. Ogni componente di un parco solare deve essere sviluppato al fine di migliorare l'efficienza e ridurre il costo medio dell'energia prodotta. Il progetto, che riunisce 13 partner sparsi in sei paesi europei, consiste nella realizzazione, nel sud della Spagna, di un'installazione concentrata di più torri e quattro parchi, tre dei quali sfruttano i cicli Brayton (ciclo termodinamico con gas refrigerante).
Le tecnologie solari termodinamiche hanno un grande vantaggio rispetto al fotovoltaico: consentono di estendere la produzione di energia elettrica oltre il periodo di irraggiamento solare, con un investimento aggiuntivo, immagazzinando il fluido termovettore in serbatoi per poterlo estrarre. dopo il tramonto.
Pertanto, la centrale solare americana Solar Two può ancora funzionare tre ore dopo la scomparsa del Sole. L' energia viene immagazzinata all'ingresso del generatore sotto forma di calore ( 560 °C ) in vasche di sali fusi, che permette all'impianto di continuare a funzionare in assenza di luce solare. Questa tecnica è utilizzata nell'impianto Solar Tres costruito ad Almeria in Spagna, ma questa volta l'autonomia senza Sole arriva a 16 h , il che gli consente di funzionare notte e giorno durante i periodi di forte insolazione. Questo tipo di installazione è previsto per le regioni con forte soleggiamento come la California o il sud della Spagna.
Areva ha commissionato ad Albuquerque, nel New Mexico, un dimostratore di accumulo di energia a sali fusi nel parco solare eliotermodinamico del laboratorio nazionale americano Sandia, integrando riflettori lineari a specchio Fresnel. Utilizza i sali fusi come fluido termovettore, estraendoli da una vasca "fredda" ( 290 °C ) per riscaldarli a 550 °C a contatto con gli specchi, quindi farli passare attraverso uno scambiatore di calore per generare il vapore necessario per produzione di energia elettrica; i sali fusi vengono infine reindirizzati o al serbatoio freddo, per ripetere il processo ad anello, o ad un serbatoio separato per lo stoccaggio. I primi risultati mostrano che i sali fusi consentono di far funzionare l'impianto ad alta temperatura, di semplificare le operazioni e quindi di ridurre il costo complessivo, un fattore chiave come si propone il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), attraverso il suo programma Sunshot , riducendo i costi degli impianti solari installati di 0,06 $/kWh entro il 2020.
Il progetto Hydrosol sta sperimentando la concentrazione dei raggi solari per attivare una reazione termochimica formando idrogeno mediante il cracking dell'acqua . La tecnica mostra interessanti potenzialità in termini di efficienza e accumulo di energia.
Mentre inizialmente le tecnologie solari termodinamiche venivano utilizzate solo per la produzione di energia elettrica, nel 2018 hanno iniziato a trovare un nuovo utilizzo: la produzione di vapore per l'industria o per le reti di riscaldamento.
Nel nord della Danimarca, nella città di Brønderslev , lo sviluppatore Aalborg CSP ha commissionato il19 marzo 2018un progetto che combina un impianto solare a concentrazione e un impianto a biomasse di tipo ORC ( macchina a ciclo Rankine organico ); questo progetto con una potenza termica di 16,6 MWh può produrre sia calore che energia elettrica; la parte solare utilizza collettori cilindro-parabolici. Il progetto della città danese di Taars combina una centrale elettrica a concentrazione di 4.039 m 2 e un campo di collettori in vetro piano di 5.972 m 2 , che fornisce il 31% del fabbisogno totale della rete di riscaldamento, ovvero una produzione di calore erogata da 6.082 MWh .
In Spagna, Alcalá Ecoenergías ha firmato un contratto nel febbraio 2018 per la costruzione della prima grande rete di riscaldamento ibrida solare-biomassa della Spagna ad Alcalá de Henares, che sarà dotata di una caldaia a biomassa da 30 MW e di un impianto solare. MW .
