Turbina a vapore per impianto solare termodinamico

Introduzione 
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Introduzione 
 
Ormai da molti anni si sente parlare di “problema energetico mondiale”, con questo si 
intende l’insieme di problematiche tecniche, economiche e politiche legate al progressivo 
esaurimento dei combustibili fossili e al loro impatto sull’ambiente, dato in particolare dalla 
produzione di gas, come la CO
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, che contribuiscono con l’effetto serra al riscaldamento 
globale. I combustibili fossili non rappresentano l’unica fonte disponibile per la produzione di 
energia e di lavoro elettrico, ma tuttora rimangono i più utilizzati; ultimamente però le fonti 
energetiche rinnovabili stanno crescendo sia come potenza installata che come forme; 
infatti, alle fonti rinnovabili tradizionali, come l’idroelettrico e il geotermico, si stanno 
affiancando altre fonti più moderne. Quelle che negli ultimi decenni hanno visto uno 
sviluppo molto rapido sono l’eolico e il solare. 
Catturare l’energia dalla radiazione solare ha affascinato l’umanità fin dall’antichità, tuttavia 
solo da poco tempo questa strada si è resa effettivamente percorribile grazie a due diversi 
processi di conversione dell’energia: il “fotovoltaico” e il “solare termodinamico”. 
La tecnica fotovoltaica prevede la conversione diretta della radiazione solare in corrente 
elettrica grazie all’utilizzo di materiali semiconduttori; questa tecnologia ha avuto una 
rapidissima crescita negli ultimi anni in particolare in Italia grazie anche all’emissione di 
incentivi statali. Con questa rapida diffusione i costi d’installazione del fotovoltaico, 
inizialmente molto elevati, si sono sensibilmente ridotti, ma ancora non risultano 
concorrenziali rispetto ai combustibili fossili. Al contrario del fotovoltaico, lo schema di 
produzione d’energia utilizzato per il solare termodinamico prevede una prima conversione 
della radiazione solare in energia termica e quindi la conversione di quest’ultima in lavoro 
meccanico mediante un ciclo termodinamico, come avviene per le centrali a combustibile. I 
principali vantaggi degli impianti solari termodinamici su quelli fotovoltaici sono: la 
possibilità di accumulare l’energia termica, in modo da poter produrre corrente elettrica 
anche in assenza temporanea di radiazione solare e la possibilità di costruire impianti di 
grande potenza beneficiando di forti economie di scala. 
La classificazione degli impianti solari termodinamici usualmente è fatta in base al ricevitore 
della radiazione solare, si possono quindi distinguere i ricevitori a torre solare e i dischi 
paraboloidi in cui i raggi sono concentrati tutti nello stesso punto, dai sistemi con specchi
Introduzione 
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Fresnel o con collettori parabolici lineari in cui i raggi vengono concentrati su un ricevitore 
tubolare, quest’ultima tecnologia è quella attualmente più sviluppata ed utilizzata. 
Solitamente, per i collettori parabolici lineari, il fluido termovettore che passa nei tubi 
ricevitori è olio diatermico o, in alcuni casi, una miscela di sali fusi. 
Con la presente tesi, alla luce degli ultimi progressi fatti in questo campo e degli incentivi 
forniti dallo stato italiano per il solare termodinamico, si vuole fare uno studio sulla 
possibilità di realizzare un impianto di piccola-media potenza in cui il fluido termovettore che 
passa per i collettori sia direttamente il sistema acqua-vapore che poi deve essere inviato 
alla turbina a vapore; quindi si vuole realizzare un dimensionamento preliminare del gruppo 
di espansione e di trasmissione, valutando infine le potenze e i rendimenti dell’impianto.
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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Capitolo 1 - Gli impianti CSP  
 
