Anche in ambito industriale è possibile contribuire alla riduzione dell’ utilizzo dei combustibili fossili utilizzando le applicazioni innovative della tecnologia solare a concentrazione per la produzione di calore industriale. E a costi sostenibili
Con questo inauguriamo una serie di articoli realizzati dai ricercatori di Enea, l’ agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile, che Industria Italiana ospiterà nei mesi a venire. Gli autori sono in questo caso Alfredo Fontanella, Massimo Falchetta, Alberto Giaconia, Enzo Metelli e Adio Miliozzi
La crescente sensibilità ambientale e gli impegni internazionali impongono la riduzione delle emissioni di CO2 nelle produzioni industriali. La tecnologia solare a concentrazione con accumulo termico ad alta temperatura, inizialmente finalizzata alla produzione elettrica, rappresenta una importante opportunità anche per la produzione di calore industriale e può contribuire significativamente a ridurre l’utilizzo di combustibili fossili e le relative emissioni in molte lavorazioni industriali.
Dopo anni di sperimentazioni e dimostrazioni con forte contributo dell’ENEA, la tecnologia solare a concentrazione ha raggiunto un livello di maturità e affidabilità tale da renderla proponibile in campo industriale e interessante anche dal punto di vista economico. A seguire si tratteggia lo stato di tale tecnologia, le possibili applicazioni per la fornitura di calore industriale, alcuni esempi, tra cui una applicazione innovativa sviluppata dall’ENEA per la produzione di idrogeno, e alcune considerazioni sui costi.
Il ruolo delle tecnologie solari termiche
L’utilizzo dell’energia solare negli ultimi anni ha avuto un significativo sviluppo, grazie soprattutto alla forte riduzione di costi del fotovoltaico. Più limitato, ma non trascurabile, è stato lo sviluppo delle tecnologie solari termiche e soprattutto dei sistemi a concentrazione, che presentano un potenziale di sviluppo di tutto rispetto nel settore industriale, dove possono contribuire alla riduzione delle emissioni di CO2 diminuendo l’utilizzo di combustibili fossili in molte lavorazioni.
La concentrazione dell’energia solare consente di ottenere calore a temperature via via crescenti all’aumentare del rapporto di concentrazione. Chiaramente l’aumento di temperatura comporta una maggiore complessità di impianto e costi più elevati. Tuttavia molte lavorazioni industriali richiedono temperature non particolarmente alte, per le quali sistemi a concentrazione adatti per tali temperature e opportunamente ottimizzati possono rappresentare un’opzione economicamente percorribile.
L’utilizzo delle tecnologie solari a concentrazione per la produzione di calore di processo, oltre che per la dissalazione e per il raffrescamento, è una opzione particolarmente attuale e fattibile per il territorio italiano. L’ENEA è fortemente impegnato su questo tema, che costituisce uno degli elementi principali delle proprie strategie di ricerca e sviluppo.
Una tecnologia che si affaccia a un nuovo inizio
Lo sviluppo commerciale recente delle tecnologie solari a concentrazione (Solare Termodinamico o, in inglese, Concentrating Solar Power – CSP) risale agli anni ’80 dello scorso secolo quando, a seguito delle attività di ricerca stimolate dagli shock petroliferi, venne portata a termine la costruzione di 9 impianti solari, per una potenza complessiva di 354 MW, nel deserto della California. Questi impianti, denominati SEGS (Solar Energy Generating Systems) sono stati progettati per produrre energia elettrica da immettere in rete e sono ancora in esercizio commerciale.
Col superamento degli shock petroliferi la costruzione di impianti solari a concentrazione ha subito una battuta di arresto, fino a quando, al mutare del secolo, la questione dei cambiamenti climatici e la conseguente necessità di limitare le emissioni di CO2 prodotte dai combustibili fossili, hanno posto nuovamente all’attenzione questi sistemi.
Dal 2000 la Spagna ha intrapreso un grosso programma di sviluppo di impianti solari a concentrazione per produzione elettrica, seguita dagli Stati Uniti. Più recentemente diversi altri Paesi, fra i quali Cina, Sud Africa, Cile, Arabia Saudita, Emirati Arabi, Marocco ed Egitto hanno intrapreso lo sviluppo commerciale di questi impianti, mentre la Germania ha sempre mantenuto una forte posizione in termini di ricerca e sviluppo tecnologico a supporto della propria industria.
