Fonti rinnovabili: il solare termico

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L’esigenza di avviare politiche energetiche alternative a quelle oggi predominanti nasce dalla consapevolezza che le fonti di origine fossile, il cui utilizzo alimenta le attività produttive e lo stile di vita dei Paesi industrializzati, sono esauribili e nocive all’equilibrio ambientale della Terra.
Si stima che a livello mondiale il 95% del consumo di energia sia “coperto” dall’utilizzo di combustibili fossili, petrolio, carbone e metano, causa dell’immissione nell’atmosfera di una enorme quantità di anidride carbonica, zolfo e altre sostanze inquinanti.
In Italia l’impiego di fonti esauribili è così ripartito (fonte Enea 1999):
– 49,8% petrolio e suoi derivati;
– 29% gas;
– 3,3% carbone e combustibili solidi.
Per i governi che lo hanno sottoscritto, il protocollo di Kyoto rappresenta un impegno a ridurre le immissioni inquinanti, razionalizzando l’uso di energia e indirizzando i “consumatori” verso l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, tra cui si annovera anche il solare termico. Il “Programma Nazionale per la Diffusione delle Tecnologie Solari Termiche”, promosso dal ministero dell’Ambiente, ha come obiettivo il raggiungimento di 3.000.000 m² di installazioni entro il 2010. Nel 2000, i pannelli termici installati hanno raggiunto circa i 25.000 m²; oggi il totale delle installazioni si attesta intorno ai 350.000 m² (fonte Ises Italia).
L’Italia occupa il sesto posto nella classifica europea relativa ai metri quadrati di pannelli installati; al primo posto compare la Germania, seguita da Grecia, Austria, Francia e Spagna (fonte: Eclareon 2002).
Sempre per quanto concerne il solare termico, le tecnologie sviluppate nel corso dell’ultimo decennio hanno consentito di migliorare l’efficienza dei sistemi del 30% e di ampliare i campi di applicazione, dall’edilizia al terziario e agricoltura.

Limitandoci all’applicazione più comune, illustriamo come si compone e quali prestazioni offre un sistema solare termico destinato al riscaldamento di edifici e di acqua sanitaria per uso domestico e per grandi impianti, quali ad esempio le piscine.
Per questo tipo di applicazioni è sufficiente impiegare una tecnologia a “bassa temperatura”, ovvero, che non supera i 100°C – massimo 120°C.

Molte delle informazioni riportate sono tratte dalle pubblicazioni “La strada del Sole” (Assolterm) e “Solare Termico” (Ises Italia).

Sistemi solari termici a bassa temperatura
La funzione di un sistema solare termico consiste nel captare l’energia proveniente dal Sole e utilizzarla nella produzione di acqua calda (in genere 60-70°C).
Per assolvere questa funzione l’impianto solare necessita di una struttura così articolata:
– collettore/pannello solare
– serbatoio d’accumulo.

Il collettore solare (uno o più) è composto a sua volta da una copertura trasparente (vetro o plastica); una piastra assorbente nera; un isolamento termico e infine da un involucro.
La funzione del pannello solare consiste nell’ottimizzare la trasformazione della radiazione solare (luce-onde elettromagnetiche) in energia termica mediante il fenomeno dell’effetto serra.
La copertura posta davanti alla piastra assorbente risulta trasparente alle radiazioni solari e opaca ai raggi infrarossi. Pertanto, la copertura in vetro lascia filtrare la luce della radiazione solare ma trattiene il calore restituito verso l’alto dalla piastra, in quanto emesso sotto forma di raggi infrarossi: questa “trappola” consente al collettore di assorbire e produrre più energia per il riscaldamento dell’acqua o dell’aria. Per evitare dispersioni di calore, il collettore viene isolato nella parte sottostante e ai lati con materiale coibente (in fibra di vetro o in poliuretano espanso privo di CFC). La piastra captante per poter incrementare a sua volta l’efficienza del sistema viene realizzata con buoni conduttori termici (materiali quali rame, alluminio, acciaio), e scurita con vernici speciali o sottoposta a un trattamento superficiale selettivo. Sulla piastra captante risiede un fascio di tubi all’interno dei quali scorre il fluido termovettore, costituito da acqua addizionato con antigelo per prevenire rischi di congelamento del liquido nel periodo invernale. La circolazione continua del fluido termovettore consente di trasportare l’energia termica assorbita dal collettore solare al serbatoio di accumulo. Il pannello risulta chiuso posteriormente da una scocca (spesso in lamiera) e, infine, un involucro racchiude vetro, assorbitore e tubi, isolante termico e scocca posteriore dotando l’intero collettore di robustezza e stabilità.

