IL SOLARE · pioniere del solare e noto a livello mondiale come il “padre” delle centrali solari termoelettriche. L’idea cen-trale di Francia era che il calore solare, abbondante

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IL SOLARE TERMOELETTRICO

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CON LA COSTRUZIONE IN CALIFORNIA DI UN’INNOVATIVACENTRALE DA 177 MW, VIENE APERTA LA STRADA PER

LO SVILUPPO DI UN NUOVO TIPO DI SOLARE TERMOELETTRICO A CONCENTRAZIONE. SI TRATTA DI UN’EVOLUZIONE DI UN’IDEADELL’ITALIANO GIOVANNI FRANCIA, CHE DA QUI A POCHISSIMI

ANNI POTREBBE GIÀ COMPETERE AD ARMI PARI CON LA PRODUZIONE DA CENTRALI A FONTI FOSSILI E NUCLEARE

ING. CESARE SILVI - GRUPPO PER LA STORIA DELL’ENERGIA SOLARE (GSES) E COMITATO NAZIONALE “LA STORIA DELL’ENERGIA SOLARE” (CONASES)

nerazione elettrica è molto differente rispetto a quellofotovoltaico. Con la tecnologia fotovoltaica la radia-zione solare viene convertita direttamente in energiaelettrica senza che ci sia nessuna parte in movimento.Nel caso del solare termoelettrico, invece, la radiazio-ne proveniente dal sole scalda un fluido da cui si pro-duce vapore ad alta pressione, il quale mette in motouna turbina che, a sua volta, aziona un generatoreelettrico, analogamente a quanto accade nelle centralinelle quali il calore viene prodotto usando carbone,petrolio, gas o combustibili nucleari. Negli impianti

Lo scorso novembre PG&C, una tra le più grandiaziende elettriche statunitensi, ha diffuso la noti-zia della costruzione in California di un’innovati-

va centrale solare a concentrazione da 177 MW. Lanotizia non sembra essere stata ancora adeguatamentecompresa dal mondo dell’informazione in Italia.Eppure, le tecnologie sulle quali si basa questo im-pianto potrebbero segnare una nuova importante tap-pa nella generazione dell’elettricità termosolare a co-sti già ora competitivi con quelli della produzione dacombustibili fossili e nucleari. Questo metodo di ge- >>



solari termoelettrici, quin-di, gli aspetti maggior-mente innovativi sonolegati ai sistemi di raccol-ta e innalzamento dellatemperatura del calore so-lare e a quello per il suoimmagazzinamento perquando il sole non c’è. Vaevidenziato che le tecno-logie della concentrazioneutilizzano la radiazionediretta che proviene dalsole e pertanto sono desti-nate a essere installate so-prattutto nelle regioni de-sertiche maggiormenteassolate. La tecnologia fotovoltaicainvece funziona anche conla sola radiazione solarediffusa, quindi anche inpresenza di nubi.

LA STORIA DELSOLARETERMOELETTRICOPrima di entrare in meritoalla notizia che viene dallaCalifornia, è opportuno ri-cordare alcuni importaniprecedenti storici, tutti ita-liani, dell’impianto annun-ciato da PG&C. Ne fu arte-fice agli inizi degli annisessanta dello scorso seco-lo il Prof. Giovanni Francia(Torino, 1911 – Genova,1980), matematico, inven-tore, ingegnere, grandepioniere del solare e noto alivello mondiale come il“padre” delle centrali solaritermoelettriche. L’idea cen-trale di Francia era che ilcalore solare, abbondantema a bassa densità e a bas-sa temperatura, dovesse es-sere raccolto in modo daottenere le temperature ne-cessarie per far funzionaremacchine e impianti dellesocietà tecnologicamente eindustrialmente avanzate, acominciare da quelli per laproduzione di energia elet-trica. Per raggiungere que-sto obiettivo, Francia ricor-se alle tecniche note dasecoli della concentrazione