Attualmente in Spagna sono operativi circa 2 GW di impianti solari a concentrazione per produzione elettrica, con potenze unitarie attorno ai 50 MW. Inoltre, in diverse località desertiche del Medio Oriente e del Sud America, sono programmati a breve termine grandi investimenti in impianti solari termodinamici, con costi di produzione molto competitivi e con la prospettiva di raggiungere ulteriori obiettivi di convenienza economica, come ad esempio il progetto di ACWA Power a Dubai, denominato Dubai’s Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, da 700 MW [2].
La seconda generazione: l’impianto “Archimede” in Italia
In Italia, nel 2001 è partito un progetto di ricerca dell’ENEA, finalizzato allo sviluppo e alla dimostrazione su scala industriale di impianti solari a concentrazione di seconda generazione per la produzione elettrica, in cui la collaborazione con l’industria nazionale ha permesso di sviluppare una filiera industriale basata sull’utilizzo di sali fusi come fluido termovettore e come mezzo di accumulo termico. Ciò ha portato Enel alla realizzazione dell’impianto “Archimede” da 5 MW, integrato con la centrale termoelettrica a ciclo combinato, alimentata a gas naturale, di Priolo Gargallo (Siracusa).
Gli impianti solari a concentrazione di seconda generazione si caratterizzano, oltre che per le migliori prestazioni, soprattutto per il superamento dei limiti posti dall’olio diatermico, utilizzato come fluido termovettore negli impianti di prima generazione. Infatti l’olio limita la temperatura massima di esercizio a meno di 400 °C e comporta rischi per la sicurezza e per l’ambiente, essendo altamente infiammabile ed inquinante. I sali fusi consentono di superare questi problemi, anche se comportano una maggiore complessità impiantistica.
La convenienza economica degli impianti a concentrazione per produzione di energia elettrica, a fronte della complessità tecnologica, è legata al fattore di scala, con taglia ottimale di ameno 50 MW, a cui corrisponde un’occupazione di suolo dell’ordine di 100 ettari. In Italia la costruzione di questi impianti ha concretamente posto problemi di accettabilità sociale e di vincoli autorizzativi. L’opzione dei grandi impianti, pur rimanendo aperta e spendibile soprattutto nel mercato di esportazione, è stata recentemente affiancata da una linea di sviluppo più orientata verso gli impianti solari a concentrazione di dimensioni medio-piccole; l’industria italiana ha già sviluppato componenti specifici (in particolare tubi ricevitori lineari e collettori lineari) per questo tipo di impianti ed è in grado di fornire sistemi completi di qualsiasi taglia. Ciò rende interessante l’ipotesi di applicare queste tecnologie per la fornitura di calore industriale.
Un punto di forza della tecnologia solare termodinamica, rispetto ad altre tecnologie solari, è il sistema di accumulo termico, di cui generalmente questi impianti sono corredati, che consente di superare la variabilità nell’energia solare nel ciclo giorno – notte e a causa delle condizioni meteorologiche, garantendo la fornitura di energia in base alle necessità di utilizzo.
La fornitura di calore industriale può arrivare al 33% dal Sole
Il calore di processo rappresenta più dei 2/3 del consumo energetico dell’industria e metà di questo calore è richiesto a temperature inferiori ai 400 °C. Attualmente il 40% circa dell’energia primaria consumata dall’industria è coperto dal gas naturale e un altro 40% circa da petrolio. Si stima che la quota da energia solare potrebbe raggiungere il 33% entro il 2030.
Le principali aree di applicazione del calore solare nell’industria sono: l’alimentare, le bevande, il tessile, il legno e la carta, in cui la temperatura richiesta è inferiore ai 250 °C. Altra importante applicazione è la refrigerazione con sistemi ad assorbimento.
Nella Figura 1 a seguire sono riportati alcuni processi industriali con corrispondente intervallo di temperature per il calore di processo ed il fluido termovettore.
