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Titolo: Accumulo termico per traslare offerta solare verso la domanda

[Attenzione: circa 230 righe e 10 kB]
 
La fonte solare e' massima durante le ore diurne vicine al
mezzogiorno, diciamo da 3 ore prima a 3 ore dopo.
Quella e' la zona di picco della produzione solare.
 
La domanda di energia si concentra in due picchi:
* intorno alle ore 12
* intorno alle ore 21-22
 
Il picco piu' "largo" e "alto" e' il secondo, e quindi il
grosso dell'energia e' richiesto li'.
 
Prendiamo, ad esempio, il dato di ieri, domenica 17/5:
 
11:00 26,53 GW
12:00 26,02 GW
13:00 27,09 GW
14:00 25,40 GW
 
Abbiamo cioe' circa 2 GW in piu' richiesti per 3 ore, che con un
calcolo spannometrica ci da' una domanda di 6 GW*h
 
20:00 27,14 GW
21:00 28,78 GW
22:00 29,04 GW
23:00 27,36 GW
24:00 25,01 GW
 
Possiamo vedere cica 4 GW in piu' richiesti per 4 ore, che
spannometricamente di danno 16 GW*h.
 
I due calcoli sono crudi, il risultato un po' "gonfiato", ma avendo
usato lo stesso metodo, la proporzione e' salva. E possiamo vedere
che nelle ore serali, il picco e' piu' goloso, richiede circa 3 volte
piu' energia che il picco meridiano.
 
Ed e' un picco che inizia alle ore 20:00, quando di luce c'e' ne
poca (l'occhio umano si adatta, e dice che c'e' ancora luce,
ma i misuratori del fotovoltaico piangono).
 
La conclusione significa che, in una ipotesi futura di rendere il solare
un pilastro della generazione italiana (ma sospetto che ci sia chi
depreca tale ipotesi, contento che il solare contribuisca solo per
un 10%), dobbiamo calcolare che circa 3/4 della produzione solare
potenziata debba essere traslata dalle ore meridiana alla ore serali.
 
Prendiamo il giovedì scorso. Qui i numeri sono diversi:
 
09:00 36,95 GW
10:00 39,20 GW
11:00 39,56 GW
12:00 39,29 GW
13:00 37,82 GW
14:00 37,16 GW
15:00 37,59 GW
16:00 37,50 GW
17:00 37,19 GW
18:00 36,97 GW
 
In questo caso il solare copre bene una domanda disposta come una
larga collina, durante tutte le ore di luce.
Ma poi:
 
21:00 37,97 GW
22:00 36,98 GW
 
c'e' una ripresa serale della domanda; e' modesta, ma l'energia solare
non c'e' piu'. E quindi in ogni caso c'e' una domanda serale da coprire.
E' vero pero' che in questo mese l'uso del condizionatore, se c'e', non
avviene di certo di sera. Ed infatti, in un mese come agosto, anche
durante tutti i giorni feriali, si rispecchia una situazione come la
domenica di ieri.
 
Mostrata l'utilita' di traslare una parte della offerta di energia
solare meridiana verso le ore solari, non resta che esaminare due
modalita' per ottenere la traslazione, ambedue usando l'accumulo
termico.
 
-------------------- esempio pratico ------------------------
 
Prendiamo un caso reale: la Centrale di Generazione Solare di Solana,
in Arizona.
Un impianto in un sito diverso da quelli soliti della California o
del Nevada.
La centrale e' stata costruita da una filiale USA (Abengoa Solar)
della azienda spagnola Abengoa. Essa ha due unita' da 140 MW di
potenza e trasmette una potenza netta in uscita di 250 MW. Puo'
sostenere tale produzione fino a 6 ore senza la presenza del Sole,
per un totale di capacita' di accumulo di 1'500 MW*h.
La produzione negli ultimi tre anni ha superato i 700 GW*h all'anno.
Per 5 mesi, la produzione mensile e' di circa 90 GW*h al
mese o di piu'. Il che significa mediamente 3 GW*h al giorno,
cioe' 3'000 MW*h. Considerando la capacita' di 1'500 MW*h, ne
viene fuori che meta' della energia catturata dal Sole durante un
giorno, viene mandata subito in rete, mentre l'altra meta' viene
messa da parte.
 