della radiazione solare conspecchi su un ricevitore ocaldaia. Dimostrò per laprima volta al mondo cheera possibile produrre conil calore del sole vapore adalte pressioni e alte tempe-rature in sistemi a concen-trazione lineare e puntualedi tipo Fresnel, vale a direcon campi di specchi quasipiani che possono essereimmaginati come risultantidal “frazionamento” di ungrande specchio parabolicolineare o di un grandespecchio parabolico sferi-co, come illustrato nelle fi-gure 1, 2, 3 e 4. I “campispecchi” utilizzati daFrancia negli impianti diMarsiglia e di S.Ilario ven-gono chiamati di “tipo fre-snel” in quanto ricordanoil procedimento che con-dusse il fisico Augustin-Jean Fresnel a inventare lalente che porta il suo no-me, ottenuta “frazionan-do” una lente sferica inuna serie di sezioni anulariconcentriche, chiamateanelli di “fresnel” e illu-strate nella figura 5. Giovanni Francia, primo almondo, introdusse genialie rivoluzionarie invenzioninegli impianti solari a con-centrazione lineare e aconcentrazione con ricevi-tore puntuale o centrale,rispetto a come questi era-no stati concepiti fino allo-ra. Invenzioni relative siaall’architettura generale di

Figura 1. Sistemi a concentrazione lineare: a) concentratoreparabolico lineare; b) concentratore lineare fresnel.

Figura 2. Fotografia della struttura di appoggio degli specchi edi sostegno del tubo ricevitore del primo impianto al mondo deltipo fresnel. Questo impianto, progettato a Genova e installatoa Marsiglia nel 1964 da Giovanni Francia, dimostrò lapossibilità di produrre 38 kg/h di vapore a 100 atm e 450 °C,con un’irraggiamento solare di 1.000 W/m2.

Figura 5. In alto la sezionetrasversale di una lentesferica. In basso la sezionetrasversale di una lente difresnel di uguale capacità diconcentrazione.

Figura 4. Primo impiantoal mondo conconcentratore conricevitore centrale atorre fresnel (tipo d dellafigura 3). L’impianto,progettato e installato nel1965 da GiovanniFrancia, produceva fino a21 kg/h di vapore a 500 ºC e a 100 atm con un’irraggiamento di 900 W/m2.

Figura 3. Sistemi con ricevitore o caldaia centrale: c)concentratore sferico parabolico puntuale; d) concentratorecon ricevitore centrale a torre fresnel.

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Radiazione solare direttaRadiazione riflessa

Radiazione solare direttaRadiazione riflessa

Ricevitoretubolare

Ricevitorecentrale

Ricevitorecentrale

RicevitoretubolareSpecchio

Specchi

Specchio Specchi

IL SOLARE TERMOELETTRICO: PROSSIMA SFIDA AL PETROLIO

questi impianti che alle re-lative componentistiche,dai cinematismi degli spec-chi per l’inseguimento delsole all’uso delle celle an-tiirraggianti o a nido d’apenella costruzione dei rice-vitori o caldaie, particolariquesti di grandissimo rilie-vo ma che non è possibileapprofondire in questo ar-ticolo. Va sottolineato cheFrancia è ricordato per es-sere stato l’ispiratore diEurelios, la prima grandecentrale solare al mondo aconcentrazione con ricevi-tore centrale fresnel o atorre, costruita e collegatanel 1980 alla rete elettricada 1 MW, ubicata nelle vi-cinanze di Adrano in pro-vincia di Catania. Mentre sono pochi, anchetra quelli che si occupanodi energia solare, a cono-scere le pionieristiche im-prese di Francia sugli im-pianti a concentrazionelineare fresnel.

Figura 6. Schizzi di due campi specchi di una grande centrale solare a concentrazione linearefresnel progettata da Francia (circa 1964) (disegni da archivio personale di G. Francia donatonel 2006 dagli eredi per l’Archivio nazionale sulla storia dell’energia solare).