Sono state sviluppate diverse concezioni di impianti solari a concentrazione per la fornitura di calore industriale, alcune basate sulla cogenerazione di energia elettrica ed energia termica, altre dedicate interamente alla fornitura di energia termica. Inoltre sono state sviluppate tecnologie per integrare in modo conveniente questi sistemi con generatori di calore convenzionali, in modo da limitare l’uso dei combustibili e ottenere maggiore versatilità del servizio.
La scelta del tipo di impianto va valutata in base alle esigenze del servizio richiesto ed in particolare alla temperatura richiesta dal processo industriale a cui si vuole fornire energia termica.
La Figura 2 schematizza le tecnologie solari e le applicazioni in funzione della temperatura.
Figura 2 – Temperature, tecnologie solari e applicazioni
Le realizzazioni in Italia
In Italia ci sono già diverse applicazioni di usi industriali del calore solare, di cui la maggior parte utilizzano collettori piani e tubi sottovuoto. Meno comuni sono i sistemi a concentrazione, tra questi è molto interessante l’inserimento di un impianto solare a concentrazioni con collettori a specchi lineari di Fresnel in un caseificio sardo con produzioni tradizionali.
L’impianto (nel video qui sopra) è stato realizzato da CSP-F Solar a servizio dell’azienda Nuova Sarda Industria Casearia di San Nicolò d’Arcidano, (Oristano). L’impianto, operativo dal 2015, produce calore per le lavorazioni dei formaggi, il raffrescamento e la generazione di energia elettrica. La superficie captante dei collettori è di circa 1000 m2, per una potenza termica di 470 kW. L’impianto, producendo vapore a 12 bar e 200 °C per una produzione di circa 500 MWh termici all’anno, copre il 35% dei consumi dello stabilimento. Il risparmio annuo di oltre 50 mila litri di gasolio evita il rilascio in atmosfera di 180 tonnellate di CO2.
Altri impianti per calore industriale sono stati realizzati da un’altra azienda italiana – Soltigua. I collettori lineari Soltigua (sia parabolici che Fresnel) sono in grado di produrre vapore o olio diatermico fino a temperature normalmente dell’ordine di 200-250 °C, ma che possono spingersi anche a livelli di 300 °C o superiori. Si tenga presente che 300 °C è, per esempio, il target del recente progetto europeo ORC-PLUS in Marocco a guida ENEA, che vede varie aziende italiane come fornitori (Enerray per l’ingegneria di sistema, Soltigua per il campo solare e Exergy per il ciclo ORC con turbina a flusso radiale da 1 MW).
Tra le numerose proposte in corso di sviluppo, di particolare interesse è il progetto di integrazione della produzione di energia termica e frigorifera della nuova centrale di cogenerazione ACEA di Tor di Valle con sistemi rinnovabili solari a concentrazione, di cui l’ENEA ha curato lo studio di fattibilità.
Reforming del metano: una applicazione innovativa con il progetto CoMETHy
L’ENEA ha recentemente sviluppato un’applicazione innovativa dell’utilizzo del solare a concentrazione per produzione di calore industriale; questa ricerca è stata sviluppata nell’ambito del progetto europeo CoMETHy e riguarda il processo di “steam reforming” del gas naturale per la produzione di idrogeno. L’idrogeno è un importante prodotto intermedio per l’industria chimica e sta assumendo crescente importanza anche in campo energetico. La sua produzione industriale si basa principalmente sul reforming del gas naturale, cioè la reazione del metano con il vapore d’acqua. Questo processo è altamente energivoro, sia per la produzione del vapore d’acqua, sia per il calore da fornire alla reazione chimica.
L’idea innovativa dell’ENEA è di utilizzare la tecnologia solare, già sviluppata e dimostrata con l’impianto Archimede, per fornire il calore necessario al processo secondo lo schema semplificato di Figura 4.
Il progetto CoMETHy ha ampliato l’ambito dell’innovazione nel settore attraverso la rivisitazione e l’ottimizzazione del processo di steam reforming con lo sviluppo di un reattore innovativo a membrana riscaldato con sali fusi dall’impianto solare; inoltre ha avuto un’importante ricaduta, avendo dimostrato la fattibilità tecnica, la funzionalità e in proiezione la convenienza economica dell’utilizzo di calore industriale da solare a concentrazione.