Secondo gli scenari previsionali stabiliti nel 2014 dall'Agenzia Internazionale per l'Energia (AIE), l'energia solare termodinamica a concentrazione avrebbe dovuto svolgere un ruolo significativo nella produzione di elettricità mondiale entro il 2050: l'AIE ha previsto che l'energia solare termodinamica a concentrazione (tutti i settori combinati) rappresenterebbero l'11% della produzione elettrica nel 2050, ovvero 4.350 TWh con una capacità installata di quasi 1.000 GW , di cui 229 GW negli Stati Uniti, 204 GW in Medio Oriente, 186 GW in India, 147 GW in Africa e 118 GW in Cina; 53 GW verrebbero esportati dal Nord Africa verso l'Europa; il calo dei costi medi di produzione da 168 $/MWh del 2015 a 71 $/MWh per centrali con accumulo le renderebbe competitive nei paesi più soleggiati, di punta e di semi punta, intorno al 2020 e in base intorno al 2030; questi impianti potrebbero anche produrre calore per i processi industriali e la desalinizzazione dell'acqua di mare e dell'idrogeno in sostituzione del gas naturale (3% del fabbisogno energetico nel 2050).
Negli scenari più ottimistici, come quelli stabiliti nell'ambito del programma IEA SolarPACES (in) , la European Solar Thermal Electricity Association e Greenpeace avevano previsto una capacità installata di 1500 GW in tutto il mondo. Tali prospettive presupponevano il rapido sviluppo di un settore industriale solare termodinamico concentrato, tenuto conto che nel 2014 il parco di centrali in servizio comprendeva una quarantina di siti nel mondo.
Nel 2013, dopo che il governo Rajoy ha abolito gli aiuti alle energie rinnovabili, lo sviluppo del solare si è fermato in Spagna.
Il costo dell'energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici di taglia commerciale è sceso da 355 $/MWh nel 2009 a 51 $/MWh nel 2019, secondo BloombergNEF, ovvero il 38% del costo di 135 $/MWh a cui vende l'impianto di Crescent Dunes la sua produzione.
Lo sviluppatore americano di impianti solari termodinamici eSolar è scomparso nel 2017, poi alla fine del 2019, lo sviluppatore SolarReserve è fallito dopo che le autorità pubbliche hanno ripreso il controllo della sua controllata Tonopah Solar Energy, incaricata di gestire il suo impianto Crescent. moltiplicava i problemi tecnici e non era mai riuscita a mantenere i propri impegni contrattuali. C'è un solo sviluppatore rimasto negli Stati Uniti: BrightSource, che lavora principalmente al progetto Ashalim in Israele.
Nel 2020 il solare termodinamico non è più considerato un concorrente del fotovoltaico, ma una soluzione di accumulo di energia che consente di compensare le variazioni delle energie intermittenti. Il Sudafrica, ad esempio, ha organizzato un bando di gara che prevedeva per gli impianti solari termodinamici un bonus del 270% in aggiunta alla tariffa base per la produzione di energia elettrica nel tardo pomeriggio e la sera. Più recentemente, a Dubai, è in costruzione la centrale ibrida Noor Energy 1, che combina energia solare termodinamica e solare fotovoltaica, con uno stoccaggio di 550.000 tonnellate di sali fusi, il più grande di sempre, per fornire energia elettrica notturna a 92 $ / MWh , mentre l'energia elettrica prodotta durante la giornata dalla parte fotovoltaica dell'impianto costerà 24 $/MWh . Inoltre, il Piano nazionale per l'energia e il clima 2021-2030 della Spagna, presentato nel 2019 all'Unione Europea, prevede l'installazione di 5 GW di solare termodinamico in aggiunta ai 2,5 GW esistenti. Questi ulteriori 5 GW sarebbero interamente dedicati all'accumulo di energia per gli usi notturni, gli usi diurni essendo coperti dal fotovoltaico.
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha lanciato l' Energy Storage Grand Challenge nel 2020 per stimolare lo sviluppo di soluzioni di stoccaggio dell'energia. Si evidenzia l'esperienza acquisita grazie all'energia solare termodinamica nell'accumulo sotto forma di sali fusi: la capacità di accumulo della centrale solare di Solana , 1.500 MWh , è la più importante dopo quella delle centrali idroelettriche ad accumulo di pompaggio , mentre la batteria costruito da Tesla in Australia ha una capacità di soli 450 MWh .
Uno studio dell'IRENA ( International Renewable Energy Agency ) pubblicato nel 2013 stima i costi di produzione aggiornati dell'elettricità rinnovabile ( LCOE ) nel 2012; per il solare termodinamico prevede i seguenti costi:
Il costo è fortemente correlato con sole: partendo da una base di 2.100 kWh / m 2 / anno (tipica sole DNI per la Spagna), il costo LCOE diminuisce del 4,5% per ogni 100 kWh / m 2 / anno in aggiunta.