CENTRALI A CONCENTRAZIONELINEARE FRESNEL DI GIOVANNI FRANCIA I risultati ottenuti nellasperimentazione dell’im-pianto costruito aMarsiglia ispiraronoFrancia a progettare cen-trali solari basate su gran-di campi specchi, come sipuò vedere nei due dise-gni di figura 6, che illu-strano un impianto inseri-to in un contesto urbano eil particolare dei campispecchi e dei ricevitori li-neari montati su alte torri. Da questi schizzi è evi-dente il rivoluzionario ap-proccio alla concentrazio-ne lineare introdotto daFrancia rispetto a comeera stato concepito fino aquel momento. Si con-

frontino al riguardo le im-magini delle figure 2 e 7dell’impianto di Franciacon quelle del primo gran-de impianto solare a con-centrazione con parabo-loidi lineari costruito neldeserto del Meadi (Egitto,20 km dal Cairo) nel1912 da Frank Shuman(1862 – 1918) (Fig. 7),che, con il vapore prodot-to, azionava un motoreper il sollevamento del-l’acqua dal sottosuolo. Osservando i due diversitipi di impianto è possibi-le fare una serie di consi-derazioni. È più facile co-struire più specchi quasipiani, anziché un grandespecchio curvo: poiché glispecchi piani sono menoesposti alla forza del ven-to rispetto ai grandi para-

Figura 8. L’impianto Solar One da 64 MW entrato in esercizio nelgiugno 2007 a Boulder, Nevada (USA). Nell’immagine iconcentratori parabolici sono in posizione di riposo durante ilcompletamento dei lavori di costruzione (Foto: Solargenix Energy).

”“Impianti con concentratori parabolici

lineari sono in costruzione o in studio inuna decina di Paesi, tra cui Stati Uniti,Spagna, Israele, Messico, Marocco, India

Figura 7. Impianto solare a concentrazioneparabolico lineare costruito a Meadi(Egitto) nel 1912 da FrankShuman (Foto cortesia di John Perlin).

IL SOLARE TERMOELETTRICO: PROSSIMA SFIDA AL PETROLIO

può osservare nella figura8, devono essere opportu-namente distanziati l’unodall’altro per evitare il re-ciproco ombreggiamento.È anche per le semplifica-zioni sopra descritte, ri-trovate nell’innovativoimpianto a concentrazio-ne annunciato da PG&C,che importanti societàstatunitensi di “capitalventure” (capitale di ri-

schio) hanno deciso di in-vestire e scommettere suquesta tecnologia.

TERMOELETTRICOOGGI NEL MONDOOggi nel mondo funziona-no o sono in costruzionediversi impianti con gran-di concentratori paraboli-ci lineari per la produzio-ne di energia elettrica. Neldeserto del Mojave in

boloidi curvi, la relativastruttura di sostegno è piùfacile da costruire. I para-boloidi curvi, per giunta,devono inseguire il solemuovendosi solidalmentecon il ricevitore con unaserie di conseguenti impli-cazioni di carattere co-struttivo sullo stesso, peresempio sulle sue dimen-sioni, necessariamente li-mitate. Nell’impiantoideato da Francia il ricevi-tore o caldaia è invece uncomponente indipendenterispetto al movimento de-gli specchi: esso è fisso,può essere sostenuto darobuste torri ed essere di-mensionato per raccoglie-re la radiazione riflessa daun campo specchi di su-perficie elevata. Il vaporeche si genera all’internodel ricevitore, a mano amano che l’acqua si scal-da, si raccoglie nella suaparte superiore, comequando facciamo bollire

una pentola d’acqua soprail fornello di casa. Questofacilita l’estrazione del va-pore. A parità di superfi-cie degli specchi che cap-tano la radiazione solare,un campo a concentrazio-ne lineare fresnel occupauna superficie di terrenocirca la metà di quella ri-chiesta da un impiantocon dei grandi paraboloi-di. Quest’ultimi, come si

Figura 9. A sinistra disegno di due campi specchi di un grande impianto con “Compact linearfresnel reflector (CLFR)”. Nella fotografia a destra il campo specchi di 300 metri di lunghezza e7.000 metri quadrati costruito e sperimentato nel 2006 da Ausra (Fotografia cortesia di Ausra).Le immagini ricordano gli impianti di G. Francia del 1964.