In particolare l’esperienza sviluppata nel progetto CoMETHy ha dimostrato, sia pure a livello prototipale, che non emergono particolari difficoltà nella realizzazione e nella conduzione dell’impianto. Anche i costi per la costruzione e la gestione dell’ impianto, al netto dei costi imputabili alle attività di ricerca e sviluppo, nonché alle ridondanze adottate nelle fasi di costruzione e di esercizio per le incertezze conseguenti alla realizzazione prototipale, comportano costi unitari di produzione dell’energia comparabili con quelli dei processi industriali tradizionali.
Costi e incentivi
Il costo di produzione dell’energia, insieme all’affidabilità del servizio, è l’elemento chiave per la diffusione degli impianti solari a concentrazione nella produzione di calore industriale. Uno degli elementi fondamentali per valutare la convenienza economica di queste applicazioni è il livello di temperatura a cui il calore è richiesto dalla lavorazione industriale, che condiziona la complessità dell’impianto e il suo costo. Nel campo delle temperature medio-alte, dai 120 °C in su, in cui si potrebbero utilizzare impianti solari a concentrazione, non c’è ancora un mercato consolidato di questi sistemi e dei loro componenti in quanto il numero di realizzazioni è ancora limitato e in diversi casi si tratta di prototipi o impianti dimostrativi.
Diversi fattori concorrono a determinare costi ancora elevati: l’incidenza dei costi di sviluppo, la produzione dei componenti in piccole serie, le ridondanze nella progettazione dovute alle incertezze e le procedure autorizzative ancora poco rodate. Questi costi tendano a scoraggiare nuove iniziative e a prolungare eccessivamente la fase pioneristica, anche se ci sarebbero già le condizioni tecniche per utilizzare convenientemente questa tecnologia. In una visione lungimirante occorre quindi considerare i costi al netto delle componenti che possono essere facilmente abbattute in vista di un mercato più consolidato.
Sulla base dell’esperienza realizzativa dell’ENEA, per impianti prototipali, per la produzione di energia termica a 550 °C nella taglia 3500 kW termici nominali, con accumulo termico di 4 ore, l’investimento risulta pari a 1700 €/kW termico nominale e, assumendo l’installazione in località con irraggiamento solare (DNI) di 1600 kWh/m2/anno, la produttività annuale è pari a 2750 kWh per kW installato e il costo di produzione risulta pari a 9,7 c€/kWh termico.
Per una applicazione commerciale l’investimento potrebbe facilmente ridursi a 1400 €/kW termico nominale e il costo di produzione dell’energia a 5,8 c€/kWh termico. Tale costo è comparabile con quello del gas naturale per usi industriali, che varia da 2,70 a 7,33 c€/kWh in funzione degli scaglioni di consumo (fonte: Autorità Energia Elettrica e Gas).
La tabella in Figura 5 riepiloga le valutazioni svolte.
(1) Dati a consuntivo ENEA 2017
(2) Elaborazioni ENEA
(3) Elaborazione AEEGSI su dati Eurostat (https://www.autorita.energia.it/it/dati/gpcfr2.htm)
Il costo stimato potrebbe essere ancora più basso se si tiene conto delle specificità dell’installazione e degli incentivi applicabili. Nel caso frequente in cui occorre produrre energia termica a 300 °C, invece che a 550 °C come ipotizzato nell’esempio, sia il costo di investimento che di quello di produzione dell’energia verrebbero avvantaggiati dalla minore complessità impiantistica, dal minor costo dei componenti e da esercizio e manutenzione meno onerosi. Inoltre se l’irraggiamento solare nella località di installazione dell’impianto è maggiore dei 1600 kWh/m2/anno ipotizzati, la maggiore produttività diminuirebbe il costo unitario.
Queste ipotesi vanno valutate nei singoli casi; si può comunque ritenere, in linea generale, che le condizioni di convenienza economica di questi impianti siano agevolmente raggiungibili con opportune scelte progettuali. Per quanto riguarda gli incentivi, la normativa nazionali prevede il “conto termico”, con contributi in conto capitale per 5 anni, o in alternativa i certificati bianchi, in proporzione all’energia primaria risparmiata.
