Rapporti tra ricerca, tecnologia ed applicazioni industriali nel campo dell’Energia Solare a Concentrazione

Rapporti tra ricerca, tecnologia ed applicazioni industriali nel campo

dell’Energia Solare a Concentrazione Con note sul

Ruolo dell’ESC negli scenari energetici futuri

Bruno D’Aguanno CRS4 - Parco Tecnologico, Pula

Collana Seminari CRS4

9 novembre 2011 Sala Auditorium, Via Roma 253, Cagliari

Il solare termodinamico a concentrazione

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  I principali metodi di concentrazione

Sistemi a ricevitore centrale (Solar Tower)

Collettori parabolici circolari (Dish Stirling)

Collettori parabolici lineari (Parabolic Trough)

Collettori lineari di Fresnel (CLFR)

Collana Seminari CRS4 – Dip. Outreach Cagliari, 9 novembre 2011

Limiti teorici e pratici dei sistemi CSP

3 Collana Seminari CRS4 – Dip. Outreach Cagliari, 9 novembre 2011

Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011

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Solar electricity

Solar fuels

Solar heat Water desalination

Le principali applicazioni del CSP

  Alcuni esempi delle principali applicazioni del CSP


Immagini degli impianti realizzati

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SEGS, California (USA) - 354 MW

Parabolic trough



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AndaSol, Granada (Spain) - 100 MW

Parabolic trough



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Solucar Complex, Seville (Spain) - 181 MW

Parabolic trough Solar Tower




Gemasolar Tower, Seville (Spain) - 17 MW



I costi attuali dell’elettricità da CSP

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Confronti del Levelized cost of electricity (LCOE) (costo medio livellato dell’unità di energia elettrica)

$

c$/k

Wh


Il ruolo della ricerca e sviluppo


•  Obiettivo primario: Sviluppo di iniziative di R&S e di dimostrazione

in grado di raggiungere, nel breve periodo (2014-2020), la parità con

i sistemi convenzionali

Da: CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011


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Potential relative reduction of LEC by innovations

  Esempio di riduzione dei costi derivante dall’innovazione: Negli ultimi 25 anni si è passato dal primo collettore parabolico LS-2 al recente HelioTrough, con un incremento dell’efficienza di raccolta dell’energia dal 38% al 48%

  Le proiezioni economiche, sia dalle simulazioni che dai dati reali raccolti, mostrano che i dati di costo assoluto tra le diverse tecnologie disponibili sono ancora abbastanza vicini tra loro

  La competizione tra le diverse tecnologie è in mano agli investitori e al mercato ma la ricerca e sviluppo deve essere fatta a tutti i livelli con l’obiettivo di migliorare le efficienze e ridurre I costi in questa fase in cui non è presente una tecnologia affermata in maniera definitiva




Da CSP & The SunShot Initiative, DOE-CSP Industry Meeting, March 8, 2011

•  Aumento dell’efficienza: I sistemi CSP con maggior margine di

aumento dell’efficienza a tempi brevi (2014-2020), attraverso R&S,

sono i sistemi a torre

Le tendenze del mercato del CSP

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  La potenza elettrica complessivamente installata è di oltre 940 MW

  La potenza elettrica degli impianti in corso di realizzazione è di oltre 2150 MW

  Più del 50% della potenza mondiale è installata in Spagna. Se si escludono gli impianti SEGS in USA la Spagna da sola ha l’80% della potenza installata mondiale e può essere considerata il motore del recente sviluppo del CSP.

Impianti CSP – distribuzione geografica Impianti CSP – ripartizione tra le tecnologie


Le ricadute occupazionali del CSP

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CSP Global Outlook 2009 – ESTELA e SolarPaces

 In base al recente studio prodotto dalla European Solar Thermal Electricity Association insieme a SolarPaces “Concentrating Solar Power – Global Outlook 2009” risulta che nel solo settore del solare termodinamico a concentrazione si prevedono tra i 100.000 e i 200.000 occupati nel 2020 e tra un milione e 2 milioni nel 2050 in tutto il mondo  Nella manifattura, nella produzione di componenti, nello sviluppo, nell’installazione e nei settori indirettamente collegati, è prevista la creazione di 10 nuovi posti di lavoro per ogni MW di solare termodinamico di nuova realizzazione  Il solare termodinamico a concentrazione è una delle tecnologie energetiche rinnovabili a più alto rapporto occupazionale per MWh prodotto


