Modellizzazione di ricevitori e scambiatori di calore innovativi per sistemi CSP a torre

World consumption of energy, due to the increase in population and average lifestyle, present a worrying profile in connection with the problem of climate change. Among the most important challenges of the 21st century, the increase in the average temperature of the planet puts the equilibrium of ecosystems at serious risk. Humanity can and must realize a new energy model based on the energy efficiency and on the use of renewable energy sources (RES) for the highest possible quota. Renewable sources can be programmable or not: both typologies are expected to play a decisive role in the energy mix of the future, with the aim of making human activity sustainable - from an energy standpoint - and at the same time minimize the instability of the electrical system. Concentrated Solar Energy systems (CSP) for the production of electric power are still not very widespread today due to the following causes: theese systems are mainly suitable for medium-large sizes, they are relatively expensive and scarcely integrable in the cities; on this point is interesting a comparison with the photovoltaic technology, which also thanks to the installation of many small domestic systems on the roofs of homes has seen in the last decade an important reduction of its leveled cost of electricity (LCOE) although a lower energy conversion efficiency. Despite this, there are several studies that envisage, from now until 2050, an important role of CSP systems in the world energy mix. In this thesis work was carried out an massive bibliographic research on tower CSP systems, both on the state of the art of this technology, and on new plant engineering methods with which it is planned to exploit the concentrated solar source with higher efficiency. In particular, we focused, first, on the fervent research carried out on innovative solar receivers, which use a fluid or solid particles as heat transfer medium and which promise to increase the maximum temperatures that can be reached. This would allow to adopt more efficient thermodynamic cycles, the second point we were interested in. At the end of the bibliographic review, the authors have modeled three innovative receiver, two innovative heat exchangers and, later, two energy systems.

Il consumo mondiale di energia, a causa dell'incremento della popolazione e dello stile di vita medio, presenta un profilo preoccupante in correlazione al problema del cambiamento climatico. Tra le sfide più importanti del XXI secolo, l'aumento della temperatura media del pianeta mette a serio rischio gli equilibri degli ecosistemi. Il nostro contributo può e deve concretizzarsi in un nuovo modello energetico basato sull’efficienza dei consumi e sull’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili (FER) per la maggior quota possibile. Le fonti rinnovabili possono essere programmabili oppure no; si prevede che entrambe le tecnologie avranno un ruolo determinante nel mix energetico del futuro, con l’obiettivo di rendere l’attività antropica sostenibile sotto il profilo energetico e potendo allo stesso tempo gestire più agevolmente il sistema elettrico in maniera opportuna. In questo frangente, i sistemi che sfruttano l’energia solare a concentrazione per la produzione di potenza elettrica sono ad oggi ancora poco diffusi perché principalmente adatti a taglie medio-grandi, per via di costi non ancora competitivi e perché sono scarsamente integrabili nell'assetto urbano delle città. In merito a quest’ultima caratteristica è significativo un confronto con la tecnologia fotovoltaica, che proprio grazie all’installazione di tanti piccoli sistemi - molti domestici - sui tetti delle abitazioni ha visto in questo ultimo decennio un abbattimento importante del proprio costo di produzione dell’elettricità (LCOE, Levelized Cost Of Energy) benché presenti rendimenti di conversione energetica inferiori. Nonostante queste difficoltà, sono diversi gli studi che prevedono, da qui al 2050, un ruolo importante dei sistemi CSP nel mix energetico mondiale. In questo lavoro di tesi è stata condotta una approfondita ricerca bibliografica circa i sistemi CSP a torre, in merito allo stato dell’arte e alle nuove modalità impiantistiche con la quale si prevede di poter sfruttare, con migliori rendimenti, la fonte solare concentrata. In particolare ci si è focalizzati, in un primo momento, sulla fervente ricerca condotta in merito a ricevitori solari innovativi, che utilizzano un gas oppure delle particelle solide come fluido termovettore e che promettono di incrementare le temperature massime raggiunte di almeno 200°C rispetto agli standard attuali. Ciò consentirebbe di adottare cicli termodinamici, dunque intere configurazioni, più performanti: è stato proprio questo il secondo punto alla quale ci siamo interessati. Al termine della review bibliografica, gli autori si sono dedicati alla modellazione dei componenti studiati, tra cui tre ricevitori, due scambiatori e due cicli termodinamici. Trattandosi di componenti non commerciali e spesso innovativi, è stato necessario ricorrere spesso a codici autonomamente sviluppati in Matlab, giungendo a valutare tecno-economicamente due sistemi energetici nel loro complesso.