Sts-Med Regional Meeting - Sabatelli

Workshop Regionale

«IMPIANTI A CONCENTRAZIONE SOLARE POLIGENERATIVI

una risposta integrata al fabbisogno energetico

delle comunità mediterranee»

Sistemi solari a concentrazione: tecnologie, applicazioni e strumenti di incentivazione

Vincenzo Sabatelli – ENEA

Palermo, 6 Novembre 2013

STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013

Small scale thermal solar district units for Mediterranean communities


SOMMARIO

Scenario di riferimento e potenzialità delle applicazioni solari a media temperatura

Descrizione delle principali tecnologie a concentrazione per le applicazioni a media temperatura

Strumenti di incentivazione disponibili a sostegno della diffusione di tali tecnologie

Attività ENEA a supporto sia dello scenario di incentivazione che del progetto STS-MED


Classificazione delle tecnologie solari termiche

La classificazione delle tecnologie che sfruttano l’energia solare può essere effettuata sia in base all’utilizzo della risorsa termica sia in base alle temperature di esercizio, come segue:

Tecnologie a bassa temperatura, per la produzione di Acqua Calda Sanitaria o per il riscaldamento delle utenze domestiche e delle piscine (fino a circa 100°C)

Tecnologie a media temperatura, utilizzate per la climatizzazione residenziale o per la produzione di calore per processi industriali (fino a circa 250°C)

Tecnologie ad alta temperatura, utilizzate per la produzione di energia elettrica (oltre 250°C).


Applicazioni del solare termico a media temperatura

SOLAR COOLING Settore dalle elevate potenzialità in termini di risparmio di energia primaria

Settore vicino alla maturità tecnologica ma anche con un vasto potenziale di innovazione

PRODUZIONE DI CALORE DI PROCESSO Settore dalle elevate potenzialità di sviluppo, soprattutto in quei settori

industriali dove è costante la richiesta di calore a bassa e media temperatura e sia effettiva la possibilità tecnica di inserimento del sistema solare nel processo industriale esistente.

Settore in via di maturazione dal punto di vista tecnologico e quindi con elevate prospettive di diffusione.


Potenzialità del solare termico a media temperatura

Temperature necessarie per tipici processi industriali, realizzabili con tecnologia solare a media temperatura :

Settore industriale Processo produttivo Temperatura [°C]

Alimentare e bevande lavaggio

pastorizzazione

sterilizzazione

essiccatura

cottura

80 – 150

80 – 110

130 – 150

130 – 240

80 – 100

Industria plastica estrusione ed essiccatura 150 – 180

Industria chimica trattamento termico

bollitura

distillazione

essiccatura

150 – 180

95 – 100

110 – 300

150 – 180

Cartiero candeggio ed essiccatura 130 – 180

Tessile lavaggio

trattamento termico

candeggio

tintura

80 – 100

80 – 130

60 – 100

100 – 160

Lavanderie industriali lavaggio a vapore 150



I settori industriali dove è maggiore la probabilità di diffusione del solare termico sono illustrate nel grafico seguente:

Partendo da stime ENEA basate sul mercato europeo, uno scenario plausibile prevede entro il 2020 il soddisfacimento del 3÷4% del fabbisogno termico dell’industria italiana tramite le tecnologie solari: questo corrisponderebbe all’installazione di circa 5 milioni di metri quadri di superficie solare con una potenza di oltre 3.5 GWtermici


L’uso termico del energia solare nei settori industriali è attualmente non significativo rispetto alle applicazioni a bassa temperatura

L’utilizzo delle tecnologie solari in processi industriali a media temperatura avviene infatti solo su modesta scala ed ha una natura per lo più sperimentale

Tutto ciò nonostante …

• il fabbisogno energetico del settore industriale rappresenti nei paesi industrializzati il 30% dell’intero

fabbisogno nazionale

• di cui solo un terzo è di natura elettrica, e per i restanti due terzi è relativo al calore, la cui maggior parte risulta essere a temperature al disotto di 250 °C.


Lo sviluppo pertanto di tecnologie a concentrazione di piccola taglia aprirebbe sicuramente

la strada ad applicazioni di più ampia scala e diffusione commerciale (mini e micro CSP

anche in assetto cogenerativo con cicli ORC, sistemi ibridi CPVT, sistemi ibridi del tipo

Dish/Stirling)


Applicazioni a media temperatura

Range di temperatura

Tipologie di collettori Applicazioni possibili

100-120°C • Collettori piani doppio vetrati • Collettori sottovuoto • Collettori CPC • Sistemi Dish a bassa e media temperatura

• Produzione di calore di processo a bassa temperatura

• Solar cooling con macchine ad assorbimento a singolo effetto

• Impianti di desalinizzazione

120-250°C • Concentratori parabolici lineari con bassi rapporti di concentrazione

