IL SOLARE TERMICO Che cos è Tra i dispositivi che utilizzano energia solare, quelli maggiormente diffusi sono gli impianti solari termici, che forniscono calore per la produzione di acqua calda e gli impianti fotovoltaici, che convertono l'energia solare direttamente in energia elettrica. In particolare, il pannello solare serve a catturare l'energia che giunge dal Sole sulla Terra, per produrre acqua calda ad una temperatura che può raggiungere anche 60-70 C. L'acqua calda prodotta, accumulata in un apposito serbatoio, può essere utilizzata per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento degli ambienti, così come per riscaldare le piscine o servire le esigenze di alberghi, scuole, camping, impianti di balneazione, ecc. L'utilizzo dell energia solare comporta benefici ambientali dovuti alla sostituzione di combustibili tradizionali con una fonte rinnovabile "pulita". Inoltre consente, a fronte di un investimento iniziale, di ridurre notevolmente la bolletta energetica (energia elettrica e/o gas) di un'abitazione, di un ufficio o di un'azienda. Mentre si risparmia, si fa qualcosa anche per l ambiente. Come funziona Un impianto solare per la produzione di acqua calda è composto da diverse unità, ognuna con una funzione specifica: 1. il pannello o collettore solare vero e proprio, che permette di trasformare la radiazione solare in calore; 2. il serbatoio di accumulo dell acqua calda (detto anche boiler o accumulatore); 3. il circuito idraulico; 4. l eventuale sistema di regolazione elettronico.
1) Il funzionamento del pannello solare vero e proprio è molto semplice. Ogni superficie esposta alla radiazione solare si riscalda: la trasformazione in energia termica è un fenomeno spontaneo che può essere verificato quotidianamente. Lo scopo del collettore solare è quello di ottimizzare questa trasformazione catturando più calore possibile. Esso è formato da un assorbitore della luce solare, costituito da una lastra simile ad un radiatore (che può essere in acciaio o in rame), all'interno della quale è inserito un fascio di tubi in cui scorre il liquido del circuito primario destinato ad essere riscaldato. Tale fluido è normalmente acqua addizionata con antigelo in modo da resistere al freddo invernale senza congelarsi. Una lastra di vetro trasparente, posta superiormente all'assorbitore, permette il passaggio dei raggi solari. In questo modo il collettore solare aumenta le sue prestazioni grazie al cosiddetto effetto serra 10. Per evitare di perdere calore nella parte retrostante e dai lati, il collettore viene isolato con uno strato di materiale isolante. Un robusto contenitore completa il collettore e consente un facile trasporto senza problemi. Il contenitore, spesso, è dotato di sistemi che agevolano il fissaggio del collettore solare alle strutture di supporto. La piastra captante è in genere realizzata con materiali buoni conduttori di calore (rame, alluminio, acciaio). Per incrementare la quantità di energia solare assorbita, la piastra viene trattata nella parte esposta con vernici speciali, scure, o meglio ancora con trattamenti superficiali cosiddetti selettivi che contribuiscono ad aumentare ulteriormente le prestazioni. La continua circolazione del fluido all interno della piastra captante consente all impianto di trasportare l energia termica assorbita dal collettore solare al serbatoio di accumulo, dal quale viene prelevata l acqua calda in funzione delle necessità. 2) Al fine di poter soddisfare nel modo migliore le richieste dell utenza occorre accumulare in un serbatoio (boiler) l energia solare raccolta quando questa è maggiormente disponibile per cederla al momento in cui verrà richiesta. I serbatoi di accumulo hanno in genere una doppia serpentina: quella posizionata in basso in cui circola il liquido riscaldato dal sole e quella posizionata in alto in cui circola acqua sanitaria collegata alla caldaia. Se l impianto solare non è in grado di portare l acqua alla temperatura desiderata (circa 40-45 C), il calore fornito dalla caldaia attraverso la serpentina (sistema ausiliario) garantisce all utenza la giusta integrazione. L impianto solare, anche quando non riesce a fornire l acqua alla giusta temperatura, svolge comunque una azione di preriscaldamento. Nel caso di impianti solari che servono sia per l acqua calda sanitaria sia per il riscaldamento degli ambienti (impianti combinati) sono disponibili diverse soluzioni tecniche per il serbatoio: tra le più diffuse il sistema cosiddetto tank in tank, costituito da un serbatoio tampone riempito con il fluido per il circuito del riscaldamento, all interno del quale è alloggiato un serbatoio più piccolo per l acqua calda sanitaria che riceve calore attraverso la propria parete dal fluido contenuto nel serbatoio più esterno. La dimensione ottimale dell'accumulatore dipende dalle condizioni climatiche, dal tipo di richiesta dell'energia e da condizioni di carattere economico. Se si tengono presenti sia gli aspetti tecnici sia economici il campo dei valori ottimali è generalmente compreso tra i 50 ed i 100 litri per m 2 di area captante. Oltre al dimensionamento, l'isolamento del boiler costituisce un fattore importante nel buon funzionamento del sistema in quanto, riducendo l'energia dispersa, aumenta quella disponibile all'utenza. 3) Per quanto riguarda il circuito idraulico esistono due possibilità: 10 La copertura trasparente posta davanti alla piastra captante (in genere vetro) lascia passare la radiazione solare sotto forma di luce, ma diventa opaca al calore emesso dalla piastra, che in questo modo accumula più calore: una trappola, insomma, che consente al collettore di assorbire, e poi di cedere all acqua, una quantità maggiore di energia.
in alcuni sistemi la circolazione è attivata naturalmente per l effetto termosifone (circolazione naturale), in altri l acqua circola tra il collettore e il serbatoio di accumulo per mezzo di una pompa (circolazione forzata). La circolazione naturale è un processo molto semplice e si basa sul principio per cui il fluido del circuito primario, riscaldato dal sole, si dilata, diventa più leggero e tende a salire verso l'alto, provocando un movimento naturale del fluido medesimo. Nei sistemi a circolazione naturale il serbatoio di accumulo dell'acqua deve essere sempre posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza dal medesimo. I sistemi a circolazione forzata sono quelli in cui il liquido del circuito primario è spinto da una pompa. L'installazione dei sistemi a circolazione forzata è necessaria in tutte le situazioni in cui il serbatoio di accumulo dell'acqua non può essere posizionato ad un livello più alto dei pannelli solari. I sistemi a circolazione forzata vengono usati in tutta Europa, mentre quelli a circolazione naturale vengono usati principalmente in Europa meridionale. 4) Il sistema di regolazione elettronico ha fondamentalmente il compito di gestire la pompa di circolazione per uno sfruttamento ottimale dell energia solare. Nella maggior parte dei casi si tratta di semplici centraline elettroniche basate su differenze di temperatura. Principali tipologie di pannelli I pannelli solari possono essere raggruppati in alcune tipologie principali: scoperti (senza vetro); vetrati (o piani); sottovuoto (o con tubo evacuato). I pannelli scoperti sono semplici ed economici: sono formati da tubicini neri in polipropilene, neoprene, pvc, o metallo attraverso i quali circola l'acqua. Non c'è isolamento perciò le temperature sono limitate a circa 20 C al di sopra della temperatura dell'aria. Questi pannelli sono ideali per utilizzi dove sono richieste temperature basse, come per es. il riscaldamento estivo delle piscine, la produzione nella stagione estiva di acqua calda sanitaria presso strutture turistiche alberghiere, quali camping, stabilimenti balneari, alberghi rivieraschi. I collettori vetrati (o piani) sono la tecnologia più diffusa e più adattabile. La maggior parte dei pannelli solari piani produce temperature fino a 70 C al di sopra della temperatura ambiente ed é adatta per il riscaldamento dell'acqua e il riscaldamento degli ambienti; rispetto a quelli scoperti offrono una resa buona tutto l'anno. Da un punto di vista costruttivo sono disponibili varie soluzioni che si distinguono per la selettività della piastra assorbente, per i materiali (rame, acciaio inox e alluminio anodizzato) e per l'essere idonee all'uso in impianti a circolazione forzata o naturale. Le dimensioni, pur essendo presenti sul mercato soluzioni Fig. Collettore a tubi scoperti per piscine particolari, prevedono di solito un ingombro vicino al classico 100x200 cm 2.
I collettori sottovuoto, infine, sono composti da una schiera di tubi sottovuoto in vetro: grazie alle proprietà isolanti dello spazio vuoto, le perdite di calore sono molto basse e si possono raggiungere temperature di circa 120 C. Il costo maggiore rispetto alla soluzione piana, comunque, ne consiglia l'adozione solo in casi particolari (utilizzi dell acqua a temperature più elevate e/o climi rigidi). Fig. Collettore vetrato con serbatoio (circolazione naturale) Fig. Collettore a tubi sottovuoto Dimensionamento di un impianto solare termico Per dimensionare un impianto solare, ossia per determinare la superficie di collettori solari da installare, è necessario valutare i fabbisogni energetici. In mancanza di dati precisi, per l acqua calda sanitaria negli usi residenziali, il consumo medio per persona può essere stimato in circa 50 litri/giorno. Il calcolo dell impianto dovrà essere fatto rapportando il valore dell energia richiesta per riscaldare l acqua a quella fornita per metro quadro di superficie. Per una situazione con disposizione corretta dei collettori solari (orientamento SUD, inclinazione 30 ) si può prevedere una superficie captante utile pari a 1 m 2 ogni 50 litri di consumo. Per una famiglia di 4 persone saranno pertanto necessari circa 4 m 2 di collettori solari. Nel caso di integrazione del riscaldamento è necessario invece valutare in modo più preciso il fabbisogno di energia termica, che dipende fortemente dalle caratteristiche di efficienza energetica dell involucro edilizio: pertanto, più la casa è efficiente, più il solare termico può fornire un contributo significativo per soddisfare le esigenze energetiche. Un applicazione particolarmente interessante consiste nell abbinare un impianto combinato al riscaldamento estivo delle piscine, in modo da utilizzare in modo efficiente l eventuale calore in eccesso prodotto nei mesi estivi. Opportunità e vincoli Contrariamente alle tecnologie che da fonti rinnovabili producono energia elettrica, che viene immessa in qualsiasi momento nella rete nazionale, il solare termico può produrre calore solo per il consumo locale. Per questo motivo una delle questioni fondamentali per il solare termico è lo sfasamento temporale tra domanda di calore locale e la disponibilità di energia solare. Essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali, fornendo all'utenza solo una parte dell'energia necessaria, che altrimenti dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale. Questo limite non vale nei casi in cui la disponibilità di acqua calda non è essenziale (es. per le docce di uno stabilimento balneare).
La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo. Per raggiungere un compromesso sul rapporto costi/energia prodotta, questo fattore si aggira normalmente intorno al 70% per l acqua calda sanitaria e al 40% per la domanda complessiva di energia termica (acqua calda sanitaria e riscaldamento). Si tenga presente che l utilizzo del solare termico per il riscaldamento degli ambienti è efficace solo in presenza di un impianto di riscaldamento a bassa temperatura (es. pannelli radianti): nel caso di impianto a termosifoni, pur essendo tecnicamente possibile integrare il fabbisogno energetico con il solare, il fattore di copertura raggiunge valori molto più modesti, rendendo difficilmente conveniente l investimento. La principale esigenza per un impianto solare è la disponibilità della superficie sulla quale installare i collettori. Se l edificio ha una copertura a falde occorre individuare quella più esposta, verificando che durante il giorno non ci siano delle ombre portate da altri edifici, alberi, ecc. L orientamento ottimale è quello a Sud e l inclinazione ottimale è 30. Questa situazione, però, non si verifica spesso e si rendono disponibili superfici con altri orientamenti ed inclinazioni. Tuttavia le penalizzazioni rispetto alla situazione ideale possono essere trascurabili per orientamenti da SUD-EST a SUD-OVEST. Pur se integrativi, i collettori solari presentano numerosi vantaggi ambientali, quali la riduzione delle emissioni inquinanti, delle emissioni di anidride carbonica e delle sue conseguenze in termini di cambiamenti climatici, nonché il risparmio di combustibili fossili. Da non dimenticare inoltre tutti gli aspetti ambientali legati alla fonte solare quale combustibile: gratuito inesauribile facilmente accessibile e distribuito pulito non soggetto a sostanziali perdite di distribuzione (il luogo dell utilizzo è il medesimo dell approvvigionamento). Autorizzazioni per l'installazione dei collettori solari In assenza di vincoli ambientali, architettonici o paesaggistici l installazione può essere realizzata previa presentazione di una Dichiarazione di Inizio Attività (DIA), come per qualsiasi altro intervento di manutenzione straordinaria. Nel caso in cui il sito di installazione ricada in un area protetta, soggetta a vincoli paesaggistici o architettonici, occorre anche ottenere il nulla osta alla competente autorità sul territorio (Ente locale, Ente parco, Sovrintendenza ). Nel caso l immobile sia assoggettato dagli strumenti urbanistici vigenti a specifiche discipline di tutela (es. in quanto appartenente ad un lotto antecedente al 1860), la possibile installazione dei moduli dovrà prevedere, oltre alla Dichiarazione di Inizio Attività, un analisi attenta e dettagliata delle diverse soluzioni tecnologiche per un adeguata integrazione architettonica, previo parere favorevole degli Uffici Tecnici Comunali competenti in materia. I costi Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. 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. Il costo complessivo per un impianto solare con collettori piani per la sola produzione di acqua calda sanitaria in una casa di 4 persone si aggira tra i 4.000 e i 6.000. I costi sono più alti e si avvicinano ai 10.000 nel caso di integrazione del riscaldamento degli ambienti. Si ricorda che, oltre ai programmi nazionali, diverse Regioni e Province hanno previsto finanziamenti per gli impianti solari termici. In linea di massima le domande di incentivazione
devono essere presentate prima dell inizio dei lavori. Inoltre alcune banche offrono mutui agevolati per la realizzazione di tali impianti. È importante tenere presente infine che la Legge Finanziaria 2007 ha previsto una detrazione fiscale del 55% in tre anni per le spese sostenute per l installazione di pannelli solari termici. Diffusione e prospettive di sviluppo L utilizzo di questa tecnologia non è una novità. La sua diffusione nel nostro Paese, come del resto negli altri paesi europei, in questi ultimi anni è in crescita, e questo è dovuto sia all esigenza di ridurre il consumo delle fonti energetiche tradizionali (gas, gasolio, ecc.) per problemi di approvvigionamento, sia per la necessità di limitare le emissioni di gas climalteranti. Si ricorda che la radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1 kw/m 2 solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. A conferma dell opportunità di sostenere e supportare, con appositi meccanismi di incentivazione e finanziamento, una tecnologia ancora in fase di sviluppo, ma con importanti benefici ambientali, va sottolineata la solidità del mercato del solare termico nei paesi nord europei: Germania, Austria e Olanda, ad esempio, hanno saputo valorizzare le tecnologie solari malgrado una situazione penalizzante in termini di disponibilità di radiazione. In ogni caso il parco di collettori solari in funzione in Italia alla fine del 2001 viene stimato in circa 340.000 m², inclusi i collettori non vetrati per il riscaldamento delle piscine, corrispondente a un valore di 5,9 m² di superficie di collettori per 1.000 abitanti. In Italia, quindi, l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può e deve essere ancora molto potenziata (la produzione annua di energia solare termica in Italia è stimata in 205 GWh/a per l anno 2001 11 ). L obiettivo del Libro Bianco di 3 milioni di m 2 installati entro il 2010 richiederebbe un tasso medio annuo di crescita del mercato intorno al 32%. Un più realistico tasso medio di crescita del 20% porterebbe a circa 2 milioni m 2 installati nel 2010. Un particolare ringraziamento viene rivolto all ing. Silvestri (Ordine Ingegneri di Bergamo) per il prezioso contributo fornito 11 Fonte: Promuovere il solare termico Volume I; Ambiente Italia