California sono in funzio-ne 9 impianti costruiti apartire dagli inizi degli an-ni ottanta per un totale di354 MW. Nel giugno 2007nel deserto del Nevada èstato collegato alla reteelettrica il Solar One, unimpianto da 64 MW (Fig.8). Altri impianti con con-centratori parabolici linea-ri sono in costruzione o instudio in oltre una decinadi Paesi, tra cui StatiUniti, Spagna, Israele,Messico, Marocco, India.In Italia è in sviluppo ilprogetto Archimede, pro-posto dal Premio Nobelper la Fisica Carlo Rubbia. Con l’annuncio del 5 no-vembre scorso di PG&C,per la prima volta nellastoria del solare si parla direalizzare grandi centralisolari termoelettriche ba-sate sui principi dei campispecchi a concentrazionelineare fresnel. Due le tec-nologie chiave e a bassocosto utilizzate: il“Compact Linear FresnelReflector” (CLFR, Fig. 9)e il sistema di immagazzi-namento in caverna sotter-ranea dell'energia termicacontenuta nel vapore pro-dotto, capace di far funzio-nare continuativamente lacentrale fino a 20 ore.Quindi anche quando ilsole è tramontato. I costidel kWh solare prodottoda queste centrali (intornoai 10 centesimi di dollaroal kWh) sarebbero già oraconfrontabili negli StatiUniti, secondo quanto af-fermato dall’azienda, conquelli del kWh da combu-stibili fossili (intorno a 8centesimi di dollaro alkWh). È previsto che neiprossimi anni il costo scen-da intorno ai 7 centesimi.



Alla base di questi risulta-ti ci sono la semplicità el’economicità delle inno-vative tecnologie inventa-te da Mills e da lui svilup-pate in Australia in 30anni di lavoro, in partico-lare a partire dagli inizidegli anni novanta.Queste tecnologie sonoora soggette a una serie dimiglioramenti introdottida Ausra, azienda che,dalla fondazione nel2006, ha raggiunto in bre-ve tempo oltre 70 unità. IlCLFR fu concepito daMills presso l’Universitàdi Sydney agli inizi deglianni novanta, fu commer-cializzato nel 2004 inAustralia dalla Solar Heatand Power Pty Ltd e nellasua versione attuale con-sentirebbe di realizzare abasso costo grandi campisolari dell’ordine dellecentinaia di MW da ubica-re in quelle zone del mon-do dove la radiazione so-lare diretta è moltoabbondante. Come si puòosservare nella figura 10,il CLFR consta di compo-nenti e sistemi (i lunghispecchi rettangolari; i re-lativi sostegni per l’inse-guimento del sole; le torridi sostegno del ricevitore,etc.) che possono esserefabbricati localmente conmateriali disponibili sulmercato (acciaio, cemen-to, vetro) e componentialtamente sofisticati (elet-tronica di controllo; com-ponentistica altamente so-fisticata del ricevitore,dalle lenti di fresnel allesuperficie selettive) fab-bricati con produzioni dimassa. Con i suoi specchirotanti quasi piani, il CL-FR concentra la radiazio-ne solare sul ricevitore e

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TUTTO SUL TERMOSOLARE A ZEROEMISSION ROME Dal primo al 4 ottobre2008 la Nuova Fiera diRoma ospiterà il primoevento mondialededicato al solare aconcentrazione (CSP -Concentrating Solar Power) e alle tecnologie per l'industriasolare termica a bassa temperatura. CSP EXPO -SOLARTECH si svolgerà nell'ambito di ZEROEMISSIONROME 2008 e in contemporanea ad altri sette salonispecializzati dedicati alle energie rinnovabili. Il recentesviluppo delle tecnologie e degli impianti solari aconcentrazione e i programmi europei di sostegno alla lorodif fusione nei Paesi del Mediterraneo stanno creandograndi aspettative per questa promettente e sostenibilesoluzione energetica. Anche le aziende fornitricidell'industria solare termica CSP avranno finalmente unavetrina internazionale dedicata. Per informazioni: www. cspexpo.eu

