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Indice

Il sole e i collettori solari termici


1.  La fonte solare 11
    di Annalisa Corrado

1.1 Perché l'energia solare 11
1.2 La risorsa solare 16
1.3 La disposizione delle superfici captanti 18
1.4 Reperimento dei dati locali di radiazione 19
1.5 Variazione dell'energia captabile con il
    posizionamento della superficie 21
1.6 Il problema dell'ombreggiamento 25
    Note 29

2.  I collettori solari termici 31
    di Annalisa Corrado

2.1 Elementi dell'analisi termica di un collettore 35
2.2 Curva di efficienza pratica di un collettore 37
2.3 Tipologie di collettori maggiormente diffusi 39
2.4 Curve di efficienza a confronto 43
    Note 44

3.  Tipologie di impianto 45
    di Annalisa Corrado

3.1 Nomenclatura e principali applicazioni 46
3.2 Descrizione di sistemi-tipo 51
    Note 65

Gli impianti solari: dalla teoria alla pratica


4.  La progettazione 69
    di Riccardo Battisti

4.1 Introduzione 69
4.2 Il sopralluogo 69
4.3 La scelta della tipologia di impianto e
    dei collettori 80
4.4 Primi elementi di dimensionamento 82
4.5 Il dimensionamento dettagliato 91
4.6 Conclusioni 103
    Note 105

5.  L'installazione e la manutenzione 107
    di Riccardo Battisti

5.1 Introduzione 107
5.2 Le strutture di supporto ed il montaggio
    dei collettori 108
5.3 I collegamenti idraulici tra i collettori 113
5.4 Le tubazioni: disposizione e coibentazione 114
5.5 Il serbatoio di accumulo 117
5.6 Altri accorgimenti 117
5.7 Collaudo e primo avvio 119
5.8 Esercizio e manutenzione degli impianti 123
5.9 Riferimenti legislativi 127
5.10 Conclusioni 130
    Note 131

Gli aspetti economici e ambientali


6.  I benefici ambientali 135
    di Riccardo Battisti

6.1 Introduzione 135
6.2 Quantificare i benefici ambientali:
    le emissioni evitate 135
6.3 Il costo ambientale dei sistemi solari:
    l'approccio "life cycle" 136
6.4 Un bilancio:
    i tempi di ritorno energetico-ambientali 138
6.5 Il confronto con le tecnologie tradizionali 138
6.6 Il collegamento tra ecologia ed economia:
    i costi esterni 139
6.7 Conclusioni 140
    Note 141

7.  Costi, mercato e meccanismi di incentivazione 143
    di Mario Gamberale

7.1 I costì dei sistemi solari termici 143
7.2 Valore attualizzato netto 144
7.3 Il mercato del solare termico e la situazione
    legislativa italiana 146
7.4 Quale futuro? 151

L'impianto solare del carcere di Rebibbia


8.  Rebibbia, un esempio di grande impianto 157
    di Andrea Micangeli

8.1 Un solo obiettivo:
    sprigionare l'energia del Sole 157
8.2 Un nuovo corso per i detenuti:
    inizia un progetto alla luce del Sole 159
8.3 Il progetto preliminare 166
8.4 I dati del progetto 172
8.5 Un occhio ai dettagli dell'impianto 174
8.6 Un passaggio in caldaia, ovvero il "secondario" 183
8.7 Valutazioni economiche 187
    Note 189

Bibliografia 190
Riferimenti WEB 191

 

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Pagina 11

La fonte solare

1.1 Perché l'energia solare

La centralità della "questione energia" rispetto ad ogni scelta, strategia e politica di sopravvivenza e sviluppo della popolazione mondiale è, oramai, una realtà evidente.

L'attuale modello energetico si basa quasi esclusivamente (fino all'80%) sullo sfruttamento dei combustibili di origine fossile (petrolio, gas naturale, carbone), che, in particolare nell'ultimo trentennio, hanno dimostrato di essere intrinsecamente caratterizzati da costi complessivi (ossia anche sociali ed ambientali) ben superiori a quelli strettamente economico-industriali.

Si tratta, in primo luogo, di fonti esauribili nella misura in cui la velocità di formazione della risorsa risulta infinitamente inferiore a quella del suo sfruttamento (da cui l'espressione "risorsa non rinnovabile"). Sebbene le più recenti stime eseguite circa l'entità delle riserve di combustibili fossili non siano universalmente riconosciute come preoccupanti a breve termine, occorre ricordare che le crescenti difficoltà di raggiungimento dei giacimenti stanno rendendo via via meno favorevole il rapporto "costi-benefici" dei processi di estrazione. Se negli anni '60, negli Stati Uniti d'America, con l'energia contenuta in un barile di petrolio era possibile estrarne altri 50, a metà degli anni '90, malgrado il perfezionamento delle tecnologie a disposizione, solamente 5.

