Il sole con gli specchi

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1 Il sole con gli specchi 1. Giuseppe Villa, Archimede, 1870 (Siracusa, Liceo Scientifico O.M. Corbino ) Franco Donatini e Carlo Zamparelli Lo sfruttamento dell energia del sole in maniera tecnologica non è una storia recente, ma risale addirittura a prima della nascita di Cristo. Plutarco nella sua opera Vite parallele ci narra le ingegnose imprese che Archimede mise in atto durante l assedio dei romani alla città di Siracusa nel corso della seconda guerra punica. Secondo lo storico, il famoso scienziato creò e sperimentò diversi strumenti bellici allo scopo di contrastare l assedio del console romano Marcello per espugnare la città di Siracusa, colpevole di essere alleata dei Cartaginesi. La fantasia e la genialità di Archimende erano fertili di idee. Plutarco, ed altri famosi storici di quel periodo, anche antecedenti come Polibio e Livio, non citano mai i cosiddetti specchi ustori, che invece nella tradizione e nei ricordi degli eventi bellici del passato sono indissolubilmente legati alla figura di Archimede. Secondo la tradizione Archimede, con dispositivi ottici a concentrazione solare, avrebbe incendiato la flotta romana, che stazionava nella baia di Santa Panagia a pochi chilometri a nord di Siracusa. Durante la presa della città, che avvenne nel 212 a.c., Archimede venne trucidato da un soldato romano, nonostante che il generale Marcello avesse dato l ordine di salvare la vita del matematico. È probabile che si tratti di una leggenda poiché Archimede non era certo interessato alle azioni militari, e così come ci è stata tramandata la macchina ustoria di Archimede, sotto forma di unico specchio parabolico, avrebbe avuto bisogno di una tecnologia costruttiva Locus n. 6,

2 2. Esperimento condotto al MIT dell impresa di Archimede 3. Antico impianto solare nel deserto nei pressi del Cairo che probabilmente non era alla portata del grande siracusano. Vari resoconti rimastici sulla vita di Archimede sono d accordo nel dipingerlo come persona che attribuiva scarso valore ai suoi congegni meccanici rispetto ai prodotti della sua attività intellettuale. Anche quando trattava di leve e di altre macchine semplici, era molto più interessato ai principi generali che le governavano che alle loro applicazioni pratiche. Tuttavia l idea che abbia realizzato effettivamente questa impresa ha sempre affascinato la scienza già a partire dalle epoche antiche, come durante il medioevo quando Archimede veniva principalmente visto come un mago tecnologico. Sono seguiti nei secoli vari esperimenti da parte di grandi scienziati (Leonardo, Cavalieri, etc.) propugnatori della verità storica dell evento, ipotizzando varie macchine ustorie, spesso al limite della fantasia e stravaganza. Solo nel XVIII e nel XIX secolo si arrivò alla realizzazione di qualche macchina termica solare basata sul principio della concentrazione solare: basti ricordare gli esperimenti del Conte di Buffon a Parigi (1747) e la caldaia solare per l azionamento di presse tipografiche esposta a Parigi nel 1878 da Augustin Mouchot. Ancora oggi l avventura di Archimede continua ad affascinare molti. Il Massachusset Institute of Technology, il famoso MIT, ha studiato l effettiva fattibilità dell impresa, concludendo che sarebbe stata teoricamente possibile concentrando i raggi solari sulle navi mediante specchi piani, ma in pratica molto difficile per l elevata precisione richiesta dalla distanza dei bersagli. Anticipando la descrizione della nuova tecnologia ENEA per lo sfruttamento dell energia solare tramite specchi parabolici lineari, per rimanere nel campo storico scientifico ed osservando come spesso l uomo si dimentichi del suo passato e pretenda di reinventare il mondo (quasi ci si vergogni di essere, come diceva Newton nani sulle spalle di giganti ), è oltremodo istruttivo ricordare la grande realizzazione dell impianto solare di Frank Shuman nel 1912 a Meadi nel deserto vicino al Cairo. Si tratta di un impianto a specchi parabolici lineari, con inseguimento solare, di circa 1200 m 2, asservito a pompe di irrigazione agricole. Fu il primo impianto del genere al mondo, ed anche l ultimo fino ai tempi di oggi: la nascente economia a basso prezzo del petrolio dell epoca ne sancì rapidamente l oblio. 42