2008

Figura 10. David Mills (a sinistra), fondatore, presidente edirettore tecnico scientifico di Ausra con l’ex-presidenteamericano Bill Clinton in occasione dell’incontro annuale 2007della Clinton Global Initiative a New York.


rende le notizie che arri-vano dagli Stati Uniti diparticolare rilievo è il fat-to che le società elettrichestatunitensi sono fiducio-se che con le tecnologiedell’Ausra sarà possibileassicurare un carico di ba-se – vale a dire giorno enotte – a costi competitivicon il carbone. Per la pri-ma volta nella storia del-l’elettricità solare ci sa-rebbe quindi una concretaalternativa alle grandicentrali a combustibilifossili e nucleari nell’am-

produce vapore con carat-teristiche tali da poter es-sere estratto e inviato perazionare direttamente laturbina, che a sua voltaaziona un generatore elet-trico. Pertanto nell’im-pianto inventato da Millsnon è necessario un se-condo fluido di lavoro, alquale trasferire il caloretramite uno scambiatore,come avviene nelle tradi-zionali centrali elettriche.L’unico fluido di lavoro èl’acqua/vapore, che, sot-topressione, consente an-che l’immagazzinamentodel calore per quando nonc’è il sole. Le caratteristi-che di semplicità ed eco-nomicità delle tecnologieproposte da Mills hannoconvinto due investitori,Vinod Khosla e Ray Lane,entrambi partner della po-tente società di “venturecapital” Kleiner PerkinsCaufield & Byers (aziendache a suo tempo ha scom-

messo e investito inGoogle, Amazon.com,AOL) a finanziare con 40milioni di dollari di capi-tale di rischio la fondazio-ne di Ausra, determinan-done così il rapidosviluppo delle attività. Lacentrale da 177 MW an-nunciata da PG&G, chedovrebbe entrare in eser-cizio nel 2010, sarebbe,infatti, solo la prima diuna serie di impianti perun totale di 2.000 MW in-stallati negli Stati Unitinei prossimi cinque anni,in particolare negli assola-ti Stati dell’ovest e delsud. Questo impegno èstato reso noto da Ausra eda altre aziende elettricheleader statunitensi, qualiil gruppo FPL e la stessaPG&E, in occasione del-l’incontro annuale tenutoa New York dalla ClintonGlobal Initiative alla finedello scorso mese di set-tembre (Fig. 10). Ciò che

LA STORIA DEL SOLAREIl Comitato Nazionale ‘LaStoria dell’EnergiaSolare” è stato istituitodal Ministero per I beni ele attività culturali nel2006 su proposta delGruppo per la Storiadell’Energia Solare(GSES), un’organizzazionedi volontariato senzascopo di lucro (ONLUS) icui obiettivi sono:promuovere lo studio e laconoscenza della storiadell'uso dell' energiasolare (nelle sue formedirette e indirette) confinalità di caratteresociale, civile e culturale;promuovere una maggioreconsapevolezza sulfunzionamento della Terranonché sull'uso delle suerisorse naturali rinnovabiliai fini dello sviluppoumano e socio economico(www.gses.it).

PER SAPERNE DI PIÙ

■ Giovanni Francia: pagine dedicatesul sito del GSES ai pionieridell’energia solare in primo piano:www.gses.it/pionieri/francia.php; Archivio nazionale sulla storiadell’energia solare:www.gses.it/conases/archivio.php■ Le centrali solari a concentrazioneproposte dalla Ausra: www.ausra.com w

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bito della generazioneelettrica centralizzata. Sipotrebbe quindi aprire lastrada alla produzione diun’elevato quota dell’e-nergia elettrica da fontesolare non solo negli StatiUniti ma a livello mondia-le. I progetti di Ausra pre-vedono già la costruzionedi altri impianti al difuoridegli Stati Uniti, anche inEuropa. Una centrale contecnologie Ausra di 6,5MW è, per esempio, giàin costruzione inPortogallo. ■

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”“Le aziende USA sono fiduciose

che grazie alle tecnologie di Ausra saràpossibile assicurare il carico di base a costi competitivi col carbone

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