Centrale solare a torre

Una centrale solare a torre usa un campo di specchi che inseguono il sole, gli eliostati, per mandare la luce su un ricevitore in cima a una torre. La luce concentrata trasforma l’acqua in vapore, oppure scalda un sale fuso che si può accumulare, e il calore fa girare una turbina a vapore. Giovanni Francia costruì la prima centrale a torre a Sant’Ilario, vicino a Genova, a metà degli anni Sessanta.

Che cos’è

Una centrale solare a torre, detta anche a ricevitore centrale, raccoglie la luce del sole da una vasta area di terreno con centinaia o migliaia di specchi piani, gli eliostati. Ogni eliostato ruota durante la giornata per continuare a riflettere il sole sullo stesso bersaglio: un ricevitore in cima a un’alta torre, al centro o al bordo del campo. La luce concentrata scalda un fluido che scorre nel ricevitore. In alcuni impianti è acqua, che diventa vapore; in altri è sale fuso, che porta il calore giù dalla torre.

Ai piedi della torre il calore alimenta una normale centrale elettrica. Il vapore, prodotto direttamente nel ricevitore o in un generatore di vapore scaldato dal sale caldo, fa girare una turbina a vapore accoppiata a un generatore. Una cella solare trasforma la luce direttamente in elettricità; una torre la trasforma prima in calore, e il calore conservato nel sale caldo permette alla centrale di continuare a produrre dopo il tramonto o sotto le nuvole.

Come funziona

L’eliostato deve guardare a metà strada fra il sole e il ricevitore perché la luce cada sul bersaglio.

Uno specchio rimanda la luce con lo stesso angolo con cui arriva. Per tenere il fascio riflesso sul ricevitore, un eliostato deve quindi essere rivolto a metà strada fra il sole e il ricevitore, e poiché il sole si sposta nel cielo, questa direzione cambia per tutto il giorno. Ogni eliostato poggia su un piedistallo con motori che lo fanno ruotare attorno a due assi, di solito uno verticale per la direzione e uno orizzontale per l’inclinazione. Poiché ogni eliostato occupa un punto diverso del campo, ognuno segue il proprio percorso. Un sistema di controllo calcola i due angoli di ogni eliostato in base alla data, all’ora e alla sua posizione nel campo.

Il ricevitore è una parete di tubi su cui convergono tutti i fasci riflessi.

Il ricevitore è uno scambiatore di calore fatto di tubi. A Solar Two, in California, era un cilindro di pannelli di tubi intorno alla cima della torre: il sale fuso, pompato da un serbatoio freddo, ne usciva a circa 565 °C prima di scendere in un serbatoio caldo. Da lì veniva pompato attraverso il generatore di vapore e di nuovo nel serbatoio freddo. In questo tipo di impianti il sale resta di solito tra circa 290 °C e 565 °C. Gli impianti che scaldano acqua producono il vapore nel ricevitore stesso, come faceva Solar One in California e fa PS10 in Spagna. In entrambi i casi il ricevitore deve sopportare un flusso di luce intenso e variabile. Quando passa una nuvola, la luce che lo colpisce crolla di colpo, e una centrale senza accumulo perde potenza insieme a essa.

Come si fa

Pochi specchietti tascabili e un barattolo nero formano una piccola torre di cui si può leggere la temperatura.

Pochi piccoli specchi piani e un barattolo scuro bastano per un modello che funziona in una giornata di sole. Dipingete di nero opaco un piccolo barattolo di latta vuoto, riempitelo d’acqua a metà e infilateci un termometro. Fissate il barattolo in cima a un bastone o a una pila di mattoni, più o meno all’altezza del ginocchio, all’aperto, su un fondo lastricato o sassoso. Mettete da quattro a sei specchietti tascabili su palline di plastilina per terra intorno al barattolo, a uno o due passi.

Annotate la temperatura dell’acqua, poi girate uno specchio finché la sua macchia di luce cade sul barattolo e leggete il termometro ogni due minuti. Aggiungete gli altri specchi uno alla volta, puntando ciascuno sul barattolo. L’acqua si scalda più in fretta a ogni specchio aggiunto, e un barattolo bianco o uno all’ombra si scalda più lentamente: per questo i ricevitori sono scuri e i campi grandi.

Avvertenze di sicurezza. Non guardate mai il sole né il riflesso di uno specchio, e non puntate mai una macchia riflessa verso una persona, un animale, una finestra o un’auto: la luce solare concentrata può danneggiare gli occhi e ustionare la pelle. Usate solo piccoli specchi piani, mai una lente d’ingrandimento o uno specchio curvo, che possono incendiare materiali secchi, e tenete carta, erba e legno lontani dal barattolo. Coprite i bordi degli specchi con nastro adesivo e lasciate raffreddare il barattolo prima di toccarlo. I bambini fanno la prova solo con un adulto, e alla fine gli specchi vanno appoggiati con la faccia riflettente verso il basso.

Storia ed evoluzione

Il matematico e ingegnere italiano Giovanni Francia cercava a Genova modi per raccogliere il calore solare ad alta temperatura. Si dedicò agli specchi che concentravano il sole e, a metà degli anni Sessanta, a Sant’Ilario vicino a Genova, costruì un campo di specchi quasi piani che riflettevano la luce su una caldaia e producevano vapore. I resoconti del suo lavoro datano le prime prove al 1965, mentre l’istituto agrario sul cui terreno sorgeva ne data l’installazione al 1964. Francia descrisse i suoi impianti pilota sulla rivista Solar Energy nel 1968.

Le torri costruite per produrre elettricità arrivarono all’inizio degli anni Ottanta. Eurelios, una centrale da 1 MW ad Adrano, in Sicilia, entrò in servizio nel 1981. Solar One, vicino a Barstow in California, produsse 10 MW dal 1982 al 1988 con un ricevitore che trasformava l’acqua in vapore. Fu poi ricostruita come Solar Two, che funzionò alla fine degli anni Novanta con un ricevitore a sali fusi e conservava il calore in serbatoi di sale caldo e freddo, così da poter dare elettricità dopo il tramonto.

Seguirono torri commerciali in Spagna. PS10, vicino a Siviglia, produce 11 MW con acqua e vapore. Gemasolar, entrata in servizio in Andalusia nel 2011, produce circa 20 MW e accumula abbastanza sale caldo da funzionare circa 15 ore senza sole, il che le ha permesso di fornire elettricità giorno e notte.