Il solare termodinamico in Italia

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  ENEA: impianto sperimentale di prova collettori solari presso i laboratori di Casaccia (Roma)



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Dati ANEST (Associazione Nazionale Energia Solare Termodinamica) maggio 2011



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  L’impianto Archimede realizzato da ENEL con la collaborazione dell’ENEA




L’incentivazione del CSP in Italia (DM 11apr08)

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Requisiti tecnici minimi dei componenti e degli impianti

[1] Per impianti che entreranno in esercizio in date successive è prevista una riduzione della tariffa (Art. 6).

  Il Decreto del 11 aprile 2008, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n.101 del 30 aprile 2008, stabilisce i criteri e le modalità per incentivare la produzione di energia da fonte solare mediante cicli termodinamici.

  Il decreto, oltre a definire le tariffe incentivanti ed il periodo di diritto (Art. 6), stabilisce i requisiti tecnici minimi dei componenti e degli impianti (Art. 4).

  Obiettivo nazionale: 200 MW al 2016 (deroga per chi realizza entro 14 mesi).   Tariffa incentivante: valida per 25 anni in moneta corrente, riferita all’energia solare imputabile (Art.2 comma f) da sommare la prezzo di vendita dell’energia prodotta.

  Incentivo variabile in funzione del “fattore di integrazione” (Art. 6)

  Incentivo massimo pari a 0,28 €/kWhe prodotto


Il solare termodinamico in Sardegna

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  Lo sviluppo del CSP in Sardegna nasce nel 2000 al CRS4 con gli studi iniziali del Prof. Carlo Rubbia sulle applicazioni dell’energia solare termica ad alta e bassa temperatura

–  Proposta per uno studio innovativo per la fattibilità dell’auto-sostentamento energetico e idrico della Sardegna (C. Rubbia e E. Leonardi, Crs4)

–  Dissalazione solare: un progetto ecologico ed economico per bypassare la crisi idrica della Sardegna

–  Brevetto: un sistema per estrarre il calore immagazzinato in uno Stagno Solare (Crs4, Nr. FI2003A000008)

–  Risultati raggiunti: •  Strumenti software e pubblicazioni scientifiche •  Qualifica del Crs4 come centro di eccellenza per la simulazione •  Acquisizione di un contratto europeo su Design of Desalination

Plants using Solar Ponds in Lebanon •  Presentazione al MIUR-FAR del progetto Dimostratore Solar Pond:

accumulo ed estrazione di calore con produzione di acqua dissalata



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  Il lavoro preliminare sul CSP porta allo sviluppo del progetto di ricerca e formazione ESTATE LAB finanziato dal MIUR (DM 23161)

  Il progetto impegna circa 15 persone nelle attività di ricerca

  Il progetto prevede la formazione di professionalità per lo sviluppo e l’applicazione delle tecnologie innovative nel settore dell’energia solare (30 formandi tra ricercatori modellisti, processisiti e tecnici specializzati)

MIUR - Laboratori pubblico-privati - Lab. n. 2 ``Laboratorio pubblico-privato per lo sviluppo di tecnologie per l'energia solare termica ad alta temperatura'' - Legge 297/1999 Art.12/lab DM23161

Finanziamento

Estate_Lab - Laboratorio per la produzione di energia termica ad alta temperatura da concentratori solari lineari

Titolo

Data d’inizio

Durata

Partecipanti

Costo

Gennaio 2007

3 anni + 5 anni

Ricerca: 9.678.000 € Formazione: 1.731.000 €



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  L’impianto pilota del progetto ESTATE LAB



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  Le attività di ricerca del progetto ESTATE LAB

 Risultati raggiunti

Modelli previsionali della radiazione solare di piccola scala ●  Banche dati di DNI da misure a terra e satellitari