Si prevede che questi costi del 2012 continueranno a diminuire in base ai progressi tecnologici e alle economie di scala.
Il costo minimo di 0,17 $/kWh , ovvero 170 $/MWh , è equivalente a 126 €/MWh ; in confronto, uno studio del Fraunhofer Institute ha pubblicato nel mese di novembre 2013 le stime del LCOE di impianti fotovoltaici nel sud della Germania (indice solare di 1.200 kWh / m 2 / anno) tra il 79 e 98 € / MWh , e un contratto recentemente firmato in Texas ha mostrato un costo di 54 €/MWh ; il costo dell'energia solare termodinamica rimane quindi molto più elevato di quello dell'energia fotovoltaica, ma con il vantaggio dell'accumulo che le conferisce un valore molto più elevato.
La produzione di impianti solari termodinamici ha raggiunto nel 2018 11.321 GWh , pari allo 0,04% della produzione elettrica mondiale; in confronto, la produzione solare fotovoltaica è stata pari a 554.382 GWh (2,1%), ovvero 49 volte di più. I principali paesi produttori sono la Spagna : 4.867 GWh (43%), gli Stati Uniti : 3.940 GWh (34,8%), il Sudafrica : 1.029 GWh (9,1%), il Marocco : 949 GWh (8,4%), la Cina: 300 GWh (2,6). %) ed Emirati Arabi Uniti: 233 GWh (2,1%).
La potenza installata di tali impianti ha raggiunto a fine 2018 i 5.663 MW ; Nel 2018 sono stati commissionati 11 impianti di cui due in Sud Africa (200 MW ), tre in Cina (200 MW ), due in Marocco (350 MW ), uno in India (100 MW ), uno in Arabia Saudita (50 MW ) e uno in Kuwait (50 MW ). I progetti in costruzione ammontano a 2.166 MW e nel 2019 sono previsti 1.045 MW di nuovi progetti in Cina e Medio Oriente. Secondo IRENA , il costo scontato dell'energia è sceso in un anno del 26% a 16,4 c €/kWh (-46% dal 2010) e dovrebbe scendere da 6 a 10 c €/kWh grazie ai meccanismi dei bandi di gara. .
La potenza installata ha raggiunto a fine 2017 i 4.845 MW ; 22 impianti erano in costruzione, per un totale di 1.625 MW , e 18 progetti erano in fase di sviluppo per 2.245 MW , di cui 785 MW in Cina, 700 MW a Dubai , 360 MW in Sud Africa e 250 MW in India. Nel 2017 la potenza installata del solare termodinamico è aumentata di 100 MW , ovvero +2%; diversi progetti che dovevano essere commissionati nel 2017 sono stati ritardati, ma i progetti in costruzione raggiungono i 2 GW , soprattutto in Cina, Medio Oriente e Africa; la capacità di accumulo di energia termica delle centrali in esercizio raggiunge i 13 GWh , sotto forma di sali fusi; Spagna (2,3 GW ) e Stati Uniti (1,7 GW ) rappresentano l'80% della flotta, ma il mercato continua a spostarsi verso i paesi emergenti e quelli con elevati livelli di irraggiamento: Sudafrica. Il Sud è rimasto leader di mercato nel 2017 e anche l'unico Paese a commissionare un nuovo impianto: Xina Solar One (100 MW ), portando la sua capacità installata a 300 MW .
Per la prima volta un progetto solare termodinamico è riuscito a raggiungere la competitività rispetto ai mezzi di produzione convenzionali, vincendo in settembre 2017Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park Fase 4 Solar Tower Progetto (700 MW ) tenero in Emirati Arabi Uniti ad un prezzo di $ 0,073 / kWh ; non avrà quindi bisogno di alcun sussidio; la sua entrata in servizio è prevista per il 2020.
Il settore dell'energia solare termodinamica è cresciuto rapidamente nel 2013, con 3,7 GW in esercizio, 2 GW in costruzione, 4,8 GW di progetti in sviluppo e 3,3 GW pianificati a fine 2013. A fine 2013, 19 paesi avevano già unità dimensionali in esercizio o in costruzione: Spagna, Stati Uniti, India, Marocco, Algeria, Egitto, Emirati Arabi Uniti, Oman, Iran, Thailandia, Giappone, Australia, Cile, Messico, Francia, Italia, Cina, Canada, Papua Nuova Guinea , senza contare le unità di ricerca o dimostrazione.