In secondo luogo, non è possibile riflettere sulle problematiche legate alle fonti fossili prescindendo da considerazioni circa la distribuzione mondiale dei consumi e delle risorse:

— Il 20% della popolazione mondiale utilizza indiscriminatamente l'80% delle risorse disponibili;

— Aumentano il numero e la gravità dei conflitti legati alla geopolitica delle risorse e al tentativo di controllo degli approvvigionamenti internazionali.

Lasciando da parte considerazioni di carattere etico, l'instabilità sociale, politica ed economica che ne deriva rende sempre più evidente l'impossibilità di proseguire nella direzione finora intrapresa senza mettere a serio rischio la sicurezza e la serena possibilità di sviluppo delle nazioni.

La terza questione determinante riguarda l'impatto ambientale che l'attuale utilizzo delle fonti fossili produce. Dall'estrazione dal sottosuolo, passando per il trasporto, per i processi di raffinazione e stoccaggio, fino all'utilizzo nelle centrali termiche, i combustibili fossili sono legati ad operazioni che richiedono ingenti quantitativi di energia e che determinano un forte impatto sull'ambiente (oltre alle emissioni in aria ed acqua, si pensi anche alle perdite degli oleodotti e dei gasdotti ed ai troppo frequenti "incidenti di percorso", come l'affondamento di petroliere, che si traducono in vere e proprie catastrofi per l'ambiente).

Il fenomeno attualmente più discusso e preoccupante è quello del riscaldamento globale della Terra, meglio noto come effetto serra. In estrema sintesi, il quantitativo di alcuni gas immessi in atmosfera principalmente durante la combustione delle risorse fossili, primo tra tutti l'anidride carbonica, è divenuto via via di gran lunga superiore a quello che i processi naturali, come l'azione di foreste, boschi e oceani, sono in grado di bilanciare. Un equilibrio instauratosi nel corso di milioni di anni è stato rapidamente compromesso. Lo squilibrio che ne deriva ha come prima conseguenza una crescita della concentrazione dei suddetti gas dell'atmosfera terrestre che, alterata nelle sue caratteristiche, si comporta come il vetro di una serra e si oppone al naturale scambio di calore verso lo spazio esterno, provocando un innalzamento della temperatura del pianeta.

I fenomeni legati ad un tale squilibrio sono preoccupanti sia per le conseguenze a livello planetario (aridità e desertificazione, scioglimento dei ghiacci polari ed aumento del livello del mare, alluvioni, etc.) sia per quelle più immediatamente incidenti sulla salute umana (aumento delle malattie respiratorie, diminuzione dell'acqua potabile, proliferazione di insetti tropicali, etc.).

Il contesto analizzato ha portato necessariamente ad una profonda revisione critica dei concetti e dei modelli di sviluppo perseguiti fino ad oggi; revisione che tocca trasversalmente i responsabili delle strategie politico-economiche mondiali, la comunità scientifica internazionale, i governi nazionali e locali, fino al singolo cittadino alle prese con le scelte quotidiane.

La necessità di un approccio allo sviluppo che risulti maggiormente "inclusivo" ed accessibile e che permetta di lasciare intatti i meccanismi di rigenerazione ed auto-equilibrio dell'ecosistema, ha portato negli anni all'elaborazione del concetto di sviluppo sostenibile in netta contrapposizione con il miope e poco lungimirante modello attualmente imperante.

Il ruolo della riduzione ed ottimizzazione dei consumi energetici e della scelta delle fonti utilizzate è, in questo contesto, di assoluta centralità ed importanza.

Tra le molteplici possibilità di azione perseguibili in questa direzione, il ricorso all'energia solare è senza dubbio uno dei passi più intuitivi ed immediati.

Ad una prima riflessione, infatti, si può facilmente notare come si tratti di un combustibile:

— Gratuito;

— Inesauribile (per un periodo quantificabile in almeno qualche miliardo di anni!);

— Facilmente accessibile e distribuito (e particolarmente abbondante in molte delle zone del pianeta caratterizzate da economie depresse ed in difficoltà);

— Pulito (i dispositivi che lo utilizzano sono caratterizzati da emissioni pressoché nulle in fase di esercizio);

— Non soggetto a perdite di distribuzione (il luogo di utilizzo è il medesimo dell'approvvigionamento).

Tra i dispositivi che utilizzano energia solare, quelli maggiormente diffusi e tecnologicamente consolidati si possono distinguere in due principali categorie, tra le quali è importante non fare confusione: i dispositivi fotovoltaici, che convertono l'energia solare (di natura elettromagnetica) direttamente in energia elettrica, ed i dispositivi termici, che forniscono calore a bassa temperatura per il riscaldamento dell'acqua o il condizionamento degli ambienti.

