L'ENERGIA SOLARE TERMICA

Transcript

1 L'ENERGIA SOLARE TERMICA II Solare Termico è una tecnologia che permette la conversione diretta dell'energia solare in energia termica per la produzione di acqua calda. Questa tecnologia ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua nell'utilizzo domestico. La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità, resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superfìcie terrestre. L'applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 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. L'energia del sole irradiata annualmente sulla terra è di 1,5 x IO 9 TWh., quantità che risulta essere solo mezzo miliardesimo della radiazione totale emessa dal sole nello stesso periodo. Il 49 % di questa radiazione viene riflessa dall'atmosfera, il rimanente 51 % è energia termica che giunge sulla terra, a cui occorre ancora togliere circa un 4% dovuto alla riflessione dell acqua e dei ghiacciai. La radiazione effettiva disponibile al suolo rimane il 47%. Questa viene riflessa dalla terra principalmente in raggi infrarossi mentre, il 21 % vaporizza l'acqua formando le nuvole, il 2 % diventa vento, onde e maree, l'1 % si trasforma in chimica come 1

2 "fossili" e in biomassa (rami secchi, foglie secche... ecc). In Italia il potenziale di energia solare disponibile va dai 1700 KWh al metro quadro medio annuo di Trapani ai 1100 KWh del Nord. LA TECNOLOGIA DEL SOLARE TERMICO COMPONENTI DELL'IMPIANTO DI PANNELLI SOLARI A LIQUIDO REFRIGERANTE I pannelli solari a liquido refrigenante, sono strutture in cui il calore della radiazione solare viene assorbita da un pannello contenente un liquido che si riscalda. Questo viene poi fatto circolare, tramite tubi, all interno di un boiler in cui si trova acqua fredda, che in questo modo si riscalda e può essere utilizzata. Un impianto solare standard è composto da diverse unità, ognuna con una funzione specifica: il collettore serve a captare la radiazione solare, il serbatoio per conservare l'acqua in temperatura e il gruppo "pompe e sicurezza" gestisce il funzionamento di tutto l'impianto. La parola collettore viene dal latino e sottolinea la funzione di questo componente dell'impianto, cioè quella di raccogliere la radiazione solare. Il lato rivolto verso la fonte radiante (il sole) è costituito da una copertura trasparente, in modo che l'energia della radiazione possa penetrare il più possibile e arrivare alla superficie di assorbimento, per essere qui trasformata in energia termica pronta all'uso. COM' È FATTO UN COLLETTORE Tutti i collettori piani disponibili sul mercato sono composti da assorbitori (lamiere ad alta capacità di trasmissione del calore con tubi integrati), da una copertura superiore in vetro e da uno strato di materiale coibentante sul fondo e sui lati. Queste componenti sono tenute insieme da un telaio leggero che fa da scatola. Si possono notare i seguenti effetti fisici causati dalla radiazione solare: se in un giorno freddo il sole splende nell'appartamento attraverso la finestra chiusa, la temperatura interna si alza sensibilmente all'interno di un'automobile esposta al sole si sviluppano molto rapidamente temperature molto alte (soprattutto se gli interni sono scuri). In entrambi i casi la radiazione solare a onde corte passa attraverso il vetro della finestra una volta raggiunti gli oggetti all'interno della stanza viene trasformata in radiazione a onda lunga, che solo in parte riesce a uscire all'esterno. Un collettore funziona secondo lo stesso principio e per questo motivo la parte principale di qualsiasi collettore è formala da un assorbitore. 2

