Calore solare per processi industriali : modellazione della generazione diretta di vapore e dimensionamento di un caso studio

During recent years, energy from renewable sources has assumed a fundamental role into the energy global scene because of the growing demand for energy and the debates about climate change and availability of traditional sources. European energy policies incentivized mainly the employment of renewable sources in power generation and transport, and less efficiently in heat generation. In particular, the use of thermal energy in the industry, even if it represents a significant part of the overall energy consumption, only recently became the subject of concrete actions aimed at increasing the amount of renewable sources. This work focuses on heat generation for industry processes, in particular for those whose thermal level can be reached through the use of concentrating solar power collectors with direct steam generation (DSG). In this context, a solar plant with Fresnel linear collectors for process heat generation at medium temperature for a Brazilian factory is designed; steam generation during the entire day for three sample days is quantified, basing on a thermal model specifically developed. Implementing the model, I focus mainly on the convective boiling section and I consider the behavior of the fluid that flows into the absorber, as the generated flow pattern changes. In fact, the relative arrangement of liquid phase and steam phase inside the pipe affects the heat transfer coefficient and the temperature gradient along the absorber circumference. In the generation optimization and plant control context, friction losses, evaluated according to generated steam, are relevant. These losses have to be minimized in order to reduce the energy consumptions of the circulation pump. The model analyses also the geometrical and optical losses that determine the amount of radiation that actually reaches the absorber.

Le energie da fonte rinnovabile hanno assunto, negli ultimi anni, un ruolo fondamentale all’interno del panorama energetico mondiale, per via della crescente domanda di energia e dei dibattiti riguardanti cambiamenti climatici e disponibilità di fonti tradizionali. Le politiche energetiche europee hanno incentivato principalmente l’utilizzo di fonti rinnovabili nella produzione di elettricità e nei trasporti, e meno efficacemente nella produzione di calore. In particolare, solo recentemente l’utilizzo di energia termica nel settore industriale, per quanto costituisca una frazione significativa del consumo energetico complessivo, è diventato oggetto di concrete azioni per l’incremento della quota di fonti rinnovabili. Il presente lavoro si concentra sulla produzione di calore per i processi industriali, nello specifico quei processi il cui livello termico è tale da poter essere raggiunto tramite l’utilizzo di collettori solari a concentrazione con generazione diretta di vapore al loro interno (Direct Steam Generation, DSG). In questa ottica si dimensiona un impianto solare con collettori lineari Fresnel per la produzione di calore di processo a media temperatura per un’industria brasiliana, quantificando la produzione di vapore durante la giornata in tre giorni tipo dell’anno, sulla base di un modello termico specificamente sviluppato. Nell’implementazione del modello termico dell’impianto ci si concentra principalmente sulla sezione di ebollizione convettiva, valutando il comportamento del fluido che scorre all’interno dell’assorbitore al variare del regime di flusso che si genera. La disposizione relativa di fase liquida e fase vapore all’interno del tubo influenza, infatti, il coefficiente di scambio termico ed il gradiente di temperatura lungo la circonferenza dell’assorbitore. Nell’ottica dell’ottimizzazione della produzione e del controllo dell’impianto assumono particolare interesse anche le perdite di carico, valutate in funzione del vapore prodotto. Queste devono essere minimizzate per diminuire i consumi elettrici delle pompe di circolazione. Il modello analizza anche le perdite geometriche ed ottiche, che definiscono la quantità di radiazione che raggiunge effettivamente l’assorbitore.