ll serbatoio di accumulo dell’acqua calda comprende uno scambiatore di calore e un circuito idraulico.
Mediante lo scambiatore di calore ad intercapedine, nel quale circola il liquido del circuito primario, viene ceduto il calore ricevuto dal sole e riscaldata l’acqua contenuta nel serbatoio.
Nel serbatoio risiedono due circuiti idraulici distinti:
– il circuito primario del collettore;
– il circuito secondario, nel quale circola l’acqua sanitaria, è collegato all’impianto idraulico esistente nell’edificio.
I valori consigliati per l’accumulazione di acqua sono compresi tra i 50 e i 100 lt per m² di area captante. E’ fondamentale per la buona resa del sistema che anche il serbatoio sia ben coibentato.

Tipologia collettori solari
Collettori solari possono classificarsi in:
scoperti (senza vetri): soluzione semplice ed economica con tubi neri in propilene, neoprene, pvc o metallo nei quali circola acqua e senza isolamento, adottata nel periodo estivo per il riscaldamento delle piscine, stabilimenti balneari, camping. La temperatura raggiunta è di circa 20°C al di sopra delle temperatura dell’aria.
piani (vetrati): soluzione più comune e di costo medio, che produce temperature fino 70°C al di sopra delle temperatura dell’aria e adatta per il riscaldamento dell’acqua sanitaria e degli ambienti, (tipologia sopra illustrata).
a tubi sottovuoto: soluzione ad alta efficienza, con tubi in vetro sottovuoto all’interno dei quali è collocato l’assorbitore in rame con rivestimento superficiale selettivo. Il vuoto creato tra assorbitore e copertura trasparente tubolare consente di ridurre ulteriormente le dispersioni di calore del collettore verso l’esterno e quindi di aumentare il rendimento. Raggiungendo quasi i 100°C, questi pannelli sono adatti per applicazioni a temperature più elevate.
ad aria: simili nella struttura e nel funzionamento ai collettori piani vetrati, si differenziano da quest’ultimi per due ragioni:
– il fluido termovettore è costituito da aria (anziché acqua);
– i tubi hanno uno sviluppo più ampio per permettere al flusso d’aria di girare lentamente e avere così il tempo necessario per scambiare calore.
Inoltre, questi impianti consentono l’immissione diretta dell’aria calda nell’ambiente senza l’ausilio di scambiatori intermedi.

I pannelli possono essere fissi o “ad inseguimento”. I sistemi fissi, soluzione più vantaggiosa per costi/benefici, devono essere orientati a sud con inclinazione di 10° in meno rispetto alla latitudine del luogo di installazione (10° in più se è destinato al riscaldamento d’ambienti).

Tipologie di impianti
estratto doc. Assolterm
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.
Essi sono costituiti da collettori solari, boiler da installare in vani tecnici e pompa controllata da una centralina nel seguente modo:
A) Prima che sorga il sole i collettori non sono irradiati e la pompa è ferma.
B) Quando il sole splende la temperatura del fluido in uscita dai collettori supera quella del boiler e al comando della centralina la pompa mette in circolo il fluido termovettore trasferendo il calore dai collettori all’acqua del boiler.
C) Dopo una giornata soleggiata il boiler, avendo accumulato l’energia captata, è caldo. Se il soleggiamento è insufficiente si alternano periodi di funzionamento e pausa della pompa proporzionalmente alla potenza dell’irraggiamento.
D) Al tramonto il fluido all’uscita dei collettori si raffredda e la pompa si ferma. L’acqua calda contenuta nel boiler rimane così disponibile all’utenza.

Questi sistemi sono dotati di boiler a doppio scambiatore: quello solare posto inferiormente e quello di integrazione posto superiormente. La stratificazione dell’acqua calda superiormente al boiler consente di sfruttare al meglio l’energia solare grazie alle basse temperature di ritorno ai collettori. Inoltre, all’occorrenza, la caldaia riscalda del delta T sufficiente una limitata quantità di acqua.
Generalmente i boiler superiori a 1000 lt sono dotati di tre scambiatori di cui due utilizzati per lo scambio dell’energia solare ed uno come integratore caldaia.

I sistemi a circolazione naturale si basano sul principio che 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, con una leggera pendenza delle tubazioni di collegamento per facilitare il trascinamento e l’espulsione dell’aria.
I vantaggi principali del sistema a circolazione naturale sono: nessun consumo energetico per far funzionare il sistema nella fase di captazione solare; equilibrio della velocità del fluido in funzione del delta T e della differenza di altezza; semplicità.

Costi/benefici
Per valutare l’opportunità di realizzare un impianto solare termico bisogna considerare il grado di insolazione della propria area territoriale (a seconda delle stagioni) e il fabbisogno giornaliero a persona di acqua sanitaria. In Italia, il livello di irraggiamento è in media di 5-6 kwh/m²/giorno; una persona consuma in media 50-60 litri d’acqua al giorno; e si calcola in media 1-1,50 m² a persona (dato che può variare a seconda dell’area geografica).
Una famiglia di 4 persone con l’installazione di 4m² di pannelli solari termici soddisfa circa il 60-70% del fabbisogno annuo di acqua calda.

Il rapporto costi/benefici rimane lineare fino a 55÷60% di copertura del fabbisogno termico annuo. Infatti, secondo dati Ises Italia, “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”.

L’installazione di impianti solari termici va considerata pertanto come integrativa di tecnologie tradizionali.

Consulta il grafico “Consumi energetici dei differenti sistemi” elaborato da Ises Italia (per maggiori info tecniche e di calcolo, vedi “link utili”: www.isesitalia.it)

Un esempio formulato da Assolterm
Prendiamo ad esempio il caso in cui i pannelli solari per la produzione di acqua calda sostituiscono uno scaldabagno elettrico e immaginiamo una famiglia di 4 persone. Il consumo medio di acqua calda è stimato in 200/250 litri al giorno, che tradotto in valori energetici significa che in media si consumano circa 3.000 kWh l’anno. Poiché una famiglia di 4 persone posiziona il proprio consumo massimo di elettricità nell’ultimo scaglione tariffario, il costo di ogni kWh è di circa 0.18 Euro (350 lire). La spesa in energia elettrica sarà quindi di oltre 520,00 Euro l’anno. Nel caso in cui il fabbisogno di acqua calda sia soddisfatto con una caldaia a gas, la spesa complessiva sarà attorno ai 400,00 Euro l’anno.
Se la nostra famiglia installa un sistema solare, potrà coprire con esso mediamente il 70% del suo fabbisogno di acqua calda. Si può quindi prudentemente affermare che il risparmio effettivo oscilla fra i 280,00 e i 380,00 Euro l’anno. Cinque anni sono un ragionevole periodo per recuperare il costo dell’investimento. In tale periodo si potranno ammortizzare 1.400,00-1.900,00 Euro, che generalmente sono sufficienti per installare un sistema solare termico.
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. E’ utile ricordare infine che un impianto ad energia solare più è utilizzato, più è conveniente. (estratto doc. Assolterm)

Fino al 30 settembre 2003 è possibile usufruire degli incentivi fiscali che consentono la detrazione Irpef del 36% delle spese di installazione.

Marchio Solar Pass
Nato dall’esigenza di promuovere contestualmente la tecnologia del “solare termico” e la qualità delle soluzioni offerte sul mercato, il marchio Solar Pass contraddistingue le aziende che hanno sottoscritto un codice interno di autoregolamentazione, denominato “Regolamento Solar Pass”.
L’iniziativa voluta e promossa da Assolterm – Associazione Italiana Solare Termico – si rivolge sia ai produttori e distributori sia agli installatori: rispettivamente con i marchi “Solar Pass” e “Solar Pass Installa”. Per maggiori informazioni e per consultare il Regolamento: www.solarpass.it

Link utili /Fonti

www.infobuildenergia.it
www.assolterm.it
www.isesitalia.it
www.ambienteitalia.it
www.minambiente.it
reseda.grisnet.it
enelgreenpower.enel.it
www.energia.regione.lombardia.it/psolari

Fonti/estratti:
“La strada del Sole” di Assolterm – Associazione Italiana Solare Termico
“Solare Termico” di Ises Italia – sezione dell’International Solar Energy Society