Gli impianti solari termici, noti anche come sistemi di energia solare (CSP), sono emersi come una pietra angolare della generazione di energia rinnovabile su scala di utilità. Utilizzando specchi o lenti per concentrare la luce solare, questi impianti producono calore ad alta temperatura che spinge una turbina a vapore convenzionale o un motore di calore a generare energia elettrica.

Recenti sviluppi tecnologici in Solar Thermal Storage

L'ultimo decennio ha assistito ad un aumento dell'innovazione finalizzato a migliorare l'efficienza, il costo e la durata dell'immagazzinamento termico per impianti CSP. Originariamente dominato da sistemi di sale fuso a due cavi indiretti (dove il calore viene trasferito da un fluido di trasferimento termico a sale), l'industria sta ora esplorando configurazioni di stoccaggio dirette, formulazioni salite avanzate e supporti a stato solido.

Fluidi di sale e alternative ad alta temperatura

I sali di nitrato tradizionali (una miscela di nitrati di sodio e di potassio) operano fino a circa 565°C. Le miscele di sale a base di cloruro più recenti, come quelle sviluppate al National Renewable Energy Laboratory] (]]NREL), possono sopportare temperature superiori a 700°C.

Materiali di cambiamento di fase avanzata

I materiali di cambiamento di fase (PCM) immagazzinano il calore latente durante la fusione e lo rilasciano su solidificazione, offrendo una maggiore densità di energia e temperature di scarico stabili rispetto a un deposito termico sensibile. I recenti prototipi incorporano schiuma di metallo e matrici di grafite per migliorare la conducibilità termica—una limitazione critica di molti PCM. Ad esempio, i PCM incapsulati in conchiglie sferica (diametro da 0,5-10 mm) sono testati in sistemi di stoccaggio a 30-basso di dimensioni inferiori.

Conservazione termochimica

Anche se ancora nella fase di ricerca e pilota, lo stoccaggio termochimico (TCS) rappresenta la frontiera di stoccaggio a lunga durata, ad alta densità. TCS sfrutta le reazioni chimiche reversibili (ad esempio, la riduzione dell'ossido di metallo/ossidazione o la dissociazione/sintesi dell'ammoniaca) per immagazzinare e rilasciare calore.

Tipi chiave di soluzioni di stoccaggio termico

Lo stoccaggio integrato negli impianti CSP è suddiviso in tre categorie principali, ciascuna con caratteristiche operative distinte e maturità di sviluppo.

Conservazione di calore sensibile

Questa è la tecnologia più utilizzata, basandosi sul cambiamento di temperatura di un mezzo di stoccaggio (solido o liquido) per mantenere l'energia. Lo stoccaggio indiretto del sale Molten (standard corrente) utilizza un fluido di trasferimento termico come olio sintetico per riscaldare due serbatoi di sale.

Conservazione del calore latente

I sistemi di stoccaggio del calore latente utilizzano PCM che assorbiscono o rilasciano il calore durante le transizioni di fase (solid-liquido o solido). I candidati comuni PCM includono nitrato/nitrito eutettica del sale, cloruro di magnesio esaidrato, e anche metalli fusi.

Conservazione termochimica

Come descritto sopra, TCS lega il calore in legami chimici reversibili. Mentre ancora pre-commerciale, mantiene la promessa enorme per temperature molto elevate (sopra 800 °C) e stoccaggio a lunga durata (giorni a mesi). Le reazioni a gas solido (ad esempio, ossido di calcio + acqua ↔ idrossido di calcio, o metallo + ossigeno ↔ ossido di metallo) richiedono robusti progetti di reattore per gestire grandi cambiamenti di volume e garantire la stabilità del materiale.

Vantaggi di stoccaggio integrato per le piante CSP

L'integrazione dell'archiviazione termica trasforma CSP da un generatore intermittente in una fonte di energia flessibile e dispandibile che può sostenere il fotovoltaico e il vento. I vantaggi si estendono oltre l'affidabilità per includere vantaggi economici, griglia e ambientali.

  • Alimentazione costante:[] Le piante possono generare elettricità anche dopo il tramonto o durante i periodi nuvolosi. Il Noor Ouarzazate complesso in Marocco, con fino a 7.5 ore di stoccaggio, fornisce energia bene nella notte. Alcune piante, come ottengono quasi il funzionamento del Cile Dominador[
  • Il trasporto di carichi:[] L'energia termica immagazzinata può essere spedita quando la domanda – e i prezzi dell'elettricità – sono più elevati. In molti mercati, il CSP con stoccaggio guadagna più ricavi rispetto al fotovoltaico solare da solo perché può fornire picchi serali (5-10).
  • Ridotto Fossil Fuel Backup:[ Nelle regioni con elevata penetrazione solare, CSP con stoccaggio può spostare impianti di picchi di gas naturali. Uno studio NREL[ ha scoperto che, tra cui il 10% di stoccaggio CSP in una griglia ad alta rinnovabile potrebbe tagliare la domanda di gas naturale per bilanciare del 30%.
  • Grid Stability and Ancillary Services:[] Gli impianti CSP con storage possono fornire inerzia, regolazione della frequenza e supporto alla tensione—characteristics che sono impegnativi per le rinnovabili inverter-based. Il gigante DEWA CSP Park] a Dubai (950 MW totale) è stato progettato per fornire la capacità rinnovabile di notte.
  • Costo livellato inferiore dell'elettricità (LCOE): Mentre il costo upfront di CSP con lo storage rimane superiore al fotovoltaico solare, il valore della potenza dispacciabile rende spesso l'LCOE competitivo quando i contratti a lungo termine o i costi di integrazione della rete sono considerati.