3 ASSORBITORE All'interno del collettore l'assorbitore si comporta come un tubo di gomma da giardino lasciato al sole e trasforma quindi la radiazione solare in calore sensibile. Il normale assorbitore di un collettore standard è di rame, di una lega rame-alluminio oppure di acciaio al nickel-cromo rivestito nella parte superiore da uno strato nero di finitura. Quando la radiazione solare colpisce l'assorbitore, per la maggior parte viene assorbita e in parte riflessa. La radiazione assorbita produce calore, che viene ceduto dalla lamiera al tubo in rame. Nel tubo di rame scorre il fluido termovettore che a sua volta assorbe il calore. Oltre ai requisiti meccanici essenziali, un assorbitore deve non solo assorbire molto bene, ma anche reirradiare il meno possibile il suo calore. Le dispersioni per reirradiazione vengono dette anche dispersioni per emissione. Un assorbitore con una normale superficie nera reirradia quasi completamente il suo calore, cioè ha un'alta emittività (grado di emissione). Questa reirradiazione di calore viene trattenuta dalla lastra di vetro di copertura in quanto radiazione a onda lunga, ma va a riscaldare il vetro stesso, producendo comunque alte dispersioni di calore. Aggiungendo una seconda lastra di vetro le dispersioni di calore si ridurrebbero, ma allo stesso tempo si andrebbe a ridurre anche la permeabilità alla luce. STRATO SELETTIVO Per risolvere questo problema è stato studiato e sviluppato lo strato selettivo: la sua funzione è di ridurre le dispersioni per reirradiazione al % di un normale assorbitore nero. La superficie dell'assorbitore trattata in questo modo è oggi utilizzata da tutti i produttori di collettori. Gli strati selettivi possono essere apportati con un trattamento galvanico, vaporizzati sotto vuoto oppure prodotti con il cosiddetto procedimento spulter. Le più recenti innovazioni si contraddistinguono soprattutto per il basso grado di emissione (in parte anche inferiore al 10 %). TELAIO E COPERTURA DI VETRO Per proteggere l'assorbitore dalle intemperie e dalle dispersioni di calore bisogna coprirlo con una lastra di vetro e coibentarlo con materiali isolanti oppure producendo il vuoto. I vetri di sicurezza solari devono essere privi di ferro, in modo che il passaggio di luce sia il più alto possibile. La resistenza a compressione è di circa 700 N/mm 2. Per fare un confronto, le materie plastiche rinforzate con fibra di vetro (per esempio il materiale delle tavole da surf) hanno una resistenza a compressione di circa 250 N/mm 2. Il vetro di sicurezza inoltre è temperato e precompresso, in modo da resistere alle sollecitazioni provocate per esempio durante le grandinate. 3

4 Il vetro inoltre garantisce un ulteriore livello di sicurezza, poiché in caso di rottura si rompe in parti molto piccole e non taglienti, diminuendo il pericolo di incidenti. Il telaio del collettore serve a tenere insieme le singole componenti, in modo da ridurre al minimo le dispersioni di calore durante il funzionamento. Differenze di temperatura rispetto all'ambiente esterno dell'ordine di 40 C. sono normali, e richiedono di conseguenza un'ottima coibentazione laterale e delle pareti. Un buon collettore si distingue proprio perché ha dispersioni di calore molto basse. I collettori piani vengono prodotti in diverse dimensioni. Determinante per lo sfruttamento dell'energia solare è la superfìcie attiva di assorbimento, attraverso cui la radiazione viene trasformata in calore. Le dimensioni del telaio del collettore (superficie lorda) oppure del vetro (superficie di apertura) sono valori che hanno altre funzioni. La superficie lorda determina, per esempio, lo spazio necessario sul tetto, mentre la superficie di apertura è la superficie di riferimento per il calcolo del rendimento del collettore secondo le norme DIN. TEMPERATURA DI STALLO Se il calore non viene asportato dal collettore sotto forma di energie utile, la temperatura continua a salire finché guadagni e dispersioni si bilanciano. Questo significa che tutta la radiazione assorbita va perduta sotto forma di dispersioni di calore. A questo punto non è più possibile avere un lavoro utile; il rendimento è quindi uguale a zero (n=0). Questa temperatura di stallo viene anche chiamata temperatura di stagnazione, perché si arriva a una stagnazione dell'aumento di temperatura. Già con un'intensità di radiazione di 50 W/m 2 il collettore si riscalda di 9,4 K al di sopra della temperatura ambiente. Diventa quindi chiaro che all'interno di un collettore con una radiazione media di circa W/m 2 si possono raggiungere temperature che possono creare problemi dal punto di vista della sicurezza (acqua bollente, vapore ad alte temperature). 4