• Concentratori lineari Fresnel con bassi rapporti di concentrazione

• Produzione di calore di processo anche ad alta temperatura

• Solar cooling con macchine ad assorbimento a doppio effetto

• Cogenerazione a bassa temperatura con cicli ORC • Impianti di desalinizzazione

da 250°C ad oltre 450°C • Concentratori parabolici lineari con alti rapporti di concentrazione

• Concentratori lineari Fresnel con alti rapporti di concentrazione

• Generazione di energia elettrica tramite un ciclo termodinamico

• Cogenerazione a più alta temperatura con cicli ORC

I collettori solari a media temperatura si collocano in una zona di confine fra i collettori solari a bassa temperatura, oggi molto diffusi, che raggiungono temperature limite intorno ai 100 °C, e i collettori solari a concentrazione ad alta temperatura, con temperature variabili fra i 250 °C e i 2000 °C. In questo contesto, è interessante classificare i collettori in base alle temperature di utilizzo, focalizzandosi principalmente nel range dei collettori a media temperatura e definendo per ogni tipo di collettori le applicazioni possibili.


Tecnologie solari a concentrazione

SISTEMI PARABOLICI LINEARI (PTC)

Raffigurazione schematica di un collettore PTC

Principali caratteristiche:

Temperature di lavoro fino a 300°C

Assorbitore:

Forma tubolare di dimensioni adeguate per

tener conto dell’allargamento dell’immagine

riflessa del disco solare

Trattamento selettivo

Incamiciato in un tubo di vetro

Sistema ad inseguimento monoassiale con

orientamento N-S oppure E-W

Fluidi utilizzati: olio diatermico, acqua

pressurizzata, vapore




Vantaggi:

Possibilità di avere elevate efficienze ottiche

Output energetico costante nell’anno a parità di

condizioni di insolazione

Minori effetti dovuti al modificatore dell’angolo di

incidenza (IAM) rispetto ad altre tecnologie

Svantaggi:

Necessità di connessioni flessibili per

assecondare lo spostamento del tubo ricevitore

Esposizione a elevati carichi al vento

Scarsa possibilità di riduzione dei costi a meno di

intervenire sui materiali utilizzati




Principali caratteristiche

di alcuni collettori PTC

presenti sul mercato




IT.Collect

Soltigua (ITA)

Sopogy (USA)



SISTEMI A SPECCHI LINEARI DI FRESNEL (LFC)

Raffigurazione schematica di un collettore LFC


Temperature di lavoro fino a 300°C

Assorbitore:

Spesso di forma tubolare ma non solo

Trattamento selettivo

Copertura in vetro di diverse tipologie

Presenza di un ottica secondaria

Sistema ad inseguimento monoassiale con

orientamento N-S oppure E-W

Fluidi utilizzati: olio diatermico, acqua

pressurizzata, vapore

Raffigurazione in sezione del ricevitore secondario




Vantaggi:

Ricevitore fisso e quindi non necessità di

connessioni flessibili

Semplicità costruttiva

Minore costo dei componenti sia ottici che

strutturali

Bassa esposizione ai carichi del vento

Svantaggi:

Minore efficienza ottica rispetto ai PTC

Necessità di un’ottica secondaria

Minore ore di operatività (effetti di Blocking e

Shading)

Output energetico variabile nel corso dell’anno

Marcati effetti dovuti all’IAM




Principali caratteristiche

di alcuni collettori LFC

presenti sul mercato




HelioDynamics (USA) Industrial Solar GmbH (Ger)

Chromasun Inc. (USA) Soltigua (ITA)



SISTEMI CPC (Compount Parabolic Concentrator)

Principio di funzionamento e principali applicazioni



SISTEMI PARABOLICI A DISCO (PDC)


Poiché sono sempre puntati direttamente verso il

sole, sono i collettori solari più efficienti.

Hanno rapporti di concentrazione compresi fra

500 e 2000, che gli permette di avere altissime

temperature e quindi alte efficienze di

trasformazioni energetiche.

Un campo di PDR ha una struttura modulare, che

permette di far funzionare indipendentemente

singole unità.


Strumenti di incentivazione

MECCANISMI DI INCENTIVAZIONE DEL SOLARE TERMICO

Detrazioni Fiscali del 55% (65%) In vigore per tutto il 2013

Da giugno l'entità della detrazione è stata innalzata al 65%

Conto Energia Termico Impegno di spesa annua cumulata pari a complessivi 900 M€, di cui:

200 M€ per la PA

700 M€ per i soggetti privati



DETRAZIONI FISCALI

Con riferimento al D.M. 19.02.2007 (“Disposizioni in materia di detrazioni per le spese di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente” e s.m.i.), le tipologie di pannelli

solari che possono beneficiare del regime fiscale agevolato (detrazione d’imposta del 55% in 10 anni) sono:

• quelli destinati alla "produzione di acqua calda per usi domestici o industriali e per la copertura del fabbisogno di acqua calda in piscine, strutture sportive, case di ricovero e cura, istituti scolastici e università“ (ai sensi dell’art. 1, comma 349, della legge 27 dicembre 2006, n. 296)

• sono, inoltre, ammessi alla detrazione (art. 8 – “Asseverazione degli interventi di installazione di pannelli solari”), i pannelli solari in possesso di certificazione di qualità conforme alle norme UNI EN 12975 o UNI EN 12976 rilasciata da un laboratorio accreditato.