Occupa 780 ettari di superficie, incluso la sezione di accumulo
di energia sotto forma di calore in serbatoi a sali fusi.
Nel 2019 la produzione annua e' stata pari a circa 1 GW*h/ettaro.
 
Questo e' cio' che puo' dare il solare termodinamico con il suo
accumulo termico diretto dell'energia solare, senza trasformazioni
intermedie, salvo l'ultima, quella in energia elettrica.
 
 
Prendiamo ora il fotovoltaico, con simili requisiti: 250 MW di
potenza AC e 1'500 MW*h di accumulo di energia elettrica
equivalente. Notare il valore irraggiungibile con le batterie,
o almeno non mi risulta che sia mai stato fatto di tale capacita',
quindi e' necessario un altra tecnologia, come appunto
l'accumulo termico ad alta temperatura citato in una precedente
discussione. L'idea e' quella di usare un surplus di energia
fotovoltaica, trasformarla in calore per effetto Joule e
accumlare il calore ottenuto. Poi il calore sara' usato, tramite
un convenzionale impianto turbo-vapore per produrre energia
elettrica. Per fortuna, l'utilizzo di energia elettrica per
produrre calore ci permette di raggiungere qualsiasi temperatura
compatibile con i materiali a disposizione. Essendo l'efficienza
della conversione da calore a energia elettrica, piu' alta a
partire da fonti di calori a piu' alta temperatura, useremo
un accumulo ad alta temperatura, almeno 1000 Celsius. Con
queste condizioni, la tecnologia esistente raggiunge efficienze
del 60%, usando un impianto a ciclo combinato, prima una turbina
a ciclo brayton che ricevendo l'aria a 1000 Celsius, ne converte
circa un terzo dell'energia in elettricita', lasciando una
temperatura agli scarichi di almeno 600 Celsius, il che permette
la massima efficienza da un ciclo a vapore in cascata. Tenendo
conto delle perdite dei recuperatori di calore a valle della
turbina (lo scambio di calore da aria a vapore non e' un
processo al 100% di efficienza, volendo lavorare in tempi rapidi)
si arriva appunto al 60% di efficienza menzionato. Per semplicita'
riteniamo risibile la perdita di energia del ciclo di accumulo
(trasformazione in calore --> dispersioni durante la fase di
immagazzinaménto). Quindi possiamo presumere che ogni MW*h
termico = un MW*h elettrico in ingresso.
Dato il requisito di 1500 MW*h elettrici equivalenti in uscita,
l'efficienza di conversione del 60% ci indica un fabbisogno di:
 
1500 / 0,60 = 2'500 MW*h dalla sezione fotovoltaica
 
Inoltre dobbiamo produrre 1'500 MW*h da consegnare direttamente
alla rete elettrica durante le ore di luce. La produzione
giornaliera media durante i 5 mesi "buoni" quindi deve essere
di almeno 1'500 + 2'500 = 4'000 MW*h. I 1'000 MW*h in piu'
rispetto al solare termodinamico e' lo scotto che paga il
fotovoltaico nella conversione in calore e poi riconversione
in energia elettrica durante le ore serali.
 
I dati reali li prendo dal Progetto Solare Agua Caliente che si
trova a 48 km a ovest di Solana e quindi gode di una simile
insolazione.
 
La potenza e' di 290 MW(AC), quindi abbiamo soddisfatto il
requisito di potenza, ma ci serve quello di produzione, cioe'
di 4 GW*h/giorno.
 
La produzione durante i 5 mesi migliori e' in media di quasi
70 GW*h al mese che fanno 2,33 al giorno. Per arrivare a
4 GW, dobbiamo aumentare il numero di moduli di 4/2,33 = 1,7
volte.
 
L'occupazione e' di 750 ettari. Un aumento proporzionale dei
moduli implica un aumento corrispondente della occupazione,
quindi 750 * 1,7 = 1'275 ettari.
 
 
In conclusione, la produzione solare, con meta' dell'energia
dispacciata durante le ore serali, su 3 GW*h/giorno, con
1,5 GW*h traslati verso le ore serali, fatta con la cattura
del calore tramite specchi, richiede 780 ettari.
 
Fare lo stesso con il fotovoltaico, richiede oltre 1'270 ettari.
 
Nelle zone desertiche, come in quelle interessati da due impianti
in Arizona, l'impiego di territorio non e' un grosso problema,
contando molto di piu' il costo totale. E pare che il fotovoltaico
costi molto poco, come usato da punto di partenza nella
discussione precedente.
 
Ma in Italia, la differenza tra usare 1270 ettari invece di 780
ettari non e' di poco conto. Specialmente se l'idea e' quella di
fare assurgere la fonte solare ad essere un pilastro della
produzione nazionale, come dire almeno 100 TW*h all'anno.
A questo aggiungiamo il beneficio del solare termodinamico di
usare tutta tecnologia disponibile con abbondanza nel settore
industriale italiano (edile, metalmeccanico leggero e pesante),
e anche l'aspetto "costi" si sposta a favore del solare termodinamico.
 
Tra l'altro non ho considerato che il fotovoltaico utilizzato come
sopra, richiede un intera centrale a ciclo combinato di pari potenza
(quindi ragguardevole), il cui costo va a svantaggio ulteriore
della soluzione fotovoltaico+accumulo termico ad alta temperatura,
mentre tale sezioni e' gia' "inclusa" nel solare termodinamico.
 
Ma c'e' una soluzione che puo' risolvere questo problema:
le sezioni di accumulo termico ad alta temperatura per la
l'immagazzinamento dell'energia fotovoltaica (e il surplus
eolico eventuale) possono essere installata presso le esistenti
centrali a gas a ciclo combinato. Infatti, un vantaggio
dell'energia elettrica prodotta dal fotovoltaico e' che puo'
viaggiare per lunghe distanze senza perdite drammatiche e quindi
la sua energia puo' essere utilizzata per immagazzinare calore
anche lontano dall'impianto fotovoltaico. Modificare la turbina
a vapore per utilizzare aria calda a 1000 Celsius invece che
l'aria calda prodotta dalla combustione del gas, non dovrebbe
essere un problema insormontabile. La sezione a vapore resta
invece tal quale. Quindi, grazie all'utilizzo del calore
immagazzinato ad alta temperatura, la centrale a gas puo'
funzionare a piena potenza per tante ore senza usare uno
sbuffo di gas. Se il costo del gas aumenta, e durante certe
ore all'estero hanno esubero di vento (Germania ? Danimarca ?)
ma anche di energia nucleare (Francia ?), a costo ragionevoli,
l'accumulo ad alta temperatura potrebbe anche essere usato
per accumulare quella. La condizione e' che il kW*h reso
dal "magazzino" spunti un prezzo almeno il doppio di quello
pagato per il kW*h elettrico in entrata.
 
Resta pero' la questione, che per la produzione nazionale, la
superficie fotovoltaica impegnata in modo dispacciabile, e' almeno
il 50% superiore a quella della equivalente capacita' solare
termodinamica.
 
Direi che potremo studiare una combinazione delle due soluzioni:
il solare termodinamico per la produzione solare nativa, e
l'accumulo termico ad alta temperature per "cattturare" gli
esuberi di elettricita' provenienti dall'estero. Sezione di
accumulo da abbinare ad alcune centrali a gas a ciclo combinato
esistenti.


Ovviamente tutto questo in alternativa alle esistenti centrali
di pompaggio, la cui efficienza di ciclo e' di circa il 75%,
mentre il citato accumulo termico ad alta temperatura e' del 60%,
come spiegato, in combinazione con una centrale a ciclo combinato.
Va osservato pero' che un accumulo termico richiede meno territorio
di una centrale di pompaggio e funziona anche dove non ci sono
dislivelli e manca l'acqua.
 

> [bla]

>> [bla]
 
Difficolta ad entrare nel merito ? Paura di interrompere
la conventio ad excludendum ?