Conclusioni
Sebbene ci sia un elevato potenziale di sfruttamento dell’energia solare a concentrazione per la produzione di calore di processo nelle industrie, la capacità installata in Italia finora è relativamente piccola.
Diverse preoccupazioni portano spesso a escludere questa scelta, in particolare:
• difficoltà di integrazione tra impianti solari e impianti produttivi;
• elevati costi di impianto e di esercizio;
• complessità di conduzione e di manutenzione;
• limitata offerta di componenti e impianti completi.
L’esperienza realizzativa dell’ENEA dimostra invece che anche in un caso complesso, come un impianto innovativo, la fornitura del calore di processo può essere agevolmente attuata con la tecnologia solare a concentrazione, senza particolari problemi di integrazione e di esercizio. I costi di questa opzione, depurati delle componenti abbattibili, risultano comparabili con le soluzioni tradizionali e, attraverso gli incentivi, possono essere anche competitivi. Gli aspetti economici e funzionali costituiscono la condizione di base per l’affermazione di questa tecnologia, ma ci sono altri vantaggi da tenere presenti, come l’eliminazione delle emissioni gassose e l’indipendenza della fornitura energetica dai combustibili. Quest’ultimo aspetto può essere importante nel caso di stabilimenti non serviti da reti metano, in cui i costi di trasporto e stoccaggio dei combustibili possono essere rilevanti.
Riferimenti
[1] T. Crescenzi, M. Falchetta, A. Fontanella, E. Metelli, A. Miliozzi, F. Spinelli, L. Sipione – Opportunità di applicazione delle tecnologie solari termodinamiche in Italia – ENEA 2016 – ISBN: 978-88-8286-355-7. e anche http://www.enea.it/it/pubblicazioni/pdf-volumi/v2016-applicazione-tecnologie-solari.pdf
[2] CSP costs set to fall below $ 50/MWh in 2018
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ENEA
“L’ENEA è l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile, ente di diritto pubblico finalizzato alla ricerca, all’innovazione tecnologica e alla prestazione di servizi avanzati alle imprese, alla pubblica amministrazione e ai cittadini nei settori dell’energia, dell’ambiente e dello sviluppo economico sostenibile (art. 4 Legge 28 dicembre 2015, n. 22).”
ENEA dispone di personale altamente qualificato, laboratori avanzati, impianti sperimentali e strumentazioni di eccellenza per la realizzazione di progetti, studi, prove, valutazioni, analisi e servizi di formazione con particolare riferimento all’innovazione di prodotto e di processo e alla valorizzazione dei risultati per contribuire allo sviluppo e alla competitività del Sistema Paese.
Sin dalla nascita negli anni ’60, i suoi punti di forza sono la ricerca applicata, il trasferimento tecnologico e l’assistenza tecnico-scientifica a imprese, associazioni, territori, amministrazioni centrali e locali: anche per questo, diversamente da altri enti di ricerca, il riferimento istituzionale è il Ministero dello Sviluppo economico.
I settori di specializzazione sono le tecnologie energetiche (fonti rinnovabili, accumuli, reti intelligenti) dove l’Agenzia è anche il coordinatore del Cluster Tecnologico Nazionale Energia, la fusione nucleare e la sicurezza (dove l’Agenzia è coordinatore nazionale per la ricerca), l’efficienza energetica (con l’Agenzia Nazionale per l’efficienza), le tecnologie per il patrimonio culturale, la protezione sismica, la sicurezza alimentare, l’inquinamento, le scienze della vita, le materie prime strategiche, il cambiamento climatico. Fra i temi emergenti anche l’economia circolare che vede ENEA candidata ad Agenzia Nazionale per l’uso efficiente delle risorse e la mobilità sostenibile.
Per rafforzare le sue attività, ENEA collabora con numerosi enti e istituzioni di ricerca nazionali e internazionali quali Texas Tech University, Standford Research Institute, New Delhi University, l’Accademia delle Scienze cinese, ICTP, TWAS, e partecipa a piattaforme tecnologiche e network quali EERA (European Energy Research Alliance), ECRA (European Climate Research Alliance), MEDENER ed Enterprise Europe Network, la più grande rete di servizi a sostegno della competitività e dell’innovazione per le PMI.
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