 
L’idea di catturare l’energia dal Sole non è un’idea moderna, anzi è un’idea che ha 
affascinato l’umanità da molti secoli, si narra infatti che già Archimede, alcuni secoli prima di 
Cristo avesse ipotizzato l’idea di costruire gli specchi ustori, per mandare in fiamme le navi 
nemiche. 
Tuttavia, la realizzazione delle prime macchine che riuscissero a convertire la radiazione 
solare in energia termica e poi in meccanica risale al XVII e poi al XVIII secolo con gli 
esperimenti prima di Salomon de Caux, e poi di Lavoisier e Joseph Priestley. La fase di 
sperimentazione è continuata poi nei secoli successivi, ma si è intensificata e ha prodotto i 
risultati più importanti solo negli ultimi decenni. Infatti i primi impianti commerciali costruiti 
sono gli impianti SEGS in California, che hanno cominciato a produrre energia dal 1984. Da 
quegli anni gli impianti CSP hanno visto una crescita esponenziale fino ad arrivare ad una 
potenza complessiva installata nel mondo di 2500 MW, come mostrato nella figura 1.1. 
 
 
Figura 1.1 - Crescita negli ultimi anni della potenza installata degli impianti CSP nel mondo 
 
Gli impianti solari termodinamici, spesso indicati con la sigla CSP (Concentrated Solar 
Power), sono tutti quegli impianti che producono lavoro elettrico sfruttando la radiazione 
solare come fonte primaria. Al momento esistono diverse tipologie di impianti solari 
termodinamici, ma tutte quante sono basate sul seguente principio: la radiazione solare 
viene raccolta da specchi con diverse geometrie e quindi viene concentrata su un ricevitore 
dove si sviluppa calore ad alta temperatura che riscalda il fluido termovettore che lo 
attraversa; il calore è utilizzato quindi per muovere un motore collegato al generatore
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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elettrico. Gli impianti CSP sono quindi basati sugli stessi cicli termodinamici  utilizzati anche 
nelle centrali convenzionali a combustibile, modificati per poter operare con l’energia solare 
come fonte primaria. Proprio per il fatto che questi impianti operano con cicli termodinamici 
molto simili a quelli degli impianti a combustibile, spesso vengono utilizzati insieme a questi 
ultimi in modo da sfruttare i punti di forza di entrambe le tecnologie. 
Esistono infatti impianti prevalentemente a combustibile in cui l’energia solare da un piccolo 
contributo alla potenza del ciclo, come avviene, ad esempio, per il Progetto Archimede in 
Sicilia, dove la potenza raccolta dal Sole è di circa 5 MW sui circa 100 MW complessivi; in 
questo modo da una parte si riesce a sfruttare tutta l’energia raccolta dai ricevitori, e 
dall’altra l’impianto giova dei rendimenti elevati e delle economie di scala ottenibili con le 
grandi macchine.  
Esistono però anche impianti prevalentemente funzionanti con l’energia solare, in cui però è 
presente un bruciatore, spesso a gas naturale, che entra in funzione quando viene meno la 
radiazione solare, ad esempio dopo il tramonto o per il passaggio di una nuvola, oppure 
quando è richiesta la produzione massima di lavoro elettrico. La quota parte di energia 
producibile con i combustibili fossili è solitamente limitata dalla legislazione del paese in cui 
è in funzione l’impianto, ad esempio in California (U.S.A.) il limite è del 25% mentre in 
Spagna è del 15%. 
Un altro rimedio volto a ridurre la dipendenza della produzione elettrica dalle condizioni 
meteorologiche e dalle sole ore diurne è la possibilità di accumulare l’energia termica grazie 
a dei grandi serbatoi che mantengono ad elevata temperatura il fluido termovettore per un 
periodo di tempo dipendente dalla dimensione dei serbatoi, solitamente dalle 4 alle 10 ore; 
inoltre, come mostrato nella figura 1.2, con l’accumulo termico è possibile dimensionare 
l’impianto su potenze inferiori ed aumentare le ore di funzionamento riducendo così i costi 
d’impianto. L’accumulo di energia termica in alcuni paesi è vincolato dalla legislazione 
vigente, come avviene ad esempio per l’Italia, il cui meccanismo di incentivazione è spiegato 
successivamente.
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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Figura 1.2 –Esempio di funzionamento giornaliero dell’accumulo di energia termica per un impianto CSP 
 
L’accumulo di energia e la possibilità di funzionamento insieme all’utilizzo di combustibili 
sono tra i principali vantaggi del solare termodinamico rispetto al solare fotovoltaico e alle 
altre fonti rinnovabili come l’eolico; questo in linea teorica permetterebbe un forte utilizzo di 
questa tecnologia in un futuro lontano in cui la quasi totalità dell’energia sarà prodotta da 
fonti rinnovabili. Queste caratteristiche del solare termodinamico portano anche ad altri 
vantaggi; tra i più importanti c’è la possibilità di far funzionare gli impianti come “stand 
alone”, cioè senza la connessione alla rete nazionale, possibilità interessante soprattutto per 
i paesi molto grandi ed in via di sviluppo dove la rete elettrica non arriva dappertutto.  
Nonostante questi numerosi vantaggi, la tecnologia del solare termodinamico presenta 
alcuni notevoli svantaggi, che spiegano la ridotta diffusione degli impianti CSP fino ai giorni 
nostri. Intanto la costruzione degli impianti solari in genere, risulta conveniente solo nei 
paesi appartenenti alla cosiddetta “Sun Belt”, cioè alla cintura solare che racchiude tutti i 
paesi che vanno dalle basse alle medie latitudini, cioè fino ai paesi con climi temperati caldi, 
escludendo quindi i paesi più a Nord ma anche tutti quei paesi dove, nonostante le latitudini 
ottimali, il clima riduce l’energia proveniente per radiazione diretta e quindi la convenienza 
di tali impianti. La figura 1.3 mostra una mappa qualitativa con le zone in cui risulta più 
conveniente l’installazione di impianti solari.
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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Figura 1.3 - Mappa qualitativa con le zone più appropriate per l’installazione di impianti solari  
   
Altri svantaggi degli impianti solari termodinamici legati sempre alla collocazione geografica, 
sono la necessità di un’ampia superficie disponibile, che rende quindi difficile la collocazione 
degli impianti in zone con alta densità di popolazione, come ad esempio in molte zone 
d’Italia; inoltre, nel caso si realizzi un ciclo termodinamico a vapore, questo richiede la 
disponibilità di una vicina sorgente fredda per permettere la condensazione del vapore, 
come potrebbe essere un fiume, un lago o il mare. Questa necessità, risulta spesso in 
contrasto con la ricerca di un posto ideale dal punto di vista della disponibilità di radiazione 
solare, che invece predilige zone aride e desertiche. 
Oltre a questi svantaggi legati alla collocazione geografica ne esistono altri di natura 
tecnologica; questi però dipendono dalla tecnologia adottata per l’impianto, se ne parlerà 
quindi al momento della descrizione delle tipologie di impianti presenti; per ora si può dire 
solamente che non si è ancora arrivati ad un livello di tecnologia e ad una produzione su 
larga scala dei componenti tali da permettere l’abbassamento dei costi d’impianto fino ad un 
livello che renda gli impianti CSP concorrenziali rispetto alle fonti energetiche tradizionali. 
Pertanto la realizzazione di impianti solari termodinamici è ancora legata agli incentivi statali 
e ai fondi destinati alla ricerca.
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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Terminata questa breve introduzione sugli impianti CSP in generale, si può passare ad una 
descrizione delle diverse tipologie d’impianto costruite finora; normalmente gli impianti 
sono classificati in base al tipo di ricevitore solare, per la finalità di questa tesi potrebbero 
essere anche classificati in base al ciclo termodinamico e alle macchine destinate alla 
conversione dell’energia, ma essendo la scelta di queste ultime fortemente legata al tipo di 
ricevitore, si sceglie di seguire la classificazione tradizionale degli impianti CSP. Si possono 
quindi distinguere quattro tipologie principali d’impianto, di cui sono riportate delle 
immagine esemplificative nella figura 1.4.  
 Impianti con collettori parabolici lineari 
 Impianti a specchi Fresnel 
 Impianti con Solar dishes 
 Impianti con ricevitore a torre 
 
 
Figura 1.4 - Confronto tra le principali tecnologie di impianti CSP
Capitolo 1 - Gli impianti CSP 
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1.1 Gli incentivi in Italia 
 
Nell’ultimo decennio in Italia sono stati abbondantemente incentivati gli impianti solari 
fotovoltaici, soprattutto quelli di piccola potenza. Questo ha fatto nascere molte aziende 
operanti in questo settore rendendo così possibile un progressivo miglioramento di questa 
tecnologia e soprattutto un notevole abbattimento dei costi d’impianto. Ormai la tecnologia 
degli impianti fotovoltaici ha quasi raggiunto un livello di autosostentamento, e quindi la 
legislazione italiana con l’ultimo decreto ha avviato un percorso di diminuzione degli 
incentivi per gli impianti fotovoltaici. 
Al contrario, gli impianti solari termodinamici, che finora hanno visto una crescita molto 
lenta a causa di diversi problemi tecnologici ed economici, ultimamente cominciano ad 
essere visti con interesse anche in Italia, per alcuni importanti vantaggi: uno dei principali è 
la minore sensibilità della produzione di energia dalle ore di luce e dagli agenti atmosferici, 
che invece è un problema per gli impianti fotovoltaici che si sta cominciando a sentire negli 
ultimi tempi, dato che ormai l’impatto di questi ultimi sulla produzione elettrica giornaliera 
non è più trascurabile. C’è da precisare però che questo vantaggio può essere raggiunto 
solamente con l’accumulo di energia termica o con un bruciatore aggiuntivo alimentato a 
combustibile; per questo motivo in Italia la legge impone dei limiti minimi sulla capacità di 
accumulo. 
 
1.1.1 Gli incentivi sugli impianti solari fotovoltaici 
Secondo l’ultimo decreto del 2012, che attua quanto previsto dall’articolo 15 del Decreto 
Legislativo n.28 del 2011, possono accedere direttamente alle tariffe incentivanti gli impianti 
fotovoltaici che rispettano le seguenti caratteristiche: 
 impianti fotovoltaici di potenza fino a 50 kW realizzati su edifici con moduli installati 
in sostituzione di coperture su cui è operata la completa rimozione dell’eternit o 
dell’amianto; 
 impianti fotovoltaici di potenza non superiore a 12 kW; 
 impianti fotovoltaici realizzati da Amministrazioni pubbliche; 
 impianti fotovoltaici di potenza superiore a 12 kW e non superiore a 20 kW, che 
richiedono una tariffa ridotta del 20%.
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Tutti gli altri impianti possono accedere alle tariffe incentivanti previa iscrizione al Registro. 
Le tariffe incentivanti valide per gli impianti fotovoltaici sono in funzione per un periodo di 
20 anni dall’entrata in esercizio dell’impianto stesso; la tariffa sarà fissa per tutto il periodo 
di incentivazione e diversa per l’energia prodotta e immessa in rete (tariffa 
omnicomprensiva) e per l’energia prodotta consumata in sito (tariffa premio). Per gli 
impianti di potenza nominale superiore a 1 MW, il gestore elettrico eroga la differenza, se 
positiva, fra la tariffa onnicomprensiva e il prezzo zonale orario. 
La tabella 1.1 riporta i valori della tariffa incentivante per gli impianti fotovoltaici non 
classificati come “su edificio”, al variare del semestre di entrata in esercizio dell’impianto 
fotovoltaico e della potenza dello stesso. Con la lettera O si indica la tariffa omnicomprensiva 
e con la lettera P la tariffa premio sull’energia consumata in loco. Per gli impianti classificati 
come “su edificio”, le tariffe incentivanti sono più elevate, ma per lo scopo di questa tesi 
risulta più utile un confronto con gli impianti non installati su edificio. 
 
Tabella 1.1 – Tariffe incentivanti per il fotovoltaico in Italia 
 
 
Dal sesto semestre in poi, le tariffe incentivanti saranno pari a quelle vigenti nel semestre 
precedente decurtate del 15%.  
Inoltre, queste tariffe possono essere incrementate per: impianti con componenti principali 
realizzati unicamente all’interno di un paese membro UE  e impianti realizzati su edifici con 
moduli installati in sostituzione di coperture prive di amianto.