ENERGIA SOLARE TERMICA

La prima fonte di energia: il sole

Tutte le fonti di energia sul nostro pianeta hanno un'origine comune: la radiazione solare. Gli stessi combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) derivano dalla trasformazione di materiali organici formatisi con la fotosintesi grazie all'energia solare. La radiazione solare rende disponibile sulla superficie terrestre una potenza  di 178.000 miliardi di kW, sufficiente a coprire circa 15.000 volte l'attuale consumo energetico mondiale.

Una parte di questa energia viene riflessa verso lo spazio, quasi la metà è trasformata in calore sulla superficie terrestre e viene irradiata nello spazio come radiazione infrarossa. La quantità di radiazione solare che viene captata da un pannello solare, dipende da tre importanti fattori:
a) la latitudine - le aree disposte intorno all'equatore (latitudine 0°), laddove il Sole è mediamente più alto rispetto all'orizzonte, hanno un irraggiamento maggiore rispetto a quelle vicine ai poli (latitudine 90°);
b) l'orientamento rispetto al sud (chiamato anche azimut) - i pannelli rivolti verso sud  ricevono una maggiore quantità di energia rispetto a quelli rivolti ad est ed ovest o, peggio ancora, a nord;
c) l'inclinazione rispetto al piano orizzontale - per ogni latitudine, esiste un'inclinazione ottimale per captare la massima energia solare possibile, l'irraggiamento massimo si ottiene con una inclinazione dei pannelli di 30°.

I PANNELLI SOLARI

I collettori solari per uso termico, cioè per la produzione di acqua calda, hanno ormai raggiunto buoni livelli di maturità tecnologica e competitività economica. Sul mercato esistono vari tipi di pannelli di cui ciascuno ha caratteristiche, costi ed applicazioni diverse, in particolare abbiamo:

a) Pannelli in plastica

Generalmente in polipropilene, sono senza copertura, di semplice installazione, basso costo e manutenzione pressoché nulla; l'acqua di consumo può circolare direttamente nei pannelli, e quindi non vi è necessità del circuito separato con scambiatore di calore.

b) Pannelli con tubi e piastra captante

Il tipo più diffuso per la produzione di acqua sanitaria, costituito essenzialmente da:
- una copertura in vetro o altro materiale trasparente;
- un fascio di tubi, generalmente in rame, in cui scorre il fluido che trasporta il calore, in genere una miscela protettiva e anticongelante di acqua e glicole;
- una superficie, a contatto con i tubi, con alto potere di assorbimento dell'energia solare;
- un rivestimento isolante, per impedire la dissipazione dell'energia all'esterno;
-  un telaio di contenimento in acciaio o alluminio, completo di cornici di chiusura, guarnizioni di tenuta e accessori.Adatto per la produzione di acqua calda sanitaria per tutto l'anno in edifici residenziali, scuole, alberghi, piscine coperte. I collettori con superficie captante selettiva possono essere impiegati anche per il riscaldamento degli ambienti. Per i buoni rendimenti questo tipo di collettore può essere usato anche in applicazioni industriali ed agricole.

c) Collettori sotto vuoto

Gli elementi captanti del pannello sono contenuti in tubi o elementi sotto vuoto, che riducono le dispersioni di calore. I circuiti attraversati dal fluido sono collegati tra di loro in parallelo ed inseriti in contenitori coibentati. Avendo costi più elevati dei collettori tradizionali, