Il ruolo critico dello stoccaggio dell'energia termica nelle centrali solari concentrate moderne

Gli impianti di energia solare concentrati (CSP) rappresentano una delle forme più scalabili e dispandibili della generazione di energia rinnovabile. A differenza dei sistemi fotovoltaici che convertono la luce solare direttamente in elettricità, gli impianti CSP utilizzano specchi o lenti per concentrare la luce solare su un ricevitore, generando calore ad alta temperatura che alimenta un generatore di turbine convenzionale.

Che cosa è stoccaggio di energia termica e perché si fa la materia?

Lo stoccaggio dell'energia termica cattura l'energia termica in eccesso prodotta durante i periodi di elevata irradiazione solare e la tiene per un uso successivo. In un contesto CSP, questo calore immagazzinato può essere disegnato per generare turbine a vapore e a corsa per ore dopo che il sole ha impostato o durante la copertura del cloud intermittente. Il principio principale è semplice: convertire la luce solare in calore, immagazzinare che il calore in un mezzo con alta capacità termica e bassa perdita di calore, quindi rilasciarlo quando è più necessario.

Senza stoccaggio, un impianto CSP opera solo quando il sole splende – di solito 2.000 a 2.500 ore equivalenti di carico pieno all'anno. Con un adeguato TES, che può essere più che raddoppiato, raggiungendo 5.000–6.000 ore. Questo miglioramento dell'utilizzo riduce radicalmente il costo livellato di energia elettrica (LCOE) e rende il CSP competitivo con impianti di picco a frequenza fossile.

I principali progetti CSP in tutto il mondo, come il complesso Noor Ouarzate in Marocco[ e il [Crescente Dunes pianta in Nevada[, dimostrano il potenziale reale del TES. Queste strutture incorporano lo stoccaggio di sale fuso che permette loro di generare energia bene nella notte, spesso funzionando 24 ore su 24 ore su 24.

Come TES migliora l'efficienza CSP: un vantaggio multidimensionale

I guadagni di efficienza dall'integrazione di TES con CSP non sono limitati a gestire la turbina più a lungo. Essi si verificano in settori termici, elettrici ed economici. Di seguito sono i meccanismi principali attraverso i quali TES aumenta le prestazioni complessive dell'impianto.

Fattore di potenza esteso e capacità

Un impianto CSP con 8-12 ore di sale fuso TES può raggiungere un fattore di capacità del 50–70%, rispetto al 20–25% senza stoccaggio. Questa generazione estesa significa che lo stesso campo solare e blocco di energia producono molto più megawatt-hours all'anno, diffondendo i costi di capitale fissi su una maggiore produzione di energia e abbassando LCOE.

Rettificabilità e disabilità

Le reti elettriche richiedono un costante equilibrio tra domanda e offerta. Le risorse solari e e i venti sono variabili, ma il CSP con TES può essere spedito al comando. Gli operatori delle piante possono immagazzinare il calore durante il giorno, tenerlo e rilasciarlo durante il picco serale quando i prezzi dell'elettricità sono più alti. Questa dispaccibilità riduce la necessità di impianti di picco del gas naturale e aiuta gli operatori di rete a gestire eventi di rampa.

Miglioramento dell'utilizzo del calore e riduzione delle perdite parassitarie

In uno stabilimento CSP senza stoccaggio, il blocco di potenza deve essere dimensionato esattamente al picco di uscita termica dal campo solare. Spesso la turbina viene utilizzata a carico parziale durante la mattina o nel tardo pomeriggio, riducendo l'efficienza. TES funge da tampone termico, permettendo al campo solare di essere sovradimensionato rispetto alla turbina. La turbina può quindi operare al suo punto di progettazione per più ore al giorno, ottimizzando il ciclo termodinamico.

Riduzione dei costi attraverso una migliore integrazione

TES riduce anche il costo delle apparecchiature a valle. Poiché il blocco di potenza può essere più piccolo rispetto al campo solare, le spese di capitale per turbine, generatori e sistemi di raffreddamento diminuiscono. Il mezzo di stoccaggio stesso, il sale tipalmente fuso, è relativamente poco costoso (circa $25–$50 per kWh termico), rendendolo un modo economico per memorizzare grandi quantità di energia.

Flessibilità avanzata nella progettazione di impianti

Con TES, gli impianti CSP possono essere configurati per soddisfare diverse esigenze di griglia. Ad esempio, un impianto potrebbe essere progettato per fornire potenza di carico di base (con >12 ore di stoccaggio) o per servire come impianto di picco con solo 4-6 ore di stoccaggio. Questa modularità consente agli sviluppatori di personalizzare i progetti alle risorse solari locali, alle strutture di mercato elettrico e alle esigenze di utilità.

Tipi di tecnologie di stoccaggio dell'energia termica

La scelta della tecnologia di stoccaggio dipende dalla portata di temperatura, dalla durata di stoccaggio, dal costo e dalla compatibilità con il ciclo di alimentazione. Le tre categorie principali utilizzate in CSP sono l'immagazzinamento termico sensibile, l'immagazzinamento termico latente e lo stoccaggio termochimico.

Conservazione di calore sensibile

Il materiale più comune è una miscela di 60% di nitrato di sodio e 40% di nitrato di potassio, noto come " sale solare". Questi sali sono liquidi sopra i 220°C e stabili fino a 565°C, rendendoli ideali per l'accoppiamento con cicli di vapore superriscaldato. In un tipico sistema di stoccaggio a due cavi, il sale caldo dal ricevitore viene pompato a giorno di scambio di calore.

