Analisi e simulazione termodinamica di un impianto ORC solare a concentrazione (CSP): ottimizzazione del ciclo e confronto con un impianto ad acqua

Introduzione 
 
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Introduzione 
 
 
 
 
 
Negli ultimi anni si sta assistendo ad una sempre maggiore espansione delle 
tecnologie per la produzione di energia alimentate da fonte rinnovabile. Questa 
spinta è data dalla definizione di un quadro normativo internazionale sull’ambiente 
che mira a ridurre le emissioni di anidride carbonica a livello mondiale. Esso è stato 
recepito anche sul piano nazionale grazie all’emanazione di una serie di sistemi 
incentivanti. Nel mondo, infatti, si è andata sviluppando una sempre maggiore 
consapevolezza della preoccupante situazione energetica ed ambientale in cui ci si è 
venuti a trovare. La produzione di energia, di fatto, è ancora legata alle fonti di 
energia tradizionali (carbone, petrolio, metano), per cui appare sempre più necessario 
un cambiamento urgente e radicale. 
In questo quadro internazionale favorevole trova posto il solare termodinamico, 
tecnologia che sfrutta la radiazione solare per l’ottenimento di energia elettrica.  
Ad avvalorare questa affermazione, si riporta un’intervista allo scienziato friulano 
Carlo Rubbia, premio Nobel per la fisica nel 1984 e noto sostenitore del solare 
termodinamico. 
Lo scienziato ha spiegato che: “Non solo il petrolio e gli altri combustibili fossili 
sono in via di esaurimento, ma anche l'uranio è destinato a scarseggiare entro 35-40 
anni, come del resto anche l'oro, il platino o il rame. Non possiamo continuare, 
perciò, a elaborare piani energetici sulla base di previsioni sbagliate che rischiano 
di portarci fuori strada. Dobbiamo sviluppare la più importante fonte energetica che 
la natura mette da sempre a nostra disposizione, senza limiti, a costo zero: e cioè il 
Sole, che ogni giorno illumina e riscalda la terra”.
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E sulla problematica della mancanza di deserti, solo all’apparenza indispensabili per 
sfruttare al meglio l’energia solare, in Italia come nel resto dell’Europa, lo stesso 
Rubbia afferma: “Noi possiamo sviluppare la tecnologia e costruire impianti di 
questo genere nelle nostre regioni meridionali o magari in Africa, per trasportare 
poi l'energia nel nostro Paese. Anche gli antichi romani dicevano che l'uva arrivava 
da Cartagine. Basti pensare che un ipotetico quadrato di specchi, lungo 200 
chilometri per ogni lato, potrebbe produrre tutta l'energia necessaria all'intero 
pianeta. E un'area di queste dimensioni equivale appena allo 0,1% delle zone 
desertiche del cosiddetto sun-belt. Per rifornire di elettricità un terzo dell'Italia, 
un'area equivalente a 15 centrali nucleari da un gigawatt, basterebbe un anello 
solare grande come il raccordo di Roma”. 
L’energia solare, dunque, è la risorsa energetica più diffusa sul nostro pianeta e più 
equamente distribuita. La radiazione solare, perciò, più di altre fonti rinnovabili, 
rappresenta una straordinaria opportunità per risolvere le problematiche energetiche 
ed ambientali che affliggono attualmente il mondo. Essa, tra l’altro ha il pregio di 
consentire la produzione sia di energia elettrica che termica, peculiarità che spetta 
solo ad altre poche fonti rinnovabili. Altre fonti rinnovabili, a esempio quella eolica o 
idrica, non presentano questa caratteristica.  
Non deve stupire, perciò, che molti Paesi nel mondo, tra cui l’Italia, abbiano già 
pensato di promuovere un forte sviluppo dei sistemi di sfruttamento dell’energia 
solare. 
Vista l’attualità e l’importanza della questione, si è deciso di dedicare tale elaborato, 
dopo una prima parte descrittiva, allo studio della tecnologia del solare 
termodinamico integrato con un impianto ORC con acetone come fluido motore. 
Tale fluido, infatti, viste le sue caratteristiche chimiche, fisiche e termodinamiche, si 
è dimostrato adatto per essere impiegato in questo tipo di applicazione. Per il fluido 
termovettore si è scelto di impiegare l’olio diatermico, sostanza generalmente 
utilizzata nel solare termodinamico. 
Si è eseguita, in particolare, una simulazione termodinamica di un impianto di 
piccola potenza, mirata all’ottimizzazione del processo di conversione dell’energia 
attraverso la gestione di alcuni parametri di processo. Dalla simulazione si sono
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ottenute informazioni sull’impianto reale, nello specifico la potenza termica che 
devono smaltire gli scambiatori di calore e le dimensioni degli specchi, con relativi 
andamenti dei costi di investimento. 
A tal scopo si è impiegato il software commerciale Aspen Plus. In esso è stato 
implementato l’impianto al fine di valutare le prestazioni energetiche dello stesso e le 
eventuali opportunità di sviluppo. 
Nell’ultima parte della trattazione, poi, si è effettuato un confronto tra la soluzione 
presa in esame e il caso in cui il fluido motore sia acqua e non acetone. In questo 
modo è stato possibile mettere in luce le principali differenze tra le prestazioni 
dell’impianto con i due fluidi, con le conseguenze che ciò comporta.
Capitolo 1 
 