5 POMPA DI CALORE Questi impianti prevedono la presenza di una pompa di calore composta dai seguenti elementi: fonte di calore, che abbiamo appena visto essere gratuita, un compressore, un condensatore e un riduttore di pressione. In un circuito chiuso circola un liquido di raffreddamento, non inquinante e che non congela, che utilizza il calore prelevato dal terreno o dall'acqua. Il liquido viene compresso e fatto passare per un condensatore, la cui funzione è quella di assorbirne il calore e cederlo al sistema di riscaldamento della casa. N.B. Il sistema di riscaldamento deve essere a bassa temperatura (pannelli radianti o equivalente) Invertendo il processo esiste la possibilità del raffreddamento. ENERGIA TERMOSOLARE PER GRANDI AMBIENTI E L INDUSTRIA L energia del sole irraggiata sulla terra, opportunamente captata e concentrata, può essere facilmente utilizzata per produrre energia termica a diverse temperature (fino a 850 c) come fluido caldo, surriscaldato o vapore, per utilizzi civili (ospedali, alberghi ecc ) ma soprattutto industriali. È possibile anche ottenere energia frigorifera mediante pannelli refrigeranti PER REFRIGERAZIONE Con temperatura fino a -30 C utilizzando il ciclo frigorifero ad assorbimento acqua/ammoniaca PER PROCESSI INDUSTRIALI Con temperatura fino a 3 C utilizzando il ciclo frigorifero a assorbimento acqua/silica-gel PER CONDIZIONAMENTO Con temperatura fino a 5 C utilizzando il ciclo frigorifero ad assorbimento acqua/bromuro di litio Quando i raggi solari vengono captati e concentrati, attraverso uno specchio parabolico, generano una intensa quantità di calore nel fuoco della parabola. L energia solare viene captata dal collettore (parabola mobile che insegue il sole) la cui superficie a specchio riflettente, focalizza i raggi solari sul tubo ricevitore posto lungo la linea focale e all interno del quale circola un fluido che viene riscaldato ad alta temperatura fino a 300 C. La trasformazione dell energia termica in energia frigorifera ad assorbimento si basa su trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con la sostanza utilizzata quale assorbente. La potenza minima di tali sistemi attualmente e di 35 kwf. 5

6 Nell immagine una vista dei pannelli piani ad alta temperatura utilizzati in un centro direzionale Tale impianto di riscaldamento e condizionamento consente un risparmio di energia elettrica e metano dell 80%. UNA SOLUZIONE PER OGNI SITUAZIONE Tutti gli edifici che dispongono di uno spazio soleggiato (tetto inclinato, tetto terrazzato, giardino, ecc.) possono essere dotati di un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria. Un tetto terrazzato o un giardino ben soleggiato sono in genere da preferire, ma va bene anche un tetto con tegole. Occorre prestare particolare attenzione a posizionare nel modo migliore il pannello solare. Bisogna scegliere la posizione che offre la migliore insolazione, ma anche le zone più facilmente accessibili e meno critiche negli ancoraggi I pannelli solari devono essere rivolti preferibilmente verso Sud, con una tolleranza di deviazione verso Est o verso Ovest di 30, ed essere inclinati di circa rispetto al piano orizzontale. Tale oscillazione terrà conto della posizione geografica: l optimum è 30 per l Italia meridionale e per l Italia settentrionale UTILIZZI L'utilizzo di questi impianti è principalmente destinato ad usi domestici di singole famiglie. In genere si tratta, a seconda dell'entità del gruppo familiare e del tipo di clima, di impianti di 3-5 mq di superficie captante (sistemata in terrazzo, sul tetto o in giardino) con un serbatoio di accumulo di m 3 che consentono di produrre acqua calda a temperature di C adatta all'utilizzo in 6

