PAG. 40 SAPERE - FEBBRAIO 2009

terza pagina/solare termoelettrico

Nel novembre del 2007 la società Ausra, start up statu-nitense di Palo Alto, annunciò la costruzione in Cali-fornia di una innovativa centrale solare a concentra-

zione da 177 MWe nei Carrizo Plains. Un anno dopo, il 23 ot-tobre 2008, il governatore della California Schwarzenegger eil presidente dell’Ausra Bob Fishman hanno inaugurato aBakersfield l’impianto solare termoelettrico di Kimberlina.Con una potenza elettrica di 5 MWe, questo impianto è ilprimo al mondo a produrre energia elettrica termica solareutilizzando le avanzate tecnologie dell’Ausra e rappresentaun’importante tappa per la costruzione della centrale di Car-rizo Plains. Un’altra importante tappa l’Ausra l’aveva realiz-zata alla fine del mese di giugno, con la messa in funzionea Las Vegas nel Nevada del primo centro per la fabbrica-zione e la distribuzione dei componenti dei suoi impianti,dalla capacità di 700 MW all’anno.Tutte queste notizie dagli Stati Uniti sono passate quasi inos-servate in Italia. Eppure sono relative a una innovativa industriadel solare termoelettrico entrata sulla scena mondiale negli ul-timi due anni e basata sulla concentrazione lineare fresnel: unatecnologia che potrebbe segnare una svolta nella generazionedell’elettricità termosolare rendendola competitiva, in termini dicosti, con quella da combustibili fossili e nucleari.A differenza della tecnologia fotovoltaica, che converte la ra-diazione solare direttamente in energia elettrica, il solare ter-moelettrico la utilizza per produrre vapore ad alta pressione ealimentare una turbina che, a sua volta, aziona un generatore elet-trico. Fonte energetica a parte, dunque, gli impianti funzionano inmodo analogo alle centrali a carbone, petrolio, gas o combusti-bili nucleari. Gli aspetti maggiormente innovativi della tecnologiatermosolare riguardano, di conseguenza, quindi i sistemi di rac-colta e innalzamento della temperatura del calore solare e di im-

magazzinamento per quando il sole non c’è (1). Sistemi che sonoriconducibili essenzialmente a due categorie: una prima, in cui glispecchi concentrano la radiazione solare su un tubo, detti per-tanto a concentrazione lineare, e una seconda, nella quale la ra-diazione solare è concentrata in un punto, detti quindi impiantia concentrazione con ricevitore centrale (Figg. 1-4).Noti da tempo, gli impianti solari termoelettrici a concentra-zione hanno riscosso di recente un rinnovato interesse, che èandato crescendo molto rapidamente. Alla potenza di impiantiin esercizio (470 MW) e in costruzione (157 MW) si sono ag-giunti negli ultimi mesi ben 5.800 MW in programma (2). Laprospettiva di installare migliaia di megawatt solari termici è an-data rafforzandosi anche, e soprattutto, per gli ambiziosi pro-grammi di società come l’Ausra, che Schwarzenegger, interve-nendo all’inaugurazione dell’impianto di Kimberlina, ha dettoessere una delle migliori aziende in California e nel mondo.Le centrali dell’Ausra sono basate sulla tecnologia del Com-pact Linear Fresnel Reflector (CLFR), combinata con un sistemadi immagazzinamento in caverna sotterranea dell’energia ter-mica contenuta nel vapore prodotto, capace di far funzionarecontinuativamente la centrale fino a 20 ore (quindi anchequando il sole è tramontato). Si tratta di due tecnologie svi-luppate inizialmente in Australia da David Mills, responsabilescientifico e fondatore di Ausra e ora in fase di perfeziona-mento per la costruzione dell’annunciata centrale da 177 MWe.I costi previsti per il kWh solare prodotto da questa centraleal momento della sua entrata in esercizio nel 2010 (intorno ai10 centesimi di dollaro al kWh) sarebbero già ora confronta-bili negli Stati Uniti con quelli del kWh da combustibili fossili(intorno a 8 centesimi di dollaro al kWh). E si prevede chepossano negli anni successivi scendere ulteriormente, intornoai 7 centesimi.