La Spagna è stata l'epicentro dello sviluppo dell'energia solare termodinamica fino al 2011 e rimane di gran lunga il primo produttore di energia elettrica con questa tecnica con 2.304 MW in servizio a fine 2013 e 3.443 GWh prodotti nel 2012, seguita dagli Stati Uniti con 765 MW in servizio alla fine del 2013 e 5.600 MW di progetti di impianti solari termici annunciati. Lo sviluppo di questo mercato è stato interrotto dalla sospensione, decisa nel 2012 dal governo Rajoy, delle tariffe di acquisto garantite per le energie rinnovabili.
Gli Stati Uniti sono il secondo produttore al mondo, detiene i cinque più grandi impianti solari termodinamici nella classifica mondiale. Tra gli impianti più antichi ci sono quelli di Albuquerque negli Stati Uniti con una capacità di 5 MW (1976), quelli di Luz Solar Energy situata a Kramer junction e Daggett in California con una capacità totale di 354 MW (1985) e Solar 2 in California ( 1996 ) con una capacità di 10 MW . Nel febbraio 2006, Nevada Solar One con una capacità di 64 MW è stato commissionato a Boulder City , Nevada , negli Stati Uniti.
Il Piano Solare Marocchino prevede (2 GW ) nel 2020. Una prima fase è consistita nella messa in servizio dell'impianto solare di Noor (160 MW ) nel febbraio 2016. Due progetti sono stati commissionati nel 2018: NOOR 2 (200 MW , parabolico, sette -accumulo di ore) e NOOR 3 (150 MW , torre solare, stoccaggio di sette ore).
La Cina ha, nel 2018, tre piccole centrali in funzione, 13 impianti in costruzione con una capacità cumulativa di 955 MW e 11 progetti in sviluppo per un totale di 785 MW . Nel 2018 sono stati commissionati tre impianti: l' impianto parabolico CGN Delingha (50 MW , nove ore di stoccaggio) e gli impianti a torre solare di Shouhang Dunhuang (100 MW , undici ore di stoccaggio) e Supcon Delingha (50 MW , sei ore di stoccaggio) .
La Cina sta costruendo quattro impianti: CPI Golmud Solar Thermal Power Plant, Delingha Supcon Tower Plant, HelioFocus China Orion Project e Ninxia ISCC, con un totale di 302 MW .
In Sudafrica , nel 2017 erano in funzione quattro centrali elettriche: Bokpoort (50 MW ), Khi Solar One (50 MW ), KaXu Solar One (100 MW ) e Xina Solar One (100 MW ). , altri due sono stati commissionati nel 2018: Kathu Solar Park (100 MW ) e Ilanga I (100 MW ) e molti altri sono in fase di sviluppo, tra cui Redstone Solar (torre solare da 100 MW ).
La centrale Bokpoort (in) è entrata in servizio nel 2015, KaXu Solar One (in) nel 2015, la centrale Khi Solar One è entrata in produzione nel 2016 e Xina Solar One è in servizio dal 2017.
In Cile , alla fine del 2017, sono previsti tre grandissimi impianti solari termodinamici guidati dalla società americana SolarReserve. Questi progetti, situati a Tamarugal (tre torri solari , 450 MW ), Copiapo (due torri solari, 260 MW ) e Likana (390 MW ), rappresentano un totale di 1.100 MW e hanno una capacità di accumulo integrato di 13 h , mediante stoccaggio di fluido termovettore . Il progetto Tamarugal, nella regione di Tarapaca, ha ottenuto il via libera dal governo e la sua costruzione potrebbe iniziare alla fine del 2018 se otterrà un contratto per l'acquisto di energia elettrica durante la gara di ottobre 2018; la sua produzione teorica annua è stimata in 2.600 GWh . Il progetto Copiapo, 65 km a nord - est della città di Copiapó nella regione di Atacama, ha ottenuto tutte le autorizzazioni ed è pronto per iniziare i lavori; produrrà 1.800 GWh all'anno. Il progetto Likana nella regione di Antofagasta è in fase di richiesta del permesso; con tre torri solari da 130 MW , produrrà 2.800 GWh/anno .