Non si può tralasciare, inoltre, una terza categoria di sistemi, non ancora diffusi a livello commerciale, ma molto promettenti in numerose applicazioni sperimentali; si tratta dei sistemi solari a concentrazione, per la produzione di calore ad alta pressione e temperatura utilizzabile anche per la conversione in energia elettrica.

Il presente lavoro si rivolge all'analisi dei sistemi solari termici, decisamente maturi dal punto di vista tecnologico ed applicativo, ma, almeno in Italia, ancora molto sottovalutati e non sufficientemente diffusi.

A fronte di un vero e proprio boom registrato negli anni '80, di fatto, le installazioni hanno subito una progressiva battuta d'arresto che si è sbloccata solamente in tempi relativamente recenti (vedi figura 1.1).

Le ragioni di una così clamorosa inversione di tendenza vanno ricercate, in primo luogo, nella pessima pubblicità che in quel periodo hanno prodotto, sia pur involontariamente, i progettisti e gli installatori improvvisati, che ha portato al prematuro fallimento di numerosi impianti, ad una conseguente sfiducia generalizzata per i sistemi solari ed al blocco del mercato.

In secondo luogo, occorre registrare una serie di errori strategici e di omissioni d'iniziativa commessi dagli organismi istituzionali che avrebbero dovuto sostenere e supportare, con appositi meccanismi di incentivazione e finanziamento, l'affermazione di una tecnologia allora nascente ma già evidentemente foriera di benefici ambientali ed energetici.

La componente di responsabilità insita nell'assenza del necessario sostegno pubblico viene confermata sia dalla solidità del mercato del solare termico in paesi nord europei, sia dall'ottima risposta ottenuta dal 2001 in poi a seguito dell'avviamento di adeguati programmi di incentivazione da parte del Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e di diversi enti locali.

Germania, Austria ed Olanda, ad esempio, hanno saputo valorizzare le tecnologie solari malgrado una situazione penalizzante in termini di disponibilità di radiazione (si pensi, a titolo esemplificativo, che il medesimo impianto può produrre anche il 30 - 35% di energia in più se installato a Roma piuttosto che a Berlino).

Nel paragrafo che segue, la risorsa solare viene esaminata da un punto di vista marcatamente tecnico; si tratta di un passo necessario per la successiva comprensione del funzionamento e delle caratteristiche dei sistemi solari termici presentati.

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Pagina 45

Tipologie di impianto

Una volta "rotto il ghiaccio" con il principio di funzionamento e le principali caratteristiche dei collettori solari piani, è possibile avventurarsi nell'analisi dell'uso che ne viene fatto in diverse circostanze e con diversi scopi.

In questo capitolo si fornirà una serie di informazioni utili relative alla classificazione dei sistemi ed alle più diffuse possibilità impiantistiche in relazione alle diverse applicazioni.

Ancora una volta, come si vedrà in seguito, non ha senso cercare di individuare la configurazione ideale standard per un impianto solare termico; la scelta migliore è quella che meglio armonizza esigenze dell'utenza, collocazione geografica e climatica del sito dell'installazione, rispetto dell'ambiente architettonico o paesaggistico circostante e convenienza economica. Un impianto che adotta le più sofisticate tecnologie a disposizione sul mercato, ad esempio, può essere un investimento poco oculato in una località nella quale le condizioni climatiche permetterebbero di ottenere, con un impianto molto più semplice, la fornitura di un servizio del tutto comparabile.

Il passaggio dal collettore all'impianto richiede quegli elementi (che si analizzeranno meglio in seguito) atti a rendere fruibile il servizio dall'utenza e a stabilizzare le prestazioni del collettore:

— il serbatoio di accumulo ha la funzione di rendere disponibile acqua calda all'utenza a prescindere dal momento della giornata o dalle condizioni meteorologiche in cui viene richiesta l'erogazione del servizio; raccoglie l'acqua calda man mano che viene riscaldata dai collettori e la mantiene alla temperatura di utilizzo fino al momento della richiesta dell'utenza;

— il sistema ausiliario (tipicamente caldaia a metano o scaldabagno elettrico) è necessario per poter sopperire all'aleatorietà della fonte solare e alla minore disponibilità invernale senza dover sovradimensionare il sistema solare fino a renderlo anti-economico;

— il vaso di espansione è la sede che può accogliere una eccessiva dilatazione termica del fluido termovettore, evitando che si creino pericolose sovrapressioni;

— diversi dispositivi di sicurezza e controllo dell'impianto (come valvole jolly, valvole di sicurezza, valvole di intercettazione, termostati, etc.).