Cosa bolle in pentola

Cesare Silvi

In California è in costruzione un impianto a concentrazione lineare tipo fresnel da177 MWe che promette di essere competitivo con la generazione da fonti fossili e nucleari

SAPERE - FEBBRAIO 2009 PAG. 41

Un padre italiano

Prima di entrare in merito alle notizie che vengono dagli StatiUniti e, in particolare dalla California, ci piace qui ricordarealcuni importanti precedenti storici, tutti italiani, delle tecno-logie ora in sviluppo a Palo Alto nella Silicon Valley. Ne fu ar-tefice agli inizi degli anni Sessanta dello scorso secolo GiovanniFrancia (Torino, 1911 – Genova, 1980), matematico, inventore,ingegnere, grande pioniere del solare e noto a livello mondialecome il “padre” delle centrali solari termoelettriche (vedi Sa-pere, agosto 2005 e ottobre 2006). L’idea centrale di Francia erache il calore solare, abbondante ma a bassa densità e a bassatemperatura, dovesse essere raccolto in modo da ottenere letemperature necessarie per far funzionare le macchine delle so-cietà tecnologicamente e industrialmente avanzate, a comin-ciare dagli impianti per la produzione di energia elettrica. Perraggiungere questo obiettivo, Francia ricorse alle tecniche noteda secoli della concentrazione della radiazione solare conspecchi su un ricevitore o caldaia. Dimostrò per la prima voltaal mondo che era possibile produrre con il calore del sole va-pore ad alte pressioni e alte temperature in sistemi a concen-trazione lineare e puntuale di tipo fresnel, vale a dire con campidi specchi quasi piani che possono essere immaginati come ri-

sultanti dal “frazionamento” di un grande specchio parabolicolineare o di un grande specchio parabolico sferico, come illu-strato nelle figure citate (1-4). I “campi specchi” utilizzati daFrancia nei suoi pionieristici impianti di Marsiglia (1964) e, inItalia, di S. Ilario (1965) vengono chiamati di “tipo fresnel” inquanto ricordano il procedimento che condusse il fisico Augu-stin-Jean Fresnel a inventare la lente che porta il suo nome, ot-tenuta “frazionando” una lente sferica in una serie di sezionianulari concentriche, chiamate anelli di “fresnel” (vedi figura 5).Giovanni Francia introdusse geniali e rivoluzionarie invenzioninegli impianti solari a concentrazione lineare e a concentra-zione con ricevitore puntuale o centrale, rispetto a come questierano stati concepiti fino ad allora. Invenzioni relative sia al-l’architettura generale di apposite componentistiche, dai cine-matismi degli specchi per l’inseguimento del sole all’uso dellecelle anti-irraggianti o a nido d’ape nella costruzione dei ricevi-tori o caldaie, particolari di grandissimo rilievo quest’ultimi chesono stati oggi rimpiazzati con efficienti superficie selettive, ca-paci di assorbire al massimo e riflettere al minimo la radiazionesolare su di loro concentrata dagli specchi. Francia va anche ri-cordato, oltre che per i suoi pionieristici impianti degli anni Ses-santa, per essere stato l’ispiratore di Eurelios, la prima grandecentrale solare al mondo a concentrazione con ricevitore cen-

L’impianto solare termoelettrico di Kimberlina inaugurato il 23 ottobre 2008 a Bakersfield, California. Si tratta del primo impianto diquesto tipo al mondo della potenza di 5 MWe.

PAG. 42 SAPERE - FEBBRAIO 2009

a a

ricevitore tubolare

ricevitore tubolare

specchispecchi

Radiazione solare direttaRadiazione riflessa

b b

Radiazione solare direttaRadiazione riflessa

specchispecchio

ricevitore centrale

ricevitorecentrale

Fig. 1. Sistemi a concentrazione lineare: a) concentratore parabolico li-neare; b) concentratore lineare fresnel. Fig 2. Sistemi con ricevitore ocaldaia centrale: a) concentratore sferico parabolico puntuale; b) con-centratore con ricevitore centrale a torre fresnel. Fig 3. La struttura diappoggio degli specchi e di sostegno del tubo ricevitore del primo im-pianto al mondo a concentrazione lineare fresnel (tipo b della fig. 1).Questo impianto, progettato a Genova e installato a Marsiglia nel 1964da Giovanni Francia, dimostrò la possibilità di produrre 38 kg/h di va-pore a 100 atm e 450 °C, con un irraggiamento solare di 1.000 W/m2

(archivio Giovanni Francia). Fig 4. Primo impianto al mondo con con-centratore con ricevitore centrale a torre fresnel (tipo b della fig. 3).L’impianto, progettato e installato a S. Ilario nel 1965 da GiovanniFrancia, produceva fino a 21 kg/h di vapore a 500 ºC e a 100 atm conun irraggiamento di 900 W/m2 (archivio Giovanni Francia). Fig. 5. Inalto la sezione trasversale di una lente sferica. In basso la sezione tra-sversale di una lente di fresnel di uguale capacità di concentrazione.Fig. 6. Schema di funzionamento di un impianto solare termoelettricoAusra a concentrazione lineare fresnel (da www.ausra.com): 1) Sem-plici specchi quasi piani inseguono il sole e ruotando ne concentrano il

calore sui sovrastanti tubi ricevitori fissi e contenenti solo acqua; 2) Ilcalore del sole fa bollire l'acqua e produce vapore a pressioni elevate; 3)Il calore del sole, prodotto in eccesso rispetto a quello necessario per farfunzionare l'impianto, viene immagazzinato sotto pressione in un ser-batoio per essere utilizzato quando il sole non c’è; 4) Il vapore azionadirettamente una turbina a vapore; 5) La turbina aziona un alterna-tore e l'energia elettrica prodotta viene immessa nella rete; 6) Il vaporeraffreddatosi nell'espansione torna ad essere acqua che viene reimmessanel ciclo.

SAPERE - FEBBRAIO 2009 PAG. 43

terza pagina/solare termoelettrico

a

b

c d

Fig. 7. Schizzi di una grande centrale solare a concentrazionelineare fresnel progettata da Francia (circa 1964): a) la cen-trale solare integrata in un territorio urbanizzato; b) duecampi specchi e i relativi ricevitori lineari montati su alte torri;c) particolare del ricevitore e delle strutture per la sua manu-tenzione; d) particolare degli specchi e delle relative strutturedi sostegno e orientamento (dall'archivio di Giovanni Francia,donato nel 2006 all'Archivio nazionale sulla storia del-l’energia solare).

PAG. 44 SAPERE - FEBBRAIO 2009

trale fresnel o a torre, co-struita e collegata nel1980 alla rete elettrica da1 MW, ubicata nelle vici-nanze di Adrano in pro-vincia di Catania. Si trattòdi un importante primatomondiale presto dimenti-cato in Italia (3).Sono poi quasi del tuttodimenticate e scono-sciute, anche tra coloroche si occupano dienergia solare, le pio-nieristiche imprese diFrancia sugli impianti aconcentrazione linearefresnel, culminate nellacostruzione a Marsiglia,con la collaborazione diMarcel Perrot, tra il 1963e il 1964, del primo im-pianto al mondo diquesto tipo e i cui fondamentali dell’architettura impianti-stica si ritrovano nell’attuale impianto CFLR di Kimberlina(Fig. 6). I risultati ottenuti nella sperimentazione dell’im-pianto di Marsiglia ispirarono Francia a progettare grandicentrali solari, come si può vedere nei disegni di figura 7,che illustrano un impianto inserito in un contesto urbano eil particolare dei campi specchi e dei ricevitori lineari mon-tati su alte torri. Da questi schizzi è evidente il rivoluzio-nario approccio alla concentrazione lineare introdotto daFrancia rispetto a come era stato concepito fino a quel mo-mento. Si confrontino al riguardo le immagini dell’impiantodi Francia con quella diun campo di specchi aparabole lineari della cen-trale Andesol 1 in costru-zione nel Sud dellaSpagna (Fig. 8). Si tratta diuna tecnologia che ha im-portanti predecessori. Im-pianti con concentratoriparaboloci lineari, peruna potenza totale di 354MW, sono stati costruiti apartire dal 1985 e sono infunzione nel deserto delMojave in California. Ilpiù famoso predecessoredi questo impianto fu co-struito nel deserto delMeadi in Egitto (a 20 kmdal Cairo) nel 1912 daFrank Shuman (1862-1918) per azionare unmotore a vapore per il