Case Studies: Integrazione riuscita dello Storage in CSP

Diversi impianti commerciali dimostrano la maturità e l'affidabilità del CSP con storage integrato, servendo come progetti per i futuri progetti.

1. Pianta termale solare Gemasolar (Spagna)

Dal 2011, l'impianto Gemasolare da 19.9 MW a Fuentes de Andalucía è stato il primo impianto commerciale CSP ad utilizzare il sale fuso sia come mezzo di trasporto termico che come mezzo di stoccaggio. La sua capacità di stoccaggio di 15 ore consente un funzionamento continuo di 24 ore durante i mesi estivi. Gemasolar ha raggiunto un fattore di capacità superiore al 70% in alcuni anni, dimostrando che la potenza di base rinnovabile Doload è possibile.

2. Noor Ouarzazate Complex (Marocco)

Questo complesso di 580 MW, che comprende quattro fasi (Noor I-IV), integra la tromba parabolica (Noor I e II, 3-7 ore di stoccaggio), una torre di alimentazione (Noor III, 7 ore di stoccaggio), e PV (Noor IV). Noor III, con la sua 7 ore di stoccaggio di sale fuso, è stata la torre più grande del mondo con stoccaggio al suo completamento (2018).

3. Progetto di energia solare delle dune di Crescent (USA, ritorto)

L'impianto di 110 MW Crescent Dunes in Nevada, che è venuto online nel 2015, ha originariamente utilizzato una torre di sale fusa con 10 ore di stoccaggio. Nonostante le sfide tecniche e finanziarie, è diventato un banco di prova per le innovazioni nel ricevitore e nella gestione del calore. Nel 2022, è stato acquisito e ristrutturato da un nuovo operatore. Le lezioni apprese dai suoi primi problemi operativi hanno informato i progetti di ricevitore, la gestione della chimica del sale e i sistemi di controllo per i nuovi progetti.

Impatto economico e ambientale

La combinazione di CSP e storage crea un valore economico e ambientale sostanziale, soprattutto nelle regioni a cinta solare con elevata irradiazione diretta normale (DNI).

Tendenze dei costi

Secondo IRENA], l'obiettivo globale di media ponderati per CSP è sceso da $0.346/kWh nel 2010 a $0.108/kWh nel 2019. Le piante premiate nelle ultime aste (per esempio, Cile, Dubai, Cina) hanno raggiunto lo storage LCOEs inferiore a $0.07/k50 più grandi

Vantaggi ambientali

I sistemi di raffreddamento a secco e di raffreddamento a secco di carbone e di carbone sono stati oggetto di un'analisi del ciclo di vita condotta dall'Istituto di raffreddamento a secco di Fraunhofer per i sistemi di energia solare[, che ha ridotto il consumo di gas a energia solare, rispetto a ~5.

Creazione di posti di lavoro e industria locale

Gli impianti di stoccaggio CSP richiedono competenze diverse: ingegneria, produzione (mirrori, tubi, sali), costruzione e operazioni a lungo termine. Una torre CSP da 100 MW con 10 ore di stoccaggio può creare circa 1.500 lavori di costruzione e 50-60 lavori di funzionamento permanenti. Molti componenti possono essere fonte localmente - ad esempio, serbatoi di acciaio, sale da miniere vicine e cemento - sostenendo la produzione interna.

Tendenze future di Outlook ed emergenti

La traiettoria per CSP con storage integrato è luminosa, con diverse innovazioni trasformative all'orizzonte.

Cicli di potenza CO2 supercritici

Sostituzione del ciclo di vapore Rankine con un CO2 supercritico a ciclo chiuso (sCO2) Brayton permette maggiori efficienze termiche (45-50%) e turbomacchine più piccole.

Ibrido CSP-PV-Battery Plants

Sempre più spesso, gli sviluppatori combinano CSP con fotovoltaico solare e accumulazione batteria per ottimizzare i costi e la dispandibilità. Le impugnature fotovoltaiche sole di picco diurno a basso costo, CSP con sale fuso fornisce energia serale e notturna, e le piccole batterie coprono rampe transitorie.

Gemelli digitali e ottimizzazione dell'intelligenza artificiale

Gli operatori stanno implementando gemelli digitali – repliche virtuali dello stabilimento CSP – che utilizzano previsioni meteo in tempo reale, segnali di griglia e livelli di storage per ottimizzare la spedizione.

Stoccaggio a lunga durata oltre 24 ore

Si stanno esplorando concetti di stoccaggio stagionali utilizzando TCS o idrogeno da elettrolisi azionata da CSP, ad esempio il progetto [HYDRA[[]] mira a dimostrare un prototipo TCS da 100 kWh in grado di immagazzinare il calore solare dall'estate all'inverno.

Con il superamento dell'intermittenza, offrono agli operatori di rete e alle utenze un percorso collaudato per sostituire il carico base fossile-fuel. Con la continua R&D in sali avanzati, materiali di cambiamento di fase, stoccaggio termochimico e impianti ad alta efficienza, CSP con stoccaggio è impostato per occupare un portafoglio di distribuzione essenziale.