Per l’ottenimento dell’incentivo occorre

• la certificazione del solo collettore secondo la norma UNI EN 12975 nel caso di sistemi solari a circolazione forzata o a circolazione naturale con collettore separato dall’accumulo

• la certificazione secondo la norma UNI EN 12976 nel caso di sistemi solari in cui l'unità di accumulo non è disgiungibile dal collettore (sistemi integrati - ICS)



DETRAZIONI FISCALI – Applicabilità ai collettori a concentrazione

Con la pubblicazione da parte del CEN di un emendamento alla EN12975-1:2006 + A1:2010, è ora possibile utilizzare lo stesso standard per la certificazione dei collettori a concentrazione con o senza sistema d’inseguimento.

Sebbene la norma sia sostanzialmente applicabile a tale tipologia di collettori, particolare attenzione deve essere posta nell’esecuzione dei test sia di caratterizzazione energetica sia di qualificazione meccanica Per questi ultimi, poiché la normativa non è ancora in grado di gestire le caratteristiche specifiche dei collettori a concentrazione con o senza inseguimento, parte di questi test (es. carico meccanico, pioggia, impatto) non risultano al momento applicabili

ACCESSO ALLA DETRAZIONE FISCALE DEL 55% (Risoluzione n. 12/E emanata dall’Agenzia delle Entrate in data 07.02.2011)

Collettori a concentrazione

per la produzione di ACS

Sistemi termodinamici per la produzione

combinata di elettricità e calore (Incentivo applicabile alla sola quota parte destinata agli usi termici)



Adeguamento EN 12975: Metodiche adottate e attività in corso

TEST Metodica da adottare Attività in corso

Caratterizzazione energetica

• Si può ricorre al metodo in transitorio (QDT test)

• È comunque possibile utilizzare il metodo in stazionario a patto di rilevare le diverse componenti della radiazione solare (diretta, diffusa)

• Definizione del modello matematico da considerare in relazione al fattore di concentrazione e alla presenza del vetro di copertura

• Influenza della velocità del vento

• Proprietà del fluido termo-vettore

Prove di qualificazione

• Per le prove applicabili, le metodiche di prova da adottare rimangono le stesse.

• Indicazioni specifiche vengono fornite per quelle prove in cui possono intervenire i sistemi di protezione che in genere sono previsti per i sistemi a concentrazione (Es. sistemi di protezione contro il surriscaldamento, l’assenza di fluido, l’azione del vento, ecc.). In questi casi il corretto funzionamento di tali sistemi deve essere verificato.

• Definizione di procedure specifiche per le prove di resistenza alle alte temperature, esposizione, pioggia e carico meccanico



CONTO ENERGIA TERMICO

Il Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012 ha dato attuazione al cosiddetto “Conto Termico”, un regime di sostegno specifico per interventi di piccole dimensioni per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili e l’incremento dell’efficienza energetica.

L’accesso all’incentivo è consentito per due categorie di interventi:

• Categoria 1 ‐ interventi di incremento dell’efficienza energetica (art. 4, comma 1 del Decreto) • Soggetti ammessi: solo PA • Interventi ammessi: solo su edifici pubblici esistenti • Accesso agli incentivi: diretto e su prenotazione

• Categoria 2 ‐ interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e

sistemi ad alta efficienza (art. 4, comma 2 del Decreto) quali: sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti con impianti ad alta efficienza, sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o di riscaldamento delle serre e dei fabbricati rurali con impianti a biomassa, installazione di collettori solari termici, sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa di calore.