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Capitolo 1 
Il solare termodinamico 
 
 
 
 
 
 
1.1 Generalità 
Il solare termodinamico è quell’insieme di tecnologie che permettono l’ottenimento 
di energia elettrica dalla fonte solare. Si sfrutta, in particolare, la componente diretta 
della radiazione solare (DNI cioè Direct Normal Irradiance). 
Spesso la tecnologia è indentificata anche con la dicitura CSP (acronimo che in 
inglese sta per Concentrating Solar Power). 
Il processo citato avviene grazie a due trasformazioni sequenziali. La prima consiste 
nell’ottenimento di energia termica, immagazzinata in un fluido intermedio, detto 
termovettore, e la seconda che consta nella conversione di tale energia termica in 
meccanica, attraverso un ciclo termodinamico motore. Essa, infine, viene trasferita, 
attraverso un albero, ad un motore elettrico che permette l’ottenimento di energia 
elettrica, disponibile per la rete. 
Il solare termodinamico si mostra particolarmente interessante proprio per la 
possibilità che offre di utilizzare come fonte primaria energia solare, la quale ha il 
vantaggio di essere pulita e praticamente inesauribile. Il solare termodinamico, 
quindi, risulta essere un valido supporto agli impianti tradizionali (quelli che si
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servono di fonti fossili) proprio per l’impatto ambientale praticamente nullo durante 
la fase di esercizio. 
Altri vantaggi offerti, tipici del solare termodinamico, sono: 
 la competitività con le altre tecnologie solari; 
 la possibilità di costruire impianti da decine di MW
el
; 
 la possibilità di controllare la potenza erogata; 
 l’opportunità di sviluppo per più settori. 
Il solare termodinamico, inoltre, è oggi la via più economica per la conversione 
dell’energia solare in elettricità su grande scala; ancor più del fotovoltaico. 
Per quanto riguarda il rendimento globale dell’impianto, esso è dato dal rapporto tra 
l’energia elettrica ottenuta e l’energia termica disponibile, proveniente dalla 
radiazione solare. Stesso valore si ottiene se si fa riferimento alla potenza. Il 
rendimento di un impianto solare termodinamico (quello, cioè, che non tiene conto 
dell’efficienza di conversione elettrica), a sua volta, è dato dal prodotto del 
rendimento di captazione dell’energia solare da parte dei concentratori (tipicamente 
variabile tra il 30 e il 60%, in funzione soprattutto delle condizione climatiche) e il 
rendimento dell’impianto motore. I valori tipici di rendimento globale che si 
ottengono sono tra il 20 e il 25%, quindi pienamente in linea con quelli del solare 
fotovoltaico. 
1.2 Storia del solare termodinamico 
L’esempio che conosciamo più antico della capacità dell’uomo di convogliare la 
radiazione solare attraverso specchi opportunamente sagomati e posizionati risale al 
Mondo Antico. Si pensa, infatti, come testimoniato da alcuni raffigurazioni, che 
Archimede di Siracusa (Siracusa, circa 287 a.C. - 212 a.C.) avesse ideato un sistema 
molto ingegnoso che egli stesso definì degli specchi ustori. Questi ultimi erano 
costituiti da lamiere metalliche concave che riflettevano la luce solare 
concentrandola sui nemici e incendiandone le imbarcazioni in legno, come si vede 
dalla figura.
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Una stampa che riproduce l’uso degli specchi ustori durante l’assedio romano a 
Siracusa. 
I primi tentativi moderni di sfruttamento concentrato dalla radiazione solare iniziano 
alla fine del 1800 con realizzazioni che, nei limiti dell’epoca, già anticipano i concept 
attuali. 
Arrivando al secolo scorso, diversamente da quanto si potrebbe pensare, la moderna 