Altri elementi circuitali (filtri addolcitori, circolatori, centraline di controllo, etc.) sono presenti solo in alcuni tipi di impianto, e verranno analizzati nel corso del capitolo.

3.1 Nomenclatura e principali applicazioni

Le due principali categorie secondo le quali possono essere classificati gli impianti solari termici riguardano, in primo luogo, la relazione tra il fluido termovettore ed il servizio fornito all'utenza e, secondariamente, le modalità con cui tale fluido circola all'interno del sistema idraulico.

Nel primo caso si distinguono:

— sistemi aperti, in cui il fluido che circola all'interno del collettore è la stessa acqua che, raggiunta la temperatura richiesta, arriva all'utenza;

— sistemi chiusi, in cui si evidenziano due circuiti perfettamente separati per il fluido termovettore e l'acqua da scaldare.

Nel secondo caso, invece, le categorie evidenziate sono le seguenti:

— sistemi a circolazione naturale, in cui la corretta movimentazione del fluido all'interno del collettore si stabilisce autonomamente grazie all'innescarsi di moti convettivi spontanei;

— sistemi a circolazione forzata, in cui si rende necessario, per la regolazione del flusso, l'inserimento di un sistema automatico (essenzialmente costituito da un circolatore da termostati e da una centralina di controllo).

A livello teorico, le due variabili sono completamente indipendenti, ovvero è ipotizzabile realizzare sistemi con le quattro combinazioni possibili. La pratica impiantistica, come si vedrà, ha però portato alla maggiore diffusione di alcune soluzioni, relegando le altre a un limitato campo di applicazioni.

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Pagina 51

Nel corso del presente paragrafo, si fornirà una panoramica sugli schemi di impianto maggiormente diffusi, con riferimento alle applicazioni di seguito riportate:

— Impianti domestici per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS);

— Grandi impianti ad uso collettivo per la produzione di ACS;

— Piccoli impianti combinati per la produzione di ACS ed il riscaldamento degli ambienti;

— Impianti per il riscaldamento delle piscine.

Un'ulteriore applicazione degna di nota è quella relativa al raffrescamento estivo degli ambienti. Si tratta del caso meno intuitivo tra quelli analizzati, ma basti pensare che alcuni dei dispositivi più moderni ed efficienti utilizzabili per il condizionamento dell'aria, le cosiddette pompe di calore ad assorbimento, hanno bisogno di una sorgente termica "calda" per fornire all'utente il servizio di raffrescamento dell'aria. Il fluido termovettore circolante nei collettori può assolvere proprio la funzione della menzionata sorgente.

L'applicazione risulta particolarmente interessante poiché il carico massimo di lavoro corrisponde esattamente alla massima disponibilità della fonte solare. Considerando un ridotto sfasamento temporale, si può ipotizzare, infatti, che il carico termico da sottrarre all'ambiente da raffrescare sia, in prima approssimazione, proporzionale alla radiazione incidente.

La soluzione presentata è molto appetibile, inoltre, se si pensa ai consumi elettrici ed ai relativi costi che il condizionamento dell'aria porta con sé.

Nel caso della pompa di calore elioassistita, i consumi tradizionali sarebbero limitati alla sola integrazione dell'alimentazione solare e, pertanto, drasticamente ridotti.

I principali limiti alla diffusione di questa soluzione, peraltro in fase di studio e di sviluppo, sono legati al costo elevato delle pompe di calore ad assorbimento ed alla necessità di raggiungere temperature della sorgente calda superiori a quelle di lavoro tipiche di un collettore solare piano.

Come dimostrato da recenti studi, l'ultimo limite analizzato può essere brillantemente risolto attraverso l'utilizzo di collettori solari sottovuoto provvisti di specchi per la concentrazione della radiazione solare. Il limite economico resta, al momento, irrisolto ma comincia ad essere meno evidente per impianti di grossa taglia.

Visto il livello ancora "embrionale", seppur molto promettente, di questo tipo di applicazione, non si ritiene opportuno inserire un'analisi degli schemi d'impianto, anche in virtù della complessa trattazione delle macchine ad assorbimento, che esula dagli scopi della pubblicazione.

3.2.1 Impianti per la produzione di acqua calda sanitaria

Come visto nel paragrafo precedente, i problemi del calcare e del congelamento hanno via via reso chiara la fallimentare combinazione tra sistemi a circuito aperto e collettori solari piani.

Le combinazioni maggiormente diffuse sono, pertanto, le seguenti:

— Circolazione naturale (o a termosifone), circuito chiuso;

— Sistemi con collettori ad accumulo integrato (in misura più contenuta);

— Circolazione forzata, circuito chiuso.

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