Per far funzionare davvero il solare, alza il calore

Randy Montoya

Una torre di 200 piedi si trova centrata di fronte a un campo di specchi rotanti all'estremità meridionale di Albuquerque, nel New Mexico.

È la National Solar Thermal Test Facility, gestita dai Sandia National Laboratories, dove gli scienziati stanno lavorando per sviluppare tecnologie più calde, più economiche e più efficienti per concentrare l'energia solare.

Le centinaia di specchi concentrano la luce solare su un ricevitore in cima alla torre solare. Nei sistemi convenzionali, questo riscalderebbe l'acqua o altri fluidi per generare vapore che aziona una turbina elettrica. Ma qui invece una cortina di fini particelle di ceramica cade continuamente attraverso il raggio di sole concentrato. Le particelle, che assomigliano alla sabbia nera, possono facilmente raggiungere temperature di 100 ˚C superiori a quelle dei fluidi standard. Ciò promette di aumentare l'energia disponibile, riducendo i costi di produzione e stoccaggio.

Questo approccio è uno dei tre che i ricercatori federali ritengono possa aiutare a concentrare l'energia solare a diventare finalmente accessibile e sostenibile. Lo scorso gennaio il Laboratorio Nazionale delle Energie Rinnovabili pubblicato una road map dimostrativa di nuova generazione che ha evidenziato la caduta di particelle, sistemi di sale fuso a temperatura più elevata e un fluido termovettore a base di gas come percorsi promettenti per produrre energia solare termica a sei centesimi per kilowattora entro il 2020, un obiettivo fissato da l'iniziativa SunShot del Dipartimento dell'Energia nel 2011.

Il Dipartimento dell'Energia ha annunciato a settembre che avrebbe investito 62 milioni di dollari in circa una dozzina di progetti promettenti lungo questi percorsi, suscitando una rinnovata eccitazione in un campo che era in gran parte svanito dall'opinione pubblica (vedi Dare un senso al sorprendente investimento di Trump nel solare).

I ricercatori del Sandia, del National Renewable Energy Laboratory, del Savannah River National Laboratory e del Brayton Energy hanno confermato di Revisione della tecnologia del MIT che hanno richiesto i fondi, individualmente o come squadre. Documenti concettuali erano dovuti all'inizio di questo mese e la scadenza per le domande complete è metà gennaio 2018.

Tutti in CSP considerano questa come una grande opportunità di ricerca, afferma Cliff Ho, un ingegnere di Sandia e ricercatore principale del progetto di caduta delle particelle.

Il grande vantaggio di concentrare il solare rispetto al fotovoltaico è che l'energia termica può essere immagazzinata in modo più semplice ed economico rispetto all'elettricità. Ciò significa che gli impianti possono aumentare o diminuire la produzione per soddisfare le richieste in tempo reale della rete, anche di notte, una flessibilità che i pannelli solari non possono eguagliare senza batterie grandi e costose o altre forme limitate di accumulo.

Storia correlata

Storia correlata I 62 milioni di dollari del DOE in progetti solari a concentrazione potrebbero portare avanti una tecnologia che affronta una carenza critica del fotovoltaico.

Il problema è che costruire e far funzionare una centrale solare a concentrazione è costoso. Lo stabilimento Ivanpah da 2,2 miliardi di dollari e 170.000 specchi nel deserto del Mojave in California, di proprietà di BrightSource, NRG e Google, è solo l'ultimo occhio nero per il settore. Da quando venendo in linea nel 2014 il progetto è stato afflitto da costi elevati, bassa produzione , un fuoco , e commissione di utilità minacce per spegnerlo. Negli anni '80, Luz International ha eretto nove impianti solari a concentrazione di prima generazione nello stesso deserto, solo per vedere il crollo di quelle operazioni ad alto costo quando le politiche governative di supporto sono scadute. Luz e BrightSource sono stati entrambi fondati da Arnold Goldman, che morto a giugno (vedi Inseguendo il sole).

Il costo dell'energia livellato di Lazard Analisi ha scoperto lo scorso dicembre che la produzione di energia da una torre solare termica con accumulo era compresa tra $ 119 e $ 182 per megawattora, rispetto ai $ 48-78 per il gas naturale a ciclo combinato. Secondo Dati 2015 da NREL.

I ricercatori del DOE hanno precedentemente stabilito che il primo passo verso il miglioramento dell'efficienza e dell'economia della concentrazione dell'energia solare è il passaggio dai tradizionali cicli di energia a vapore a quello che è noto come ciclo di Brayton supercritico dell'anidride carbonica. Mettendo l'anidride carbonica ad alta temperatura e pressione, assume le proprietà sia di un liquido che di un gas e aumenta significativamente l'efficienza di conversione dell'energia.

A Scienza carta a maggio concluso che un ciclo Brayton supercritico ad anidride carbonica potrebbe essere fino al 30% più efficiente rispetto alle tradizionali turbine a vapore. Il problema, tuttavia, è che l'esecuzione di questo ciclo di alimentazione richiede una fonte di calore di almeno 700 ˚C per realizzare il suo pieno potenziale, nonché un sistema di trasferimento del calore in grado di funzionare a temperature così elevate.

Tutti e tre i percorsi evidenziati da NREL sono sforzi per aumentare la temperatura, sebbene ognuno abbia la propria serie di promesse e sfide. Il sale fuso, ad esempio, è già stato fatto, ma il passaggio a sali alternativi in ​​grado di funzionare a temperature più elevate richiederà materiali di contenimento, tubi e pompe più durevoli. L'approccio del gas potrebbe essere perseguito con gas relativamente facili da gestire come l'anidride carbonica o l'elio, ma saranno necessarie ulteriori ricerche per ridurre al minimo il consumo di energia dalla circolazione dei gas.

Storia correlata

Storia correlata Il governo federale sta per spendere miliardi di dollari in energie rinnovabili. Nella parte II della nostra serie sul disegno di legge di stimolo federale, esaminiamo l'impatto che la spesa avrà sul futuro dell'energia solare.

Il ricevitore di particelle in caduta di Sandia è la cosa più vicina a un prototipo funzionante lungo uno qualsiasi di questi percorsi. Gli ingegneri lo hanno posizionato per la prima volta sulla torre presso la National Solar Thermal Testing Facility nel luglio 2015.

Le particelle sono costituite principalmente da allumina e ossido di ferro. Dopo essere caduti attraverso il raggio solare, tornano in cima su un ascensore, in un anello. Il team ha raggiunto temperature fino a 900 ˚C, afferma l'ingegnere di Sandia Ho.

In questa fase, il ricevitore non è collegato a nessun componente aggiuntivo. Ma il team ha lavorato in collaborazione con appaltatori privati ​​per sviluppare uno scambiatore di calore che alla fine trasferirà il calore dalle particelle all'anidride carbonica pressurizzata che scorre attraverso un circuito collegato.

Un gruppo separato a Sandia è già stato sviluppando e valutare i cicli di anidride carbonica supercritici. Il team di Ho ha iniziato a lavorare sul proprio sistema specifico per l'impianto di energia solare a concentrazione. Intendono collegare lo scambiatore di calore una volta arrivato a marzo e il circuito dell'anidride carbonica supercritica poco dopo. Ho dice che spera di attivare il sistema integrato la prossima estate.

nascondere