Accumulo dell'energia solare termica
Come per altre fonti rinnovabili anche per l'energia solare uno dei limiti da superare è l' irregolarità dell'energia disponibile, per cui i sistemi di accumulo sono un aspetto importante per l'evoluzione e la diffusione delle tecnologie sviluppate.

L’energia prodotta dagli impianti termosolari può non essere limitata alle sole ore di insolazione e alle fluttuazioni dei passaggi nuvolosi. A tale scopo, due tecniche sono state già largamente collaudate. Esse offrono anche un migliore fattore di utilizzo dell’installazione e quindi un costo minore per la produzione di energia elettrica:
Accumulo dell’energia termica: il calore prodotto viene usato per riscaldare un mezzo, dal quale, al momento opportuno, si estrae il calore per produrre l’energia elettrica. Questi dispositivi sono di basso costo, alta efficienza e permettono di mantenere l’impianto operativo durante i picchi della domanda e durante le ore notturne. Essi hanno anche il vantaggio di eliminare, in molti casi, le fluttuazioni dovute ai transienti (nubi).

Sistemi ibridi solare-metano: durante i periodi prolungati di assenza di calore solare, l’energia mancante può essere data dal metano, con riduzione dei costi. Un sistema ibrido può essere economicamente convenienti anche per potenze solari più modeste.

Un altro sistema per ovviare alla discontinuità della fonte solare è il suo utilizzo per la produzione di idrogeno tramite termolisi o fotolisi, anche per mezzo di catalizzatori, gli impianti sperimentali in tal senso sono appena agli inizi.

Inoltre è possibile accumulare il calore solare per fini termici.


Accumulo di calore con sistemi a sali fusi
Per applicazioni in centrali termoelettriche, sopratutto ad energia solare, il sistema più adottato è costituito da serbatoi di sali fusi i quali hanno la proprietà di essere dei pessimi conduttori di calore e quindi lo trattengono fino al momento del suo prelievo per le necessità richieste dal sistema.
La centrale a torre "Solar Two", in california, della potenza di 10 MW, utilizza nitrato di sodio fuso per l'immagazzinamento del calore e la produzione di vapore, consentendo di ottenere migliori efficienze e una maggiore flessibilità nell'utilizzo della produzione di energia elettrica.

I costi dei serbatoi di accumulo a sai fusi sono molto interessanti: attualmente circa 35 € al kWt con una prospettiva di arrivare a soli 10 € al kWt

Il progetto "Archimede" dell'ENEA, della potenza di 5 MW, ha tra le principali innovazioni l' utilizzo di un accumulatore termico di 600 MWh a base di nitrati di sodio e potassio, mediante il quale l'impianto può erogare una potenza elettrica costante nell'arco delle 24 ore, indipendentemente dalla variabilità della fonte solare;

L'uso di sali fusi permette il funzionamento dell' assorbitore della ricevente a pressioni molto più basse; l’unico vincolo è che il sale deve sempre essere mantenuto al disopra del punto di fusione (220°C)

Un serbatoio per accumulo termico sperimentato in USA, nella direzione di una riduzione dei costi di questi sistemi il serbatoio contiene un mix di sali e minerali: nitrato di sodio, nitrato di potassio, quarzite e polvere di silicio.

Il costo di questo sistema di accumulo è di 200 € al kW

Fonte
www.energylan.sandia.gov

Analisi tecnica di alcuni sistemi per accumulo termico www.eere.energy.gov





Accumulo di calore con minerali solidi
L'energia termica può essere immagazzinata anche mediante un serbatoio di calore costituito da semplice ghiaia e sassi.
L’energia immessa dal concentratore solare nel contenitore ad alta temperatura (es. 430 °C) può essere trasferita al serbatoio di calore mediante la semplice aria calda, attraverso un opportuno "mantice" metallico nel sottostante serbatoio di calore, attraverso due tubi coassiali verticali, termicamente isolati; quello interno per l’aria calda, quello esterno per l’aria meno calda da riscaldare nuovamente, passando di nuovo attraverso il fuoco del concentratore solare.

Nell' immagine a lato la veduta d'insieme di un concentratore solare parabolico dotato di un serbatoio a ghiaia e sassi, il calore accumulato si dimezza dopo 24 ore, migliorando l'isolamento termico i tempi di conservazione del calore si allungano.

Fonte
digilander.libero.it/serbatoio-energia.htm

In questo sistema il motore accoppiato al generatore potrebbe anche essere a vapore, ottenibile anche modificando un motore diesel.
people.linux-gull.ch
Sistema Solar Pond
Il termine "Solar Pond" viene usato per descrivere una massa di acqua, contenuta in un bacino, che assorbe l'energia solare incidente e l'accumula al suo interno.
Per ottenere questa prestazione si possono annoverare 3 tipi base di lago solare, identificati con i termini: lago solare a gradiente salino (salinity gradient solar pond), gel pond ed infine shallow solar pond. Dei tre il primo è quello la cui tecnica è stata utilizzata per la quasi totalità delle realizzazioni e per la conduzione degli studi sui fenomeni fisici di funzionamento.