Nuovi fluidi vettori termici ●  Analisi e ottimizzazione di gas vettori

Nuovo tubo ricevente ●  Analisi e ottimizzazione di tubi ricevitori modificati

Nuovo sistema di stoccaggio termico ●  Analisi e ottimizzazione di materiali solidi per lo stoccaggio termico ●  Studio del comportamento termo-fluido-dinamico del sistema di

stoccaggio termico

 Innovazioni tecnologiche

●  Un solo contenitore di stoccaggio è richiesto ●  I materiali di stoccaggio sono economici e stabili ●  L’intervallo di T di funzionamento è esteso (T_min~50oC, T_max~550oC) ●  L’efficienza globale del sistema integrato è aumentata ●  Il fattore di capacità annuo è aumentato



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  Il progetto industriale MacchiaSol

  Studio prefattibilità impianto (CRS4)

  Studio fattibilità (Techint) e avvio campagna misura radiazione solare (CRS4)

  Presentazione istanza di VIA per realizzazione impianto Collana Seminari CRS4 – Dip. Outreach Cagliari, 9 novembre 2011


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  Schema impianto MacchiaSol

  L’impianto ha una potenza nominale di 50 MW (3 kW per un nucleo di 4 persone ≈ 67.000 persone).

  Caratteristiche impianto analoghe ad AndaSol 1. (Area occupata 1,7 km2)   Elettricità/anno: ≈ 130.000 MWh Emissioni CO2 evitate ≈ 57.000 t/anno



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  Le principali ricadute sul territorio del progetto MacchiaSol

Si prevedono importanti e positive ricadute sul fronte occupazionale e della

ricerca & sviluppo associate all’iniziativa:

•  L’iniziativa comporta un investimento complessivo di fra 200 e 300 milioni di euro, per

buona parte rappresentati da componenti e lavorazioni reperibili sul territorio locale

•  Per la fase di costruzione dell’opera, della durata prevista di oltre 24 mesi, si stima un

impiego di manodopera con punte di oltre 500 uomini/giorno e una media pari a 200

uomini/giorno per due anni

•  E’ previsto un organico diretto a regime di oltre 20 unità assunte a tempo indeterminato

•  L’impianto può contribuire ad alimentare un fiorente indotto locale per attività di

manutenzione e supporto tecnico all’esercizio dell’impianto

•  L’impianto, tecnologicamente innovativo, può promuovere la nascita sul territorio sardo di un

polo tecnologico di ricerca focalizzato sullo sviluppo della filiera del solare

termodinamico, con ulteriori importanti ricadute sul contesto industriale della regione


Altre ricadute dell’attività del CRS4 sul CSP

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  Spin-Off Elianto   Società che nasce nel 2007 da due ricercatori del CRS4 per la progettazione,

realizzazione e vendita di impianti solari termodinamici di piccola taglia (1-5 MWe) per la produzione di energia e calore

  Fondazione ITS "Amaldi" Macomer Istituto tecnico superiore per l'efficienza energetica

  formazione post diploma biennale in energie rinnovabili e risparmio energetico (V livello del Quadro europeo delle qualifiche EQF)

  Soci fondatori: Acciona, Ceccato Spinnerets, Centralabs, Comune di Macomer, CRS4, IPIA Amaldi Macomer

  Iniziativa finanziata da: MIUR e RAS

  Inizio dei corsi: ottobre 2011

  Master in Energie Rinnovabili

  formazione post laurea su fonti rinnovabili (in particolare CSP) e celle a combustibile (e idrogeno)

  Partner: CRS4, POLITO, RMIT, CSIRO (partenariato in via di definizione)

  Iniziativa finanziata da: Assessorato al Lavoro della RAS

  Inizio dei corsi: maggio 2012


Conclusioni


  Il Solare Termodinamico a Concentrazione rappresenta una grande opportunità per la Sardegna

 Grazie alla disponibilità del capitale umano e conoscitivo e della risorsa sole, la Sardegna è nelle condizioni di trasformare le opportunità in realtà. Si è cioè nelle condizioni di: ➡  Attrarre nuove imprese nel settore del CSP ➡  Generare nuova e stabile occupazione nei settori della componentistica,

della progettazione, della gestione e manutenzione di impianti e nel settore delle ricerca e sviluppo

➡  Dare un contributo determinante al raggiungimento degli obiettivi dell’indipendenza energetica e del 20 - 20 - 20 della EU

  Dall’editoriale delle “Scienze”, luglio 2011: “La chiave del futuro energetico di un paese che voglia dirsi moderno sta in una parola sola, per la quale la classe dirigente italiana ha dimostrato da mezzo secolo a questa parte una fastidiosa allergia: il futuro si chiama ricerca… ..è l'unica strada da percorrere se vogliamo rimanere tra i paesi avanzati. Perché dopodomani, in un settore strategico come quello dell'energia, a decidere i giochi non sarà chi detiene le materie prime, ma chi possiede il know-how, … …e importare tecnologia tedesca o cinese creerebbe una dipendenza non diversa da quella dal gas e dal petrolio.”

Il CSP e il problema energetico


  La necessità di soddisfare i bisogni primari di cibo, d'acqua e di perpetuazione della specie hanno determinato e condizionato il rapporto dell'uomo con la biosfera, e i rapporti e le organizzazioni sociali tra gli uomini.

  Nella sua storia evolutiva l'uomo si è dotato di strumenti in grado di facilitare tale soddisfacimento.

  Gli strumenti abbracciano "tutti i mezzi ragionati dell'azione umana, la macchina e il modo d'impiegarla, il codice e il suo singolo operatore" e sono "al tempo stesso mezzi di controllo e trasformatori di energia" [Illich:2005].

  A loro volta, la macchina, il modo d'impiegarla e il codice definiscono la tecnologia che, tolto "ogni alone mistico... (e) sia pur concepita da un genio dell'umanità, non è altro che un convertitore di energia presa dal magazzino della natura" [Rifkin:2004].

  Un uso smodato, controllato da pochi, e continuamento accrescitivo di questi strumenti ha generato, in un modo termodinamicamente chiuso e, quindi, con un contenuto finito di materiali, il problema energetico che, in dettaglio, corrisponde a problemi di:   Disponibilità di risorse energetiche   Sostenibilità ambientale   Disponibilità di materiali   Equità sociale

  Nella prima parte, abbiamo semplicemente compreso che il CSP è uno strumento in grado di trasferire l’energia del sole ad altri sistemi, in modo che nel processo venga prodotto lavoro utile

  Il CSP può contribuire a risolvere, o ad attenuare, il problema energetico ?

Il problema delle risorse energetiche


➡  The incoming solar flux, expressed in Watt, is 4 order of magnitude bigger than the flux of consumed fossil resources

➡  The wind flux, expressed in Watt, is approximately 60 times bigger than the flux of consumed fossil resources

TYPICAL POWER OF ENERGY RESOURCES

Incoming solar flux (Φsolare) 1,74 x 1017 Watt

Fossil power (pfossile) 1,39 x 1013 Watt

Endogenic flux (Φendogeno) 4,44 x 1013 Watt

Wind power (pfventi) 0,87 x 1015 Watt

Cycle of H2O (pH2O) 3,48 x 1016 Watt

Biosphere power (pbiosfera) 0,50 x 1015 Watt

➡  All energy fluxes different from the solar flux are less than 1 % of the solar flux

➡  The worldwide annual energy consumption corresponds to the solar energy which arrives on the global desert areas in 5.7 hours

➡  The energy contained in the known and estimated uranium reserves corresponds to the solar energy arriving on the global desert areas in 13 days

Il problema delle risorse energetiche


PROBLEM SOLUTION

Limit in the energy resources The flux energy is the natural choice

Limit in the material availability The energy mix is the natural choice

Limit in the eco-sustainability

The decrease in the energy consumption is the natural choice

Limit in the equity The micro-distributed energy production is the natural choice

Il problema della sostenibilità ambientale


➡  SOLAR FLUX ENERGY AND WASTES

➡  FOSSIL ENERGY AND WASTES



➡  Se c’è una cosa strana è che noi, uomini dell’età moderna, accettiamo una storia dell’universo che inizia da uno stato di perfezione e termina nella decadenza e nel caos e continuiamo a sposare un concetto di storia del mondo terrestre che segue il cammino opposto cioè da uno stato di caos a quello di mondo “progressivamente” sempre più ordinato

➡  Crediamo ancora che la tecnologia riesca a creare maggior ordine nel mondo, ma ancora una volta questo è solo un lato della verità perché la legge dell’entropia ci insegna che ogni volta che si usa energia libera si crea maggior disordine in qualche altra parte dell’ambiente circostante.

➡  Il massiccio flusso di energia presente nelle moderne società industriali crea inquinamento altrettanto pesante e accumulo di rifiuti nel mondo in cui siamo costretti a vivere; insomma, più spingiamo la nostra tecnologia più veloce sarà il processo di trasformazione, più l’energia disponibile si dissipa in fretta e l’inquinamento e i rifiuti aumentano. ... Ogni tecnologia ... non è altro che un convertitore di energia presa dal magazzino della natura

➡  Il mondo accresce il suo disordine perché ogni volta che applichiamo una nuova tecnologia più complessa alla soluzione di un problema è come se tentassimo di spegnere un fuoco con la benzina. Più moltiplichiamo i “convertitori” e più l’energia disponibile viene presa e usata, maggiore la dissipazione, il disordine e i problemi che ne derivano e che proliferano più in fretta delle soluzioni

Jeremy Rifkin, Entropy, Penguim Putman Inc., 1980



PROBLEM SOLUTION




Limit in the material availability

The energy mix is the natural choice


Il problema della disponibilità dei materiali


➡  Non possiamo bruciare tutto il petrolio. I suoi derivati sono essenziali per i lubrificanti, le plastiche e la gomma sintetica, ecc.

➡  Se producessimo i 15 TW dalla fusione nucleare, le riserve terrestri di litio necessarie a questa produzione si esaurirebbero in circa 100 anni

➡  Se producessimo i 15 TW dal solo vento, avremmo, nel giro di circa 50 anni, problemi con i lubrificanti consumati dagli impianti, mentre nulla sappiamo sugli effetti sui microclimi locali

➡  Non possiamo bruciare tutto il gas. I suoi derivati sono essenziali per l’ammoniaca, i vetri, le plastiche, ecc.

➡  Non possiamo bruciare tutto il carbone. I suoi derivati sono essenziali per il benzene, il toluene, i saponi, l’aspirina, i solventi, ecc.

➡  ENERGIA FOSSILE E DISPONIBILITA’ DEI MATERIALI

➡  ENERGIA DI FLUSSO E DISPONIBILITA’ DEI MATERIALI

➡  Se producessimo i 15 TW da moduli fotovoltaici sarebbero necessarie 6 milioni di tonnellate di arsenico, mentre le riserve mondiali sono di circa 3 milioni di tonnellate

Il problema della disponibilità dei materiali


PROBLEM SOLUTION







Il problema dell’equità sociale


➡  IL PROGETTO DESERTEC: UN PROGETTO FARAONICO



➡  Utilizzare le energie rinnovabili con le stesse logiche, e all’interno dello stesso modello sociale con dinamica economica consumistica che ha generato:

‣  la crisi climatica ‣  la crisi energetica ‣  la crisi economica

serve a poco, o a nulla, e le crisi saranno solo attenuate ma non risolte

➡  Il sistema industriale sta iniziando ad utilizzare le energie rinnovabili con le stesse logiche usate per le energie fossili:

‣  impianti di produzione di grossa taglia e di grossa complessità ‣  reti di distribuzione convenzionale e “non-smart” ‣  produzione nelle mani di pochi soggetti



PROBLEM SOLUTION







Conclusioni


Il CSP E’ UNA TECNOLOGIA CHE SE UTILIZZATA:

➡  Per risolvere il problema delle fonti energetiche

➡  Per contribuire alla riduzione dei consumi energetici,

➡  In combinazione alle altre tecnologie di trasformazione delle energie rinnovabili (FV, eolico, etc.) e