• Soggetti ammessi: PA e soggetti privati • Interventi ammessi: sostituzione di generatori termici esistenti ad eccezione degli impianti solari • Accesso agli incentivi: diretto



CONTO ENERGIA TERMICO – Regole applicative GSE


Ruolo ENEA

QUALIFICAZIONE DEI COMPONENTI

Presso il CR ENEA Trisaia è operativo un laboratorio per la sperimentazione e qualificazione di collettori solari a media temperatura

Sviluppo della normativa tecnica specifica per collettori a concentrazione (attività in ambito CEN/TC 312)

ATTIVITA’ DI SUPPORTO ALLO SVILUPPO TECNOLOGICO

Sono attive diverse collaborazioni con aziende italiane operanti nel settore delle applicazioni solari a media temperatura

Messa a punto di metodiche semplificate per l’analisi delle prestazioni di collettori a concentrazione e l’accoppiamento con sistemi piligenerativi (STS-MED)


Ruolo ENEA

QUALIFICAZIONE DEI COMPONENTI

Sperimentazione e qualificazione di collettori solari a media temperatura

Analisi e caratterizzazione energetica degli accumuli termici

Studio, implementazione e ottimizzazione di sistemi avanzati di controllo

Laboratorio per applicazioni a media temperatura

Laboratorio accreditato ACCREDIA


Ruolo ENEA

SUPPORTO ALLO SVILUPPO INDUSTRIALE

Analisi e caratterizzazione energetica di diverse tipologie di concentratori solari (CPC, parabolici lineari, parabolici puntuali, a specchi lineari di Fresnel)

Supporto allo sviluppo e sperimentazione di componenti allo stato pre-industruale e/o di prototipo

Soltigua

Costruzioni Solari

10

20

30

40

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

10

20

30

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Innova


Ruolo ENEA

Mini e Micro CSPO abbinati a cicli ORC

Impianto CSP a lenti di Fresnel su ORC CLEAN CYCLE WHG INGECO –GE (Tin150° C) Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

ROMA LUGLIO 51,85 8,10 111,35 0,073 0,466 0,538

GENNAIO 15,92 2,49 35,35 0,070 0,450 0,521

PALERMO LUGLIO 51,85 8,10 108,81 0,074 0,476 0,551

GENNAIO 16,49 2,58 36,35 0,071 0,453 0,524

TRISAIA LUGLIO 51,85 8,10 108,94 0,074 0,476 0,550

GENNAIO 14,10 2,20 31,65 0,070 0,446 0,515

Esempio di installazione (Fonte: INGECO)

Valori calcolati di producibilità giornaliera e relative efficienze


Ruolo ENEA

Sistemi Dish/Stirling

32

Sistema Dish/Stirling

installato in Trisaia

per la sua

caratterizzazione e

valutazione delle

potenzialità di

produzione elettrica e

termica su medio-

lungo periodo.

Esempio di analisi ottica condotta sul

sistema al fine di valutarne le

performance Andamento delle prestazioni energetiche

giornaliere durante il periodo di monitoraggio

Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

MILANO LUGLIO 161.27 61.35 494.44 0.1241 0.3262 0.4503

GENNAIO 36.16 13.40 110.19 0.1216 0.3281 0.4497

ROMA LUGLIO 181.14 68.97 555.48 0.1242 0.3261 0.4503

GENNAIO 91.33 34.55 279.63 0.1235 0.3266 0.4501

PALERMO LUGLIO 183.10 69.72 561.50 0.1242 0.3261 0.4503

GENNAIO 91.70 34.69 280.79 0.1235 0.3266 0.4501

TRISAIA LUGLIO 172.55 65.68 529.09 0.1241 0.3261 0.4503

GENNAIO 77.41 29.21 236.88 0.1233 0.3268 0.4501

Producibilità giornaliera ed efficienze del sistema Dish/Stirling


Ruolo ENEA

Sistemi CPVT

Prototipo del

sistema CPVT

durante le prove

all’Università di

Padova

Modulo fotovoltaico-termico installato sul concentratore

Esempio di analisi ottica condotta sul ricevitore

CPVT Eth [MJ] Eel [MJ] Esol [MJ] ηel [-] ηth [-] η [-]

ROMA GENNAIO 13.09 7.37 35.24 0.209 0.371 0.580 GIUGNO 22.25 11.99 57.48 0.209 0.387 0.596

CATANIA GENNAIO 11.93 6.82 32.59 0.209 0.366 0.575 GIUGNO 20.50 11.01 52.79 0.209 0.388 0.597

PADOVA GENNAIO 10.74 6.28 29.95 0.210 0.358 0.568 GIUGNO 23.09 12.30 59.19 0.208 0.390 0.598

TRISAIA GENNAIO 12.98 7.30 34.97 0.209 0.371 0.580 GIUGNO 23.99 12.51 60.42 0.207 0.397 0.604

IL CAIRO GENNAIO 14.68 8.09 38.73 0.209 0.379 0.588 GIUGNO 20.23 10.73 51.38 0.209 0.394 0.603

Efficienza in funzione della temperatura

media ridotta: valori misurati (punti) e

curve di previsione del modello in

condizioni di stazionarietà con il carico

elettrico connesso

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Effi

cie

ncy

[-]

T*m [K m2 W-1]

electric electrical (model)

thermal thermal (model)

global global (model)


Grazie per l’attenzione

http://www.enea.it

http://www.trisaia.enea.it

Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile

Centro Ricerche TRISAIA

Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari

Per ulteriori informazioni …

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