La costruzione del solar pond può essere eseguita con le normali tecniche di intervento previste dall'industria per l'edilizia come lo scavo del bacino, la copertura dello stesso con una membrana impermeabile e la costruzione delle strutture per l'alloggiamento delle apparecchiature di estrazione e di utilizzo del calore prodotto. In questo modo si possono realizzare grandi superfici di raccolta del calore, fino a migliaia di metri quadrati, con costi per unità di area molto inferiori a quelli di qualunque altra metodologia di sfruttamento dell'energia solare.

La grande massa di accumulo e la capacità di isolamento termico caratterizzano i solar pond, che così possono mantenere l'energia termica per lunghi periodi (stagioni) senza che si registrino sensibili diminuzioni della temperatura della salamoia.

I costi di costruzione di un lago solare, riferiti all'unità di superficie, possono variare con l'area di captazione del bacino. Si riporta la stima dei costi unitari di costruzione per laghi solari di diversa taglia: superficie di 2.000 m2, costo 150 euro/m2;superficie 20.000 m2, costo 95 euro/m2 ; superficie 200.000 m2 costo 70 euro/m2.

Lo strato intermedio agisce come un isolante termico trasparente, che permette al calore accumulato nello strato convettivo inferiore di essere estratto con tecniche di scambio termico ed essere utilizzato per scopi termici.

Fonte
www.ilsolea360gradi.it
www.de.unifi.it
   
Questo tipo di lago solare viene realizzato versando nell'invaso una soluzione di sale in acqua, per esempio cloruro di sodio, utilizzando tecniche di riempimento che permettono di stabilire un gradiente di concentrazione salina crescente con la profondità fino alla saturazione sullo strato di fondo. In effetti sulla sezione verticale del bacino ( vedi schema) si possono riscontrare i tre strati caratteristici sovrapposti: il primo in alto molto sottile, costituito da acqua con una piccola quantità di sale, quello centrale, nel quale si può osservare una variazione lineare di salinità ed infine lo strato di fondo omogeneo e saturo di sale. Quando la radiazione solare, incidente sulla superficie del bacino, penetra attraverso la massa trasparente di soluzione, viene assorbita sul fondo ed il calore prodotto si trasmette alla soluzione per convezione. Il conseguente trasferimento ascensionale di massa e di energia, che porterebbe alla dissipazione del calore in superficie, trova una barriera nell'interfaccia con lo strato a gradiente salino ed il calore rimane accumulato nella salamoia del fondo: la temperatura può raggiungere anche i 100 °C.

   
      Solar pond ad Ancona

Accumulo tramite la produzione di idrogeno
Una società canadese sta sviluppando un processo che usa la luce solare e l'acqua per produrre l'idrogeno.
Il processo è basato su un ciclo termico-catalitico che richiede il calore come input per un catalizzatore che ha permesso in fase sperimentale di ottenere la dissociazione atomica già a 400°C, un concentratore solare a 5000 soli da loro realizzato raggiunge i 750°C, temperatura abbastanza elevata per rendere efficiente il reattore chimico.
www.shec-labs.com

l'impiego del solare termico a concentrazione per la produzione di idrogeno potrebbe risultare interessante già a breve termine usando come fonte di idrogeno, oltre che all'acqua (termolisi ), anche il metano (reforming) o, meglio, le biomasse (pirolisi).

La termolisi richiede temperature elevatissime (minimo 2000°C, efficienza a 5000°C) per rompere i legami molecolari tra idrogeno e ossigeno. Il problema non è il raggiungimento delle temperature utili con un sistema a concentrazione solare ma nella resistenza dei materiali a tali temperature di esercizio. Per ovviare al problema si adotta un sistema di reazioni a temperature più basse in ciascuna delle quali alcune sostanze ausiliarie asportano dall'acqua l'idrogeno e l'ossigeno per poi rigenerarsi.

Il reforming del metano è un processo basato su un insieme di reazioni dove l'idrogeno è fornito per metà dal metano e per metà dall'acqua. Il risultato di tale processo, che allo stato attuale è il più economico, prevede la produzione di anidride carbonica che dovrebbe essere confinata, stoccata. Il processo di reforming, è di tipo endotermico, prevede cioè la necessità di immettere energia termica e questo comporta un bilancio energetico di circa >0,75. Per coprire il deficit di energia si può ricorrere all'energia solare.

La pirolisi di biomasse ha il grande vantaggio di poter produrre solo idrogeno gassoso e carbonio solido, facilmente separabili. Anche in questa circostanza per coprire il fabbisogno di energia si può ricorrere, in parte, all' energia termosolare.

Fonte
www.bluerosso.com

Il sistema a concentrazione della Shec-Labs






Schema funzionale di impianto per la produzione di idrogeno tramite sistemi solari a concentrazione come da progetto ENEA
www.enea.it/fasi.html
www.enea.it/processi.html