sollevamento dell’acquadal sottosuolo (Fig. 9).Osservando i due diversitipi di impianto è possi-bile fare una serie di con-siderazioni. È più facilecostruire più specchiquasi piani, anziché ungrande specchio curvo:poiché gli specchi pianisono meno esposti allaforza del vento rispetto aigrandi paraboloidi curvi,la relativa struttura di so-stegno è più facile da co-struire e, a parità dell’areadegli specchi di raccoltadella radiazione solare, ilsuo peso può essere an-che solo il 30 per cento diquello della struttura disostegno di un campo dispecchi paraboloidi, con

evidenti riflessi sul suo costo. I paraboloidi curvi, per giunta,devono inseguire il sole muovendosi solidalmente con il rice-vitore con una serie di conseguenti implicazioni di caratterecostruttivo sullo stesso, per esempio sulle sue dimensioni, ne-cessariamente limitate.Nell’impianto ideato da Francia il ricevitore o caldaia è in-vece un componente indipendente rispetto al movimentodegli specchi: esso è fisso, può essere sostenuto da robustetorri ed essere dimensionato per raccogliere la radiazione ri-flessa da un campo specchi di superficie elevata. Il vaporeche si genera all’interno del ricevitore, a mano a mano che

l’acqua si scalda, si rac-coglie nella sua partesuperiore, come quandofacciamo bollire unapentola d’acqua sopra ilfornello di casa (4).Questo facilita l’estra-zione del vapore. A pa-rità di superficie deglispecchi che captano laradiazione solare, uncampo a concentrazionelineare fresnel occupametà della superficie ri-chiesta da un impiantocon dei grandi parabo-loidi. Quest’ultimi, comesi può osservare nella fi-gura 8, devono essereopportunamente distan-ziati l’uno dall’altro perevitare il reciproco om-breggiamento.

Fig. 9. Impianto solare a concentrazione parabolico lineare costruito a Meadi(Egitto) da Frank Shuman nel 1912 (cortesia John Perlin).

Fig. 8. Un concentratore parabolico lineare della centrale solare termoelettrica An-daSol 1 di 50MW, nel sud della Spagna. Si tratta della prima centrale commercialeeuropea con concentratori parabolici lineari e con accumulo termico a sali fusi.

SAPERE - FEBBRAIO 2009 PAG. 45

terza pagina/solare termoelettrico

I vantaggi sopra riferiti per i concentratori lineari fresnel nonfurono tuttavia sufficienti a quel tempo per proseguire nel lorosviluppo e Giovanni Francia passò alla sperimentazione degliimpianti a concentrazione puntuale o a torre fresnel, con iquali era possibile produrre vapore a temperature e pressionipiù elevate di quelle di un impianto lineare.

