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Solare Termico
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Solare Termico

mercoledì 21 novembre 2018

Rinnovabili ed efficienza energetica: ecco i nuovi obiettivi

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mercoledì 7 novembre 2018

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Tecnologia e Impianti
La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo.

La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. Il rendimento dei pannelli solari è aumentato notevolmente negli ultimi anni, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente competitive.

L'applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 45÷60 °C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore tra 30 % e 80%.
Le tecnologie per utilizzare l'energia solare per produrre calore sono di tre tipi: a bassa, media ed alta temperatura.

Secondo dati EurObserv’ER e ESTIF relativi alla fine del 2005 nell’Unione Europea il parco del solare termico si aggira intorno ai 17 milioni di m², corrispondenti ad una potenza termica di circa 12000 MWt, con una produzione annua in continua crescita, che supera attualmente i 2 milioni di m².

In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua è in fase di forte crescita: secondo le stime più ottimistiche i pannelli solari termici rivestono oltre 520000 m² del territorio nazionale con una produzione annuale che nel 2005 è aumentata del 24% rispetto all’anno precedente toccando il valore di 72000 m².
Un’ulteriore espansione del mercato è attesa per la fine del 2006, per il quale si stima si possano raggiungere i 90000 m² di superficie.
Di questo parco di installazioni l'utilizzo maggiore è destinato all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine.

Fonte: ISES ITALIA

Applicazioni
Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in aumento casi di utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare.

I collettori solari ad aria calda si differenziano da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi d'essiccazione di prodotti alimentari.

Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C.

Il principio di funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua in virtù della sua minore capacità termica.
Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo all'interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per rallentare il flusso dell'aria e per promuovere turbolenze del flusso che rendano lo scambio termico più efficace. Per il resto, il collettore ad aria, come quello ad acqua, è generalmente costituito da una piastra captante, una o più coperture trasparenti e l'isolamento termico.

I collettori solari per piscina possono coprire una buona percentuale delle necessità termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e l'utilizzo di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la lunghezza della stagione balneare con un incremento dei costi gestionali molto contenuto.

Fonte: ISES ITALIA

Potenzialità
Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno quindi considerati capaci di fornire direttamente solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale.

La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo. A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore non supera il 65%.
Questo limite è comune a moltissime tecnologie basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità aleatoria o periodica.
A causa di ciò, con il crescere delle dimensioni dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico, ma la relazione tra il costo dell'energia e l'energia prodotta resta lineare fino al 55%÷60%.
Superato questo valore, il costo continua ad aumentare linearmente con le dimensioni dell'impianto, mentre l'energia prodotta aumenta meno rapidamente, il che si traduce in un maggiore costo dell'unità di superficie di collettore. E' per questo motivo che un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene progettato per soddisfare il 60÷65% del fabbisogno termico.

Fonte: ISES ITALIA

Costi
Nel caso dei collettori solari il costo al metro quadro è, in realtà poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla quantità di acqua calda prodotta in un anno.

Una famiglia di 4 persone che consuma 50÷60 litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80÷100 mila litri annui spende circa 930 € per riscaldare l'acqua con energia elettrica e 290€ se la scalda con caldaia a metano. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo oscilla tra 550 e 650 euro ed in 5 anni si ammortizza una spesa di 2750÷3250 €. Le agevolazioni statali consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse parte delle spese di acquisto e di installazione.

Importante sottolineare come a partire dal 2002, sia stato promulgato un nuovo sistema di incentivazione di mercato: i Certificati Verdi, ovvero titoli attribuiti alla produzione di energia da Fonti Energetiche rinnovabili (modificato poi dal DL n° 387 del 2003, che ha introdotto una differenziazione nell’assegnazione delle quote a seconda della tipologia della fonte rinnovabile), cui possono accedere anche gli impianti di produzione di calore da fonte solare.

Fonte: ISES ITALIA

Vantaggi ambientali

Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria.

La figura seguente riepiloga le emissioni di anidride carbonica generate da uno scaldabagno elettrico, da una caldaia a metano, da una caldaia con solare termico e da uno scaldabagno elettrico congiunto al solare termico. La riduzione delle emissioni di CO2 ottenuta con il sistema ibrido è notevole soprattutto rispetto al primo scenario: si passa da 1,100 kg di CO2 emessi a 0,22 kg di CO2 integrando lo scaldabagno elettrico col sistema solare, con una riduzione percentuale dell'80%. Tra il caso di impiego della caldaia a metano e quello di integrazione di questa con i collettori si verifica una riduzione, in valore assoluto, di 0,21 kg di CO2 procapite, mentre lo scaldabagno elettrico, se impiegato con il solare, porta ad una riduzione di 0,961 kg di CO2.