➡  Per la generazione distribuita

IL CSP E’ UNA TECNOLOGIA CHIAVE

➡  Per la PIANIFICAZIONE ENERGETICA TERRITORIALE ECO-SOSTENIBILE ED EQUA

➡  Per il RAGGIUNGIMENTO DELL’EQUILIBRIO DELL’UOMO CON LA BIOSFERA

➡  E cioè, in ultima istanza, per la RISOLUZIONE della CRISI ENERGETICA della CRISI AMBIENTALE, e della CRISI SOCIO-ECONOMICA

ALLORA

Conclusioni


Da qualche tempo è venuto di moda parlare di un'imminente crisi energetica. Questo eufemismo occulta una contraddizione e consacra un'illusione. Maschera la contraddizione che è implicita nel perseguire assieme l'equità e lo sviluppo industriale; fa salva l'illusione che la potenza della macchina possa sostituire indefinitamente il lavoro dell'uomo. Per superare la contraddizione e dissolvere l'illusione, è urgente chiarire quella realtà che viene oscurata dal linguaggio della crisi: e la realtà è che elevati quanta di energia degradano le relazioni sociali con la stessa ineluttabilità con cui distruggono l'ambiente fisico.

Ivan Illich, Toward a History of Needs, Pantheon Books, New York, 1977

[E da questa realtà se ne esce ] con un processo politico che permetta alla popolazione di determinare il massimo che può chiedere in un mondo con risorse limitate;… un processo per far sì che un numero crescente di persone possa fare, e non avere, sempre di più con sempre meno… Un processo del genere può sembrare ancora utopistico ai giorni nostri: ma se si lascia che la crisi si aggravi, presto sembrerà quanto mai realistico

Ivan Illich, Tools for conviviality, Harper & Row, New York, 1973


BACKUP SLIDES

Il solare termodinamico a concentrazione (CSP)

44 Convegno Regionale CGIL sull’Energia in Sardegna Cagliari 9 novembre 2011

  In molte applicazioni tecnologiche è richiesta una notevole potenza che l’energia che arriva di rettamente dal sole non è in grado di fornire se non viene opportunamente concentrata.

  CSP, Concentrating Solar Power, è l’espressione inglese che indica la tecnologia solare termodinamica. Scopo della tecnologia solare termodinamica è convertire l’energia solare in energia termica a temperatura media ed elevata.

  L’energia prodotta può essere utilizzata in diverse applicazioni (solar cooling, dissalazione, trigenerazione, processi industriali, ecc.).

  L’applicazione più diffusa e rilevante per il CSP è la produzione di energia elettrica.

  Sono disponibili diverse tecnologie che in generale hanno in comune il fatto di concentrare i raggi solari in un punto focale attraverso superfici riflettenti (specchi o superfici in alluminio che seguono costantemente la posizione del sole). In base alle tecnologie utilizzate variano le temperature che si possono raggiungere e di conseguenza le applicazioni.

45 Convegno Regionale CGIL sull’Energia in Sardegna THotel ,Cagliari – 15 luglio 2011

  Tipica configurazione di un impianto per la produzione di energia di grossa potenza (50 MW)

  The operative layout of the AndaSol 1

Il solare termodinamico a concentrazione (CSP)



Overall operational capacity 940 MW



Under construction capacity: 1934 MW



Gli impianti realizzati ed in corso di realizzazione in Spagna



CSP Global Outlook 2009 – ESTELA e SolarPaces

Sommario e conclusioni


➡  Il CSP è una tecnologia che permette l’utilizzo “efficiente” dell’energia solare per una gran varietà di applicazioni (produzione di elettricità, di calore, di combustibili solari, di acqua dissalata, etc.).

➡  Il CSP può essere realizzato su territori di scarso valore agricolo.

➡  Il CSP è una tecnologia con alte ricadute occupazionali territoriali

➡ Il CSP, grazie all’accumulo, permette di fornire “energia” anche in assenza di radiazione solare.

➡  SOMMARIO

➡  Il CSP è una tecnologia le cui applicazioni industriali sono in fortissima crescita

➡  Il CSP è fortemente modulare, e le sue applicazioni possono andare dalle centinaia di kW alle centinaia di MW.

➡  Il CSP è una tecnologia in cui la ricerca è ancora un fattore determinante per il suo completo dispiegamento.

Technology

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