utilizzazione del solare termodinamico risale a già circa trent’anni fa. 
A ciò precede una fase di studio che riguarda molti Paesi. In Italia, negli anni ‘60 e 
‘70, le ricerche nel settore sono condotte pioneristicamente dal prof. Giovanni 
Francia con risultati sorprendenti e tuttora attuali. Verso la fine degli anni ‘70 
comincia una collaborazione internazionale che porterà alla costruzione in Europa 
della “Plataforma Solare de Almeria”, anche con il contributo italiano. Subito dopo 
vengono realizzati i primi impianti a torre. Allo stesso tempo cominciano le 
sperimentazioni con i sistemi solar-dish. A questi studi si aggiungono, alla fine degli 
anni ‘90, quelli sui collettori lineari Fresnel. 
Molto importante è la realizzazione del primo impianto solare termodinamico di 
grossa taglia negli Stati Uniti. Nel deserto di Mojave, in California, infatti, è stato 
realizzato un complesso di nove centrali a energia solare con capacità complessiva di
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354 MW
el e
 con un immagazzinamento termico che garantisce un’autonomia di circa 
tre ore. Nonostante la fattibilità tecnica di questo tipo di impianti, la LUZ 
International, la società responsabile della costruzione della centrale e della 
progettazione di nuovi impianti, è fallita. Per dieci anni, quindi, negli Stati Uniti e nel 
resto del mondo lo sviluppo del solare termodinamico è stato accantonato per due 
motivi principali: 
 La produzione di energia elettrica da gas metano era economicamente molto 
più vantaggiosa. Basti pensare che nel 1997 il costo del kWh prodotto da 
fonti fossili era di appena 0,025-0,030 $/kWh contro i 0,15 $/kWh delle 
centrali a concentrazione. 
 Non esistevano politiche di incentivi ben definite che miravano a sostenere le 
fonti rinnovabili, quale quella solare. 
A partire dal 1997, però, lo scenario è cambiato radicalmente a causa del crescente 
prezzo di mercato del gas naturale, che in pochi anni ha quintuplicato il proprio 
valore. Ciò ha incrementato il costo di produzione dell’energia elettrica da fonte 
tradizionale, rendendo nuovamente competitivo il solare termodinamico. In questo 
nuovo assetto del mercato delle materie prime, la tecnologia CSP può nuovamente 
ritagliarsi un ruolo da protagonista.   
1.3 L’impianto 
Si vuole analizzare, a questo punto, quali sono i componenti principali di un impianto 
solare termodinamico nella sua forma semplificata. 
A livello concettuale lo schema di base di un impianto CSP si presenta come in 
figura. 
 
Schema a blocchi di un impianto solare termodinamico.
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Come si evince dalla figura è possibile identificare quattro blocchi principali: 
 Sistema di collettori, responsabile di raccogliere la radiazione solare; 
 Sistema di ricevitori, incaricato di immagazzinare l’energia solare in un 
fluido termovettore;  
 Sistema di accumulo, che permette di accumulare il calore disponibile per i 
periodi di assenza della radiazione solare diretta; 
 Sistema di generazione, il quale converte l’energia termica del fluido 
termovettore in elettricità. 
Si riporta, a seguire, una visione schematica di un impianto solare termodinamico 
d’esempio in cui sono presenti anche il sistema di stoccaggio del calore a due livelli 
di temperatura e  il sistema di generazione, costituito da un impianto a vapore. 
 
Layout semplificato di un impianto solare termodinamico. 
1.4 Sistema di collettori 
La parte probabilmente più importante di un impianto CSP è costituita dal sistema di 
specchi, opportunamente sagomati, che permettono di convogliare le radiazioni solari 
su una superficie limitata, come si evince dalla figura.