L'Arabia Saudita prevede di installare 25 GW di centrali solari a concentrazione entro il 2032; la sua agenzia KACARE, responsabile del programma di energia rinnovabile, ha annunciato inFebbraio 2013l'avvio del primo bando di gara da 900 MW , poi ritardato per effettuare preventivamente una vasta campagna di misure solari utilizzando 75 stazioni distribuite in tutto il regno; questa cautela è spiegata dalla sfortunata esperienza della centrale di Shams 1 , a 120 km da Abu Dhabi, la prima centrale ad essere inaugurata nella penisola arabica: la sua produzione effettiva si è rivelata inferiore del 20% a quella stimata, a causa della presenza di polvere di sabbia nell'aria.
In Arabia Saudita sono in costruzione due centrali ibride: ISCC Duba 1 da 50 MW , Waad Al Shamal ISCC Plant (50 MW ). Quest'ultimo è stato messo in servizio nel 2018.
In India, il governo ha ridotto i finanziamenti per il settore termico a favore del fotovoltaico nell'ambito del programma JNNSM (Jawaharlal Nehru National Solar Mission) che mira a 20 GW di energia solare entro il 2022; dei sette progetti solari termodinamici convalidati nel 2010 per la prima fase del programma, solo due hanno rispettato le scadenze di costruzione: Godawari (50 MW ), commissionato inGiugno 2013, e Rajasthan Sun Technique (100 MW ), commissionatomarzo 2014 ; un terzo progetto, Megha Engineering, è in costruzione e gli altri quattro sono rinviati e potrebbero essere annullati.
In India, impianto Dadri ISCC (14 MW , 2017). Nel 2018 è stata messa in funzione la centrale elettrica a specchio di Dhursar Fresnel (100 MW ).
L'Europa ha 438 MW di progetti nel 2018, di cui solo due sono in costruzione per 10 MW ; questi progetti sono localizzati principalmente in Italia: 204 MW , tra cui Flumini Mannu in Sardegna (55 MW ), Lentini (55 MW ) e Solecaldo (41 MW ) in Sicilia; La Grecia ha due progetti: il progetto Maximus Dish a Florina (75 MW ) e la torre MINOS CSP a Creta (50 MW ), e Cipro un progetto: Helios Power (51 MW ) a Larnaca.
In Francia, Alba Nova 1 , situata in Corsica , è stata la prima centrale solare termodinamica di grandi dimensioni ad aver ottenuto una concessione edilizia nel 2011 da oltre 30 anni . La sua costruzione è stata congelata nel 2016 in seguito al fallimento del suo costruttore Solar Euromed . La centrale solare eLlo da 9 MW è stata inaugurata a settembre 2019. Il laboratorio PROMES-CNRS e i suoi partner testeranno nuovamente nel 2018, o 2019, la centrale solare Thémis riconfigurata. Dovrebbe includere una nuova turbina da 1,2 MW e utilizzare le particelle come fluido termovettore e per l'accumulo termico, nell'ambito del progetto europeo next-CSP.
In Israele sono state realizzate due centrali: Ashalim1 CSP project 121 MW e Ashalim2 CSP project 110 MW ; sono stati commissionati nel 2018.
In Kuwait: Shagaya (100 MW , parabolica, 10 h di stoccaggio).
In Messico: Agua Prieta2 da 12 MW .
In Algeria , il programma Algerino Energie Rinnovabili prevede (2.000 MW ) nel solare termico (CSP); sono stati individuati progetti per un totale di 1.350 MW , tra cui la torre solare per la nuova città di Boughezoul in Algeria (da 3 a 7 MW ), ma nel 2018 non sono in costruzione.
Le tendenze di mercato nel 2018 sono:
Nei Paesi in via di sviluppo, nel 2007 sono stati approvati tre progetti di impianti solari termodinamici misti (solare + gas) finanziati dalla Banca Mondiale , in Egitto , Messico e Marocco .
Nel 2008 la potenza installata è stata stimata in circa 431 MW , di cui 420 MW in cella solare termodinamica a concentrazione di tipo parabolico; a metà del 2013 erano 7,5 GW in esercizio o in costruzione. La roadmap stabilita nel 2013 dall'International Energy Agency (IEA) per il solare termodinamico a concentrazione prevede che la capacità installata entro il 2020 potrebbe raggiungere i 148 GW .
Il Desertec Project è un progetto volto a produrre gran parte dell'energia elettrica dei paesi del Nord Africa e del Medio Oriente.
Stirling Energy Systems ha sviluppato sensori parabolici ad alta potenza che seguono il Sole nel suo percorso e sono di fatto delle mini centrali eliotermodinamiche: unmotore Stirlingaziona un generatore elettrico posto al centro di ogniparaboloide.