Anche se meno costoso del sale fuso, i solidi soffrono di minori tassi di trasferimento termico e di alte oscillazioni di temperatura, che possono ridurre l’efficienza del ciclo. Tuttavia, la ricerca continua a istituzioni come l’Ufficio delle tecnologie energetiche solari per ottimizzare la prossima generazione di TES a media solida per il Dipartimento dell’energia solare ].

Conservazione del calore latente

Lo stoccaggio termico latente sfrutta l'intalpia del cambiamento di fase, che si fonde o solidifica, per immagazzinare grandi quantità di energia a temperatura quasi costante. I materiali di cambiamento di fase (PCM) come sali fusi, metalli o miscele eutettiche possono immagazzinare 5-10 volte più energia per chilogrammo rispetto allo stoccaggio sensibile su una gamma di temperature ristrette.

Conservazione termochimica

Lo stoccaggio termochimico comporta reazioni chimiche reversibili che assorbono il calore durante la reazione endotermica e lo rilasciano durante la reazione inversa esotermica. Esempi includono cicli di ossido di metallo redox (ad esempio, ossido di cobalto, ossido di manganese) e l'idratazione/deidratazione dei sali.

Integrazione di TES con CSP Plant Architectures

L'efficienza del TES non è determinata esclusivamente dal supporto di stoccaggio; dipende anche da come il sistema di stoccaggio è integrato con il campo solare e il blocco di potenza.

Piante di tosse di Parabolic

I sistemi di troughe paraboliche utilizzano specchi lunghi e curvi per concentrare la luce solare su un tubo di ricevitore contenente un fluido di trasferimento di calore (HTF), olio di sintesi. L'olio raggiunge circa 390°C e scorre su un insieme di scambiatori di calore per generare vapore.

Piante di torre di energia solare

I sistemi di torretta utilizzano un campo di eliostato che riflette la luce solare in un ricevitore centrale in cima a una torre. Il ricevitore può riscaldare il sale fuso direttamente a 565°C, eliminando la necessità di un HTF intermedio. Questa configurazione di stoccaggio diretto è più efficiente perché il sale stesso serve sia come fluido di trasferimento termico che il mezzo di stoccaggio. Il sale caldo scorre direttamente dal ricevitore in un serbatoio di stoccaggio caldo, e quando necessario, scorre attraverso un generatore di vapore.

Fresnel lineare e Stimolo Dish

I riflettori lineari Fresnel sono una tecnologia CSP di nicchia che utilizza specchi piatti o quasi piatti per focalizzare la luce solare su un ricevitore lineare. Sono meno efficienti rispetto ai trozzi ma più economici da costruire. L'integrazione TES è possibile ma limitata dalla temperatura di funzionamento relativamente bassa (circa 270°C). I sistemi di di scorrimento a bassa velocità utilizzano una luce parabolica per focalizzare la luce solare su un motore di scorrimento al punto focale.

Impatto economico e ambientale di TES in CSP

Mentre aumenta il costo del capitale di fronte del 30–60%, l’aumento della produzione energetica annuale spesso produce un LCOE inferiore. Il programma SunShot del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fissato un obiettivo di $0.05/kWh per CSP con stoccaggio entro il 2030, e molti analisti ritengono che questo sia realizzabile con progetti TES avanzati e scale di impianti più grandi.

L'ambiente, il CSP con TES offre vantaggi unici su altre rinnovabili. Poiché può fornire energia ferma e dispandibile, può spostare impianti di combustibili fossili che altrimenti si sarebbero svolti durante i picchi serali. Le emissioni di gas serra del ciclo di vita del CSP con stoccaggio di sale fuso sono circa 10-20 g CO2e/kWh, rispetto ai 400+ g/kWh per il gas naturale e 800+ g/kWh per il carbone.

Le direzioni future e le innovazioni emergenti

La ricerca sta spingendo TES oltre i limiti della tecnologia del sale fuso corrente. Lo stoccaggio ad alta temperatura con metalli liquidi (sodio, piombo) o ceramiche avanzate potrebbe consentire alle piante CSP di operare a oltre 800 °C, consentendo cicli Brayton con turbine a gas per efficienze superiori al 50%. Il programma Gen3 CSP negli Stati Uniti sta sviluppando attivamente ricevitori a base di particelle e stoccaggio che utilizzano particelle di media dimensione di stoccaggio.

Un altro viale promettente è l'ibridazione del CSP con altre tecnologie di storage. Ad esempio, l'integrazione di TES con batterie agli ioni di litio può fornire sia capacità ad alta potenza (batteria) che a lunga durata (TES). Analogamente, i cicli di potenza-a-riscaldamento-potenza che utilizzano lo storage termico a basso costo per sostenere grandi impianti fotovoltaici stanno esplorando per la rassodamento a scala di gasolio.

Conclusioni

Per gli impianti di energia solare concentrata, lo stoccaggio termico non è solo un componente aggiuntivo; è una tecnologia trasformativa che sblocca il pieno potenziale dell'energia termica solare. Con l'estensione della produzione di energia, la dispacciabilità della griglia e l'efficienza termica migliorata, TES eleva il CSP da una fonte intermittente ad un asset affidabile e compatibile con il carico di base.