CSIRO sostiene che l’energia solare concentrata di particelle in caduta può portare a un’economia netta zero

Qualche giorno fa abbiamo riferito di un nuovo piano dei ricercatori del MIT che creerebbe idrogeno pulito dall’acqua utilizzando solo la luce solare. Non solo la normale luce solare, ma la potenza del sole focalizzata su un singolo punto da una serie di specchi, una tecnologia nota come energia solare concentrata o CSP.

In realtà è solo una versione ingrandita di quell’esperimento che hai imparato al campo estivo in cui hai usato una lente d’ingrandimento per focalizzare la luce solare finché non era abbastanza calda da bruciare le tue iniziali su un pezzo di legno. La differenza tra un impianto CSP e un parco solare convenzionale è che il calore catturato può alimentare le turbine a vapore supercritiche convenzionali fino a 15 ore, mentre il parco solare produce elettricità solo mentre il sole splende.

Ora l’Organizzazione australiana per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth – popolarmente conosciuta come CSIRO – afferma che il suo centro di ricerca CSP a Newcastle, a nord di Sydney, ha annunciato una svolta nella sua indagine sulla tecnologia delle “particelle ceramiche cadenti” che cattura e immagazzina l’energia solare sotto forma di calore.

Il dottor Jin-Soo Kim, che guida il team delle tecnologie solari, ha affermato che questa settimana il gruppo ha raggiunto per la prima volta la temperatura critica di 803 °C (1477º F) presso il ricevitore di particelle in caduta utilizzando un concetto nuovo e innovativo. “Ciò è significativo perché crea l’opportunità per un maggiore stoccaggio di energia rinnovabile se combinato con il nostro scambiatore di calore brevettato”, ha affermato Jin-Soo. “Questa tecnologia è fondamentale per fornire energia rinnovabile a basso costo su larga scala per la decarbonizzazione delle industrie pesanti australiane. Per raggiungere questo risultato sono stati investiti oltre otto anni di sviluppo e migliaia di ore”.

L’idea alla base del CSP risale al 1800, quando gli inventori europei armeggiarono con la concentrazione della luce solare. Negli ultimi decenni si sono evolute diverse tecnologie di energia solare termica concentrata, che vanno da un piatto parabolico circondato da specchi a sistemi a torre riempiti di sale fuso. Il problema con il sale fuso è che non può diventare abbastanza caldo da sfruttare appieno la potenza della luce solare concentrata.

CSP con particelle di ceramica che cadono

Il gruppo di ricerca di Newcastle sta utilizzando particelle ceramiche fini come granelli di sabbia in grado di raggiungere temperature ultra elevate ideali per immagazzinare quantità significative di calore. Queste particelle riscaldate agiscono come una batteria, immagazzinando energia sotto forma di calore per un massimo di 15 ore.

“La tecnologia è un modo intelligente ed economico per immagazzinare una grande quantità di calore ad alta temperatura per 10-15 ore”, ha affermato Dominic Zaal, direttore dell’Australian Solar Thermal Research Institute. Ha aggiunto che gli impianti CSP tradizionali sono limitati dai fluidi che utilizzano. Il sale fuso può sopportare solo temperature fino a 600° C mentre l’olio ad alta temperatura può sopportare solo 400° C.

Tuttavia, le particelle ceramiche con cui sta lavorando il team possono resistere a temperature di 1000° C. Non solo assorbono il calore del sole ma lo immagazzinano anche, il che semplifica il sistema e riduce i costi.

La parte di “caduta” di questo metodo utilizza la gravità per riscaldare queste minuscole particelle ceramiche di colore scuro, di dimensioni inferiori a mezzo millimetro. Quando vengono lasciati cadere da una tramoggia in cima alla torre, vengono riscaldati mentre passano attraverso un raggio di energia solare focalizzata. Quando cadono, la loro temperatura può aumentare rapidamente da 500° C a 800° C. Con installazioni più avanzate, sono possibili temperature superiori a 1000° C. Una volta riscaldati, vengono immagazzinati in un silo, quindi utilizzati per produrre vapore per la produzione di energia o altre attività industriali.

Inizialmente le particelle cadevano troppo velocemente e questo permetteva loro di espandersi. Ciò lascia passare la luce del sole e riduce l’efficienza. La risposta è stata un sistema di metodo “catch and release” che li cattura in una depressione, rallentandoli prima che vengano rilasciati per cadere nella depressione successiva.

CSP e PV si completano a vicenda

“CST non compete con l’energia solare fotovoltaica”, ha affermato Dominic Zall. “Il fotovoltaico fornisce energia quando splende il sole, mentre il CST prende energia dal sole, la immagazzina e quindi consente all’utente di utilizzare quell’energia quando il sole non splende, ad esempio durante la notte o nelle giornate nuvolose.”