Dossier Solare Termico_confronto vantaggi ambientali

Fonte: ISES ITALIA


Tecnologie e Sistemi solari a concentrazione
Aspetti generali

Il componente alla base delle tecnologie e dei sistemi solari termici a concentrazione è un "collettore concentratore", vale a dire un dispositivo in grado di raccogliere e convogliare la radiazione solare verso un ricevitore. Il ricevitore può essere di tipo termico, ma anche fotovoltaico o termofotovoltaico.

pannello solare termico

In relazione alla geometria e alla disposizione del concentratore rispetto al ricevitore si hanno i concentratori parabolici lineari, a torre con ricevitore centrale e i concentratori parabolici puntuali o a disco.

Soprattutto negli ultimi 5-10 anni, i sistemi solari a concentrazione sono stati oggetto di profonde innovazioni che ne hanno migliorato le prospettive, rendendo superati quei luoghi comuni secondo i quali tali sistemi risulterebbero inadatti alle alte latitudini o inaffidabili a causa dei complicati sistemi di inseguimento del sole.

L’energia termica prodotta può efficacemente essere utilizzata per produrre vapore per un ciclo Rankine, spesso inserendola in parallelo ad un impianto a ciclo combinato turbogas-turbina a vapore che ne assicuri la continuità. Sistemi con un rapporto non troppo elevato di concentrazione possono venire utilizzati anche per la generazione di freddo tramite l’inserimento in cicli frigoriferi ad assorbimento.

I più recenti sistemi solari a concentrazione sono molto diversi da quelli prodotti appena qualche anno or sono. L'affidabilità sta aumentando e concentrazioni elevate della radiazione solare possono essere ottenute anche con sistemi completamente statici.

L'applicazione dell'ottica senza immagini ha svolto un ruolo determinante nel migliorare la qualità delle tecnologie utilizzate. Questa disciplina scientifica ha aperto la strada alla realizzazione di sistemi a concentrazione sempre più versatili, più economici e più efficienti - fino a 3 o 4 volte - di quelli progettati e costruiti sulla base della più nota e tradizionale ottica con immagini. Con l'applicazione combinata dell'ottica con immagini e dell'ottica senza immagini, la radiazione solare può essere, attraverso fasi successive, intensificata fino e oltre a 10.000 soli anche in sistemi molto compatti.

Anche la recente disponibilità di nuovi materiali (alcuni utilizzati finora solo nell'industria spaziale) ha consentito di migliorare le prestazioni dei sistemi a concentrazione: rivestimenti a film sottile, nuovi materiali riflettenti, metalli ultraleggeri, materiali resistenti alle elevate temperature (questi ultimi importanti per la costruzione di ricevitori capaci di operare a temperature dell'ordine di 1.000-2.000 °C e di alimentare sistemi per la produzione di energia elettrica e reattori chimici). Infine, innovazioni di rilievo riguardano le architetture degli impianti, studiate per ridurre al minimo le complicazioni impiantistiche e massimizzare le efficienze dei vari componenti. In Italia il tema del solare a concentrazione, dopo circa 15 anni, è tornato ad essere di grande attualità a seguito di un finanziamento di 200 miliardi di vecchie lire assegnato all'ENEA per un Piano strategico di sviluppo del solare termoelettrico su larga scala (www.enea.it), che prevede la realizzazione di un impianto sperimentale, ultimato nel 2003, dalla cui analisi delle prestazioni verranno tratte indicazioni per la realizzazione di uno o più impianti di taglia industriale (40 MWe) nell’Italia Meridionale.

Il solare termico a concentrazione

Il solare termico a concentrazione può vantare, rispetto al fotovoltaico a concentrazione, la realizzazione della più grande centrale solare termoelettrica al mondo. Nove impianti basati sulla tecnologia dei concentratori parabolici lineari, di taglie da 30 MW e 80 MW per complessivi 354 MW, sono stati progettati, costruiti e messi in esercizio tra il 1984 e il 1990 nel deserto del Mojave in California.

Questi impianti costituiscono uno dei maggiori successi tecnologici e commerciali nel campo dell'energia solare, nonostante il fallimento finanziario che colpì nel ‘91 la società che li realizzò, l'israeliana Luz. Tale fallimento fu determinato da un brusco cambiamento delle politiche di incentivazione dello stato della California per questo tipo di impianti. In seguito vi furono anche difficoltà di gestione, superate poi con successo e con un recupero d’immagine. Grazie alle successive innovazioni, questi impianti oggi sono in buone condizioni, hanno migliori rendimenti e costi ridotti, dell'ordine di 2.000 –3.000 dollari per kW installato.