7 cucina, in bagno o per il riscaldamento. Un sistema solare può coprire mediamente il 70% del fabbisogno familiare totale annuale di acqua calda. Nei paesi più avanzati sono stati realizzati anche impianti solari centralizzati, utilizzati, con sistemi di distribuzione e conteggio del calore, per il riscaldamento di appartamenti, alberghi ed impianti sportivi. Tra questi, di particolare interesse risulta essere l utilizzo per il riscaldamento dell acqua delle piscine, con investimenti finanziari che si ripagano anche in un anno e mezzo. I pannelli solari sono in grado di fornire acqua calda e riscaldamento in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare. I pannelli solari possono essere utilizzati anche per generare energia elettrica. Questo utilizzo prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante. Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progettata ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia. Questi esperimenti non hanno avuto molto successo per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza elettrica generata. MINOR INQUINAMENTO In Europa m 2 di pannelli solari hanno consentito nel 1994 di produrre 2.6 TWh di energia e di evitare l'immissione nell'atmosfera di 1.8 milioni tonnellate di CO 2, aiutando a combattere l'aumentare dell'effetto-serra, primo responsabile dei mutamenti climatici del pianeta e di tutti gli effetti negativi che da esso ne conseguono (alluvioni, siccità, aumento della temperatura terrestre, desertificazione, etc.). Il minor inquinamento dell ambiente ed il risparmio energetico che si ottiene utilizzando l energia solare rappresentano vantaggi per tutta la collettività, la cui valutazione è lasciata alla sensibilità individuale di ciascuno. In sintesi i benefici: risparmio di idrocarburi e di energia elettrica che per l'80% in Italia deriva dagli idrocarburi mancata emissione di CO2 inore necessità di infrastrutture per il trasporto dell'energia da grandi distanze mancata emissione di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10 indirettamente la diminuzione dei disastri ambientali mancata immissione nell'ambiente di calore COSTI, RISPARMI, INCENTIVI In media per un impianto monofamiliare il costo va da circa 2250 a 3000, ammortizzabili in circa 3-4 anni, mentre la vita dello scaldacqua solare si può indicare in anni, con costi di manutenzione annuali dell'ordine del 2% del costo iniziale dell'impianto, necessari per la manutenzione ed il controllo di spie e centraline. Bisogna altresì ricordare che uno scaldabagno tradizionale (elettrico o a metano) non si ripaga mai, perché il costo della bolletta c è sempre, mentre l energia solare, dopo aver recuperato i soldi spesi, non costa nulla. Per le seconde case al mare, con ottima insolazione e tariffa elettrica più cara, l impianto solare è ancora più conveniente. 7

8 Il risparmio medio annuale per un impianto di 3 m 2 di superficie captante per il consumo di una famiglia tipo di 4 persone abitante in una località dell'italia centrale, rispetto ad uno scaldacqua elettrico o a metano risulta essere: RISPARMI E RIDUZIONI SCALDABAGNO ELETTRICO SCALDABAGNO A GAS Risparmio in elettricità o gas Risparmio economico Riduzione emissioni 2800 kwh/anno 430,00 /anno 2.56 t di CO 2 /anno 350 m3/anno 230,00 /anno 2.01 t di CO 2 /anno Esistono inoltre degli incentivi fiscali e contributivi (sgravio IRPEF, riduzione IVA, incentivi pubblici una-tantum). SVILUPPI DEL MERCATO IN ITALIA È quanto mai necessario promuovere la diffusione del solare termico, in quanto tale tecnologia, a livello internazionale sufficientemente matura, trova in Italia condizioni particolarmente favorevoli, quali l'esposizione climatica, l'idoneità della maggioranza degli edifici ad uso residenziale, la prevalenza nel riscaldamento dell'acqua sanitaria dell'uso dell'elettricità (si stimano che siano ancora esistenti in Italia circa di scaldabagni elettrici!). Le previsioni dell'unione Europea ritengono possibile entro il 2010 l'installazione di circa 3 milioni di m 2 di pannelli in Italia. Intorno al 2010, poi, si dovrebbe avviare anche un mercato di sostituzione che porterebbe ad un incremento della capacità produttiva che potrebbe gradualmente accrescersi fino a circa m 2 all'anno. Al fine di incoraggiare ed accelerare la diffusione del Solare termico sono in vigore, in Italia, leggi e agevolazioni economiche. Già con la legge 10 del 1991 si incentivavano gli impianti ad energie rinnovabili, ma la scarsa applicazione di questa legge ha portato alla promulgazione di ulteriori provvedimenti atti ad incentivare lo sviluppo del solare termico. A livello nazionale il ministero dell ambiente ha emanato un bando atto ad incentivare l installazione dei collettori solari rivolto ad enti pubblici, comuni ed aziende distributrici del gas. 8