CSIRO afferma che il CSP con particelle ceramiche può offrire una fonte di energia affidabile ed ecologica che consentirà all’Australia di raggiungere l’obiettivo di chiudere tutte le sue centrali elettriche a carbone entro il 2033. Attualmente, tali impianti termici forniscono il 62% dell’elettricità australiana .

Immagine gentilmente concessa da CSIRO

Il sistema pilota del CSIRO a Newcastle dispone di 400 specchi. Tuttavia, un’installazione su vasta scala potrebbe utilizzare oltre 10.000 specchi più grandi e generare una potenza simile a quella di una centrale a carbone da 100 MW. Wes Stein, il capo scienziato per le tecnologie solari presso ASTRI, ha dichiarato: “La sfida non è tanto raccogliere energia dal sole; è come convertire in modo sicuro ed efficiente quell’energia in calore e immagazzinarla per un uso successivo.

“La produzione di energia tramite la tecnologia CSP assomiglia a una centrale elettrica alimentata a carbone senza carbone. Utilizza la stessa turbina. Le tipiche centrali elettriche a carbone utilizzano una turbina a vapore che funziona a 540 gradi. Invece di utilizzare il carbone per creare il calore necessario a surriscaldare il vapore, catturiamo l’energia dal sole e la immagazziniamo per 10-15 ore”, ha affermato Stein.

Attualmente esistono impianti CSP in 18 contee che producono un totale di 6.460 megawatt di elettricità, con altri 3.859 MW di progetti in costruzione.

Calore di processo

Oltre a generare elettricità, Zaal ha affermato che il CSP potrebbe anche aiutare a decarbonizzare le industrie pesanti australiane. “Il calore di processo è l’energia termica utilizzata nei processi industriali. Rappresenta oltre il 20% del consumo energetico totale e delle emissioni dell’Australia. Ora c’è un forte interesse da parte dell’industria su come ridurre le emissioni termiche”.

Alcuni dei potenziali usi sono piuttosto prosaici. Mars Petcare sta valutando la potenziale installazione di un sistema CST per fornire vapore rinnovabile alla sua fabbrica di alimenti per animali domestici. Ha il potenziale per eliminare fino al 50% del consumo di gas metano. Quella fabbrica utilizza già pannelli solari durante il giorno per generare e immagazzinare calore rinnovabile. Combinando il sistema di pannelli solari con il sistema CST proposto, Mars Petcare punta a un funzionamento a zero emissioni entro la fine del 2025.

“Entro cinque anni, il ritorno sull’investimento per questo tipo di soluzione di calore rinnovabile sarà inferiore a 10 anni. Entro il 2035, il recupero dell’investimento sarà inferiore a quattro o cinque anni”, ha affermato Zaal. “Abbiamo bisogno di politiche che incoraggino i first mover del settore a creare catene di approvvigionamento e competenze locali, accelerando così la transizione energetica. Vogliamo che l’industria australiana ottimizzi il proprio accesso alle nostre abbondanti risorse solari a basso costo. Aumenterà la produttività e migliorerà la loro posizione competitiva nei mercati globali e nazionali”.

“La tecnologia delle particelle cadenti CSIRO può fornire calore rinnovabile alla stessa temperatura elevata fornita da carbone e gas e per più ore. Oltre ad essere una tecnologia ideale per sostituire gli attuali asset di produzione di energia basati su combustibili fossili, è anche un’eccellente tecnologia per soddisfare i requisiti di temperatura più elevati per la lavorazione dei minerali”.

Con un significativo supporto infrastrutturale, il CSP a caduta di particelle potrebbe potenzialmente rappresentare fino al 40% della produzione di elettricità dell’Australia e del fabbisogno di calore di processo in aree remote entro il 2050. “Ciò darebbe un contributo significativo agli obiettivi di riduzione delle emissioni dell’Australia e ci aiuterebbe a raggiungere un’economia più sostenibile”. futuro energetico”, ha aggiunto Dominic.

L’asporto

Come ha affermato recentemente Bill McKibben, il sole può fornire gratuitamente tutta l’energia di cui gli esseri umani avranno bisogno. Tutto quello che dobbiamo fare è capire come sfruttare quell’energia e metterla in pratica. Ci vorrà tutta l’intelligenza e l’inventiva di cui gli esseri umani sono capaci per effettuare la transizione dai combustibili fossili. Il CSP farà quasi sicuramente parte del mix energetico del futuro.