3 4. Impianto a torre solare di Adrano (Catania) L impresa di Archimede resta comunque una grande idea che oggi si può applicare per finalità ben più preziose, cioè per sfruttare l energia termica solare nella produzione di elettricità. Questa strada è diversa da quella oggi molto in voga che è la conversione diretta dell energia solare in elettricità per via fotovoltaica, ma forse concettualmente più semplice. Si tratta di concentrare la radiazione solare mediante specchi, facendola convergere su dei tubi in cui viene scaldato un fluido il cui calore può essere convertito in energia elettrica attraverso una macchina termica. Su questo principio sono state sviluppate essenzialmente due tecnologie. La prima in ordine di tempo è stata quella basata su specchi piani che concentrano la radiazione su una caldaia posta sulla sommità di una torre, con produzione di vapore che, immesso in una turbina, genera energia elettrica. Praticamente la caldaia sostituisce le navi di Archimede, con la differenza che il sole invece di sprigionare la sua potenza distruttiva esplica un effetto benefico producendo elettricità. La prima significativa applicazione di questa tecnologia, detta a torre solare, fu fatta oltre venti anni fa con un progetto cofinanziato dalla Comunità Europea che portò alla realizzazione di un impianto pilota da 1 MW di potenza elettrica presso Adrano (Catania) in Sicilia. Il progetto consentì di verificare le prestazioni delle diverse tipologie di specchi impiegate, della caldaia e del sistema nel suo complesso. Gli aspetti critici sono costituiti dall inseguimento del sole, dalla difficoltà di far collimare i raggi sulla caldaia e dalla necessità di ricorrere a sistemi di accumulo per sopperire anche alle più piccole variazioni meteorologiche (nuvolosità) del sito. Successivamente la tecnologia si è evoluta, passando dalla tecnica a torre solare a quella degli specchi parabolici lineari. In questo caso la radiazione solare è concentrata da specchi di forma parabolica, cilindrica, su un tubo posto nel fuoco della parabola. Il tubo è percorso da un fluido termovettore che assorbe il calore solare ed attraverso un successivo scambiatore produce vapore per una turbina che genera energia elettrica. Il fluido termovettore è in genere costituito da olio diatermico che deve rimanere allo stato liquido per consentire un adeguato trasporto di calore ed il corretto funzionamento del sistema. Inoltre alle alte temperature gli oli diatermici normalmente impiegati subiscono un irreversibile degrado termo-chimico. Per questi motivi la temperatura di esercizio, con gli oli diatermici, è limitata a valori tra 300 e 350 C e questo penalizza il rendimento complessivo del sistema per la temperatura della sorgente calda del ciclo termico non sufficientemente elevata rispetto agli standard attuali. La nuova tecnologia solare Da circa dieci anni l ENEA ha sviluppato una nuova tecnologia basata su un idea del prof. Carlo Rubbia che prevede la sostituzione dell olio diatermico con sali fusi consentendo, quindi, di elevare la temperatura di assorbimento del calore solare fino 600 C, fatto questo che 43

4 5. Impianto pilota della Casaccia presso S. Maria Galeria (Roma) migliora l efficienza di generazione elettrica del 30% rispetto alla soluzione con olio diatermico, passando infatti dal 12 ad oltre 16%. La fattibilità dell impiego dei sali fusi con fluido termovettore è stata sperimentata in un impianto pilota realizzato presso i laboratori della Casaccia di S. Maria Galeria (Roma), che simula in piena scala un modulo di collettori solari della lunghezza di circa 100 metri. L innalzamento così elevato della temperatura del fluido provoca un aumento della dissipazione per irraggiamento dai tubi del calore solare, che se non adeguatamente controllato, ridurrebbe notevolmente i vantaggi termodinamici dell alta temperatura. Per risolvere questo problema è stata sviluppata una tecnica di rivestimento dei tubi, in grado di ridurre fortemente la dissipazione termica, attraverso la deposizione superficiale di un materiale che, relativamente allo spettro di emissione per le temperature di esercizio del tubo (lunghezze d onda maggiori di quelle relative allo spettro solare) presenta un trascurabile effetto radiativo. Questa tecnica è indispensabile per sfruttare in maniera vantaggiosa l energia solare a temperature elevate. L impiego dei sali fusi come fluido termovettore consente molteplici vantaggi come: la possibilità di produrre vapore alla stessa temperatura degli impianti alimentati a combustibile fossile e quindi una più agevole ed efficace integrazione tra impianto solare e centrali convenzionali esistenti una riduzione dei costi e dei rischi in quanto i sali fusi sono costituiti da una miscela di nitrati di sodio e potassio, composti normalmente usati come fertilizzanti in agricoltura, caratterizzati rispetto all olio diatemico da basso costo e totale compatibilità ambientale in caso di perdite dall impianto. Invece l olio diatermico, oltre ad avere un costo alcune volte superiore rispetto ai sali, ha anche una elevata tossicità e quindi potenziali rischi di inquinamento la possibilità di effettuare in maniera economica e sicura un accumulo energetico basato sullo stoccaggio dei sali in serbatoi ad alta temperatura. L elevata temperatura a cui possono essere riscaldati i sali, quasi doppia rispetto all olio diatermico, permette una capacità di accumulo energetico alcune volte maggiore rispetto all olio. Il calore immagazzinato nei serbatoi di stoccaggio sotto forma di sali fusi alla temperatura di 550 C viene sfruttato in un generatore di vapore (uno scambiatore di calore fra sali ed acqua) la cui uscita è connessa ad una turbina tradizionale che a sua volta trascina una macchina elettrica per la produzione di elettricità. È interessante notare come nel progetto innovativo ENEA, attualmente in via di verifica industriale attraverso la realizzazione di un primo modulo commerciale 44

5 6. Simulazione fotografica della centrale solare a specchi da realizzare presso Siracusa di 5 MW in collaborazione con ENEL, la generazione di elettricità, avvenendo a valle dell accumulo, è completamente indipendente temporalmente dalla fase di raccolta dell energia solare; in definitiva, purchè si rispetti il bilancio energetico globale in un dato periodo di tempo, è possibile produrre energia anche in assenza di irraggiamento solare, così come di notte. L imminente sperimentazione industriale Per una verifica industriale, la prima in Italia, dell idea descritta sopra si è scelto uno dei siti maggiormente dotati di risorsa solare nel corso di tutto l anno. La scelta non poteva non ricadere che sulla Sicilia, la terra del sole, ed in particolare, quasi per un inconscio sentimento di continuità storica e culturale, sulla città di Archimede, Siracusa, oltre due millenni dopo le leggendarie vicende degli specchi ustori. In provincia di Siracusa, nel comune di Priolo Gargallo, lungo il tratto di mare che avrebbe visto l approdo delle navi romane ed avrebbe ospitato l accampamento del Console Marcello, l ENEL ha in funzione uno dei suoi più moderni impianti a ciclo combinato (Turbine a gas e cicli termici tradizionali). Un ulteriore punto di forza del progetto è pertanto quello di utilizzare, per la parte convenzionale del vapore, il ciclo termico già esistente, ad alto rendimento, sul quale convogliare la quota parte di energia solare sfruttandone le sinergie offerte. La potenza elettrica ottenibile da questa prima realizzazione industriale si aggirerà attorno a 5 MW con una produzione di energia pulita annua che si stima uguale al fabbisogno di circa 3000 famiglie medie italiane. L unico punto debole, al momento, per la realizzazione di impianti basati su questa tecnologia, sembra essere quello dei costi di realizzazione e quindi del costo di produzione del KWh. Ciò è determinato essenzialmente dal fato che i principali componenti sono altamente innovativi e quindi non supportati da una consolidata produzione industriale. L esperienza che si maturerà con l impianto di imminente realizzazione a Priolo e la sua futura prevedibile espansione a taglia maggiore, (le nuove realizzazione che sono già previste con potenza di oltre 50 MW) porteranno in breve termine, nel giro di circa 10 anni, ad un costo che si ritiene potrà essere competitivo con i costi di generazione da fonti fossili. 45