L’esperienza fin qui maturata pone queste tecnologie al centro dell’attenzione dei programmi di elettrificazione nei paesi in via di sviluppo finanziati della Banca Mondiale e del Global Environmental Fund.
Dopo questa importante esperienza, il solare termico a concentrazione ha avuto una serie di importanti innovazioni, fra tutte il Concentratore Parabolico Composto Integrato (CPCI). Questo prodotto, progettato in base ai principi dell'ottica senza immagini, integra il concentratore e il relativo tubo assorbitore all'interno di un tubo di vetro sottovuoto; è ormai commercialmente maturo, permette di raggiungere temperature superiori a 100 °C: fino a 350 °C con sistemi statici ed oltre i 450 °C con sistemi di inseguimento del sole.

Il calore a queste temperature può essere utilizzato per far funzionare impianti di riscaldamento e di raffrescamento, di dissalazione, di produzione di sostanze chimiche e di combustibili puliti, per la generazione di energia elettrica, con taglie che vanno da qualche kW a centinaia di megawatt. Un'altra interessante evoluzione degli impianti a concentrazione lineari è il Riflettore Compatto Lineare Fresnel, in fase di sviluppo in Australia, dove è stato realizzato un impianto prototipo da 13 MW che affianca una centrale a carbone da 1.440 MW. L'impianto produrrà vapore o acqua a 265 °C da usare nella fase di preriscaldamento del ciclo. Si stima che questo impianto abbia un costo di 1.000 dollari per kW installato.

Importanti innovazioni, ancora in corso di sperimentazione, sono state realizzate anche per gli impianti solari a torre.
Presso il Weismann Institute of Science, in Israele, è in fase sperimentale un impianto con un campo specchi che concentra la radiazione solare su un riflettore posto in cima alla torre che, a sua volta, la riflette alla base della stessa, dove viene ulteriormente concentrata da un Concentratore Parabolico Composto, ottenendo così temperature fino e oltre a 1.300 °C e quindi adatte per impianti di produzione elettrica a ciclo combinato gas/Rankine. Il costo d’investimento di tale impianto è stato del valore di 15 M$. Un'altra versione degli impianti a torre è in fase di sviluppo in Australia e prevede un Campo Solare Multitorre, nel quale la radiazione solare viene concentrata da più campi di specchi su più torri di dimensioni contenute nei 4-10 metri; questa tipologia di impianto può essere installata anche in ambiente urbano, per esempio sui tetti di grossi edifici industriali o di estese aree di parcheggio. Questi esempi non esauriscono tuttavia le molteplici prospettive di ricerca, sviluppo e applicazione del settore.

Ottica Senza Immagini

L'ottica senza immagini (in inglese "Non-imaging optics") è una disciplina scientifica nata a metà degli anni '60 a seguito degli studi condotti indipendentemente da tre scienziati, V.K. Baranov, Maring Ploke e Roland Winston. Essa tratta il modo ottimale di trasferire una radiazione luminosa da una sorgente a un target (ricevitore) e trova applicazione nella fisica delle alte energie, nell'astrofisica e nel settore dell'energia solare.

Nel 1965, presso l'Università di Chicago, Roland Winston costruì, nel corso di esperimenti di fisica delle alte energie, il primo "Non-imaging Concentrator" per misurare la debolissima radiazione nucleare associata all'effetto Cerenkov. Oggi questo tipo di concentratore e comunemente chiamato Concentratore Parabolico Composto o anche Concentratore non focalizzante.
Si tratta di un componente che, nelle sue diverse versioni, sta rivoluzionando la progettazione e la realizzazione dei sistemi solari a concentrazione, sia termici che fotovoltaici.

I concentratori realizzati in base ai principi dell'ottica senza immagini concentrano la luce in modo molto più efficiente dei normali specchi e lenti, che formano immagini. Infatti un concentratore non focalizzante è come un imbuto: la luce che entra nel concentratore attraverso un'ampia sezione, viene riflessa in modo da uscirne attraversando una sezione molto più ridotta. Questo processo distrugge l'immagine della sorgente, ma in un «forno solare» non interessa ottenere un'immagine bensì concentrare al massimo l'intensità della radiazione solare per unità di superficie.

Fonte: ISES ITALIA

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