L’innovazione di Mills

È certamente anche merito di Francia se oggi importanti so-cietà statunitensi di capital venture (capitale di rischio)hanno deciso di investire e scommettere su questa tecno-logia. Ma è soprattutto merito di chi, come Mills, negli anniNovanta ha riscoperto questa tecnologia e ci ha creduto, in-vestendovi anni di lavoro. Il CLFR fu concepito da Millspresso l’Università di Sydney e commercializzato nel 2004 inAustralia dalla Solar Heat and Power Pty Ltd. Nella sua ver-sione attuale consentirebbe di realizzare a basso costograndi campi solari dell’ordine delle centinaia di MW da ubi-care in quelle zone del mondo dove la radiazione solare di-retta è molto abbondante. Il CLFR (Fig. 10) consta di com-ponenti e sistemi (i lunghi specchi rettangolari; i relativi so-

stegni per l’inseguimento del sole; le torri di sostegno del ri-cevitore, ecc.) low-tech, fabbricabili localmente con mate-riali facilmente reperibili (acciaio, cemento, vetro), e com-ponenti altamente sofisticate (elettronica di controllo; com-ponentistica del ricevitore, dalle lenti di fresnel alle super-ficie selettive) fabbricati con produzioni di massa. Con i suoispecchi rotanti quasi piani, il CLFR concentra la radiazione so-lare sul ricevitore e produce vapore con caratteristiche tali dapoter essere estratto e inviato per azionare direttamente la tur-bina, che a sua volta aziona un generatore elettrico. Pertantonell’impianto inventato da Mills non è necessario un secondofluido di lavoro, al quale trasferire il calore tramite uno scam-biatore, come avviene nelle tradizionali centrali elettriche.L’unico fluido di lavoro è l’acqua/vapore, che, sotto pressione,consente anche l’immagazzinamento del calore per quandonon c’è il sole.Le caratteristiche di semplicità ed economicità delle tecnologieproposte da Mills hanno convinto due investitori, VinodKhosla e Ray Lane, entrambi partner della potente società diventure capital Kleiner Perkins Caufield & Byers (aziendache a suo tempo ha scommesso e investito in Google,Amazon.com, AOL) a finanziare inizialmente, nel 2007, con

Fig. 10. Primo piano di due campi specchi dell'impianto solare termoelettrico di Kimberlina.

PAG. 46 SAPERE - FEBBRAIO 2009

40 milioni di dollari di capitale di rischio la fondazione diAusra, determinandone così l’avvio e il rapido sviluppo delleattività (oggi ha superato i 100 dipendenti ed è guidata dauna leadership che può vantare esperienze uniche nelcampo delle start up e della produzione di energia). La co-struzione della prima fabbrica dell’Ausra nel Nevada, l’inau-gurazione dell’impianto di Kimberlina in California e la pro-grammata centrale da 177 MW di Carrizo Plains, la cui en-trata in funzione è in calendario per il 2010, sarebbero solole primissime tappe di un ambizioso programma dell’Ausra:costruire impianti solari per migliaia di megawatt negli as-solati deserti di tutto il mondo, come in parte reso già notonel settembre 2007 in occasione dell’incontro annuale te-nuto a New York dalla Clinton Global Initiative. Ciò cherende le notizie che arrivano dagli Stati Uniti di particolarerilievo è il fatto che le società elettriche statunitensi, quali ilgruppo Florida Power and Light e la PG&E, che hanno sot-toscritto accordi di collaborazione con l’Ausra per l’acquistodell’elettricità prodotta dai suoi impianti, sono fiduciose checon detti impianti sarà possibile assicurare un carico di base– vale a dire giorno e notte – a costi competitivi con il car-bone e altri combustibili tradizionali (5). Per la prima voltanella storia dell’elettricità solare ci sarebbe quindi una con-creta alternativa alle grandi centrali a combustibili fossili enucleari nell’ambito della generazione elettrica centralizzata.Si potrebbe quindi aprire la strada alla produzione di un’ele-vata quota dell’energia elettrica da fonte solare non solonegli Stati Uniti ma a livello mondiale. Secondo David Mills in-teri fabbisogni energetici degli Stati Uniti, in particolare quelloelettrico e quello dei trasporti, potrebbero essere soddisfattidall’installazione di impianti solari termici a concentrazioneimpegnando un’area degli assolati deserti statunitensi pari aquella di un quadrato di lato di 92 miglia.Ma quali saranno le tecnologie solari a concentrazione che po-trebbero consentire questa grande sfida solare?In una lettera del 17 gennaio 1962, Giovanni Francia rispon-dendo al collega francese che gli suggeriva di impiegare nelsuo pionieristico impianto di Marsiglia degli specchi parabo-lici già sperimentati negli Stati Uniti dalla Boeing&Cie, affer-mava come «solo con gli specchi piani fosse possibile costruiregrandi centrali solari» (6). E forse potrebbe non essere un casoche tra le grandi centrali solari a concentrazione per centinaiadi megawatt in costruzione in tutto il mondo, il numero diquelle in programma con specchi piani o quasi piani stia au-mentando rapidamente. �

NOTE

(1) Va precisato che, a differenza della tecnologia fotovoltaica, chefunziona anche con radiazione solare diffusa, quindi anche in pre-senza di nubi, le tecnologie della concentrazione utilizzano la radia-zione diretta e quindi sono destinate a regioni desertiche maggior-mente assolate.(2) Gli impianti più a lungo provati sono quelli parabolici lineari, dicui 354 MW sono in esercizio nel deserto del Mojave in Californiasin dagli inizi degli anni Ottanta del Novecento. Mentre l’immissionedi energia elettrica termica solare in una rete elettrica fu realizzataper la prima volta, come vedremo di seguito, in Italia nel 1980.L’Italia, con l’impianto Archimede progettato da Carlo Rubbia nel2000, vanta ancora una volta un primato, quello di aver introdotto perprima l’uso dei sali fusi, quale fluido di lavoro, nel ricevitore degli im-pianti a concentrazione lineare.(3) Versioni evolute dell’architettura a suo tempo adottate per l’im-pianto di Adrano sono oggi a base di grandi centrali solari in costru-zione negli Stati Uniti e in Europa. Tra i programmi più ambiziosiquelli di Brightsource Energy e PG&E (900 MW), eSolar e SouthernCalifornia Edison (243 MW), Abengoa Solar (30 MW).(4) La società start up statunitense Sky Fuel propone l'inserimentodei sali fusi nel ricevitore degli impianti solari a concentrazione li-neare tipo fresnel, un uso proposto per la prima volta da Carlo Rubbianegli impianti con concentratori parabolici lineari (vedi nota 2).(5) Il 30 gennaio 2009, nel momento in cui questo articolo va instampa, l’Ausra ha rilasciato un comunicato nel quale annuncia uncambio di strategia. Le attività dell’azienda saranno concentrate sullafornitura di tecnologie e impianti per la produzione di vapore, la-sciando alle compagnie elettriche la costruzione e gestione di grandicentrali solari termoelettriche, tipo l’impianto di Carrizo Plains da 177MWe.(6) Lettera di M. Touchais a Francia (dicembre 1961) «Je m’orientplutôt, suivant en cela les travaux antérieurs, vers l’utilization des pa-raboloides qui peuvent être exécuté aujourd’hui selon une techniquemise au point par des Usines d’Aviation Américaine (Boeing & Cie)a rélativement bas prix de révient». Lettera di Francia a Touchais (17gennaio1962) «Je comprend parfaitement l’avantage d’employer unetechnique déjà mise au point pour construire des miroiresparabolique au lieu de miroires plans (ou tout au plus tronc-coniques) pour lesquels des études sistématiques manquent encore.Je pense, cépendant, que tout en ayant la parité de la mise à point,ces derniers doivent être supérieurs, et, en tout cas, en jugeant au-jourd’hui, les seuls qui permettent de construire des centrales solairesde grandes diménsions». I due documenti sono conservati presso ilMuseo dell’Industria e del Lavoro “Eugenio Battisti” di Brescia dovesi trova l’Archivio personale di Giovanni Francia, donato dagli eredial Museo per l’Archivio nazionale sulla storia dell’energia solare, la cuirealizzazione è promossa dal Gruppo per la storia dell’energia solare(GSES) e dal Comitato Nazionale per La storia dell’energia solare (CO-NASES).

Cesare Silviè presidente del Gruppo per la Storia dell’Energia Solare (GSES) e del Comitato Nazionale per La Storia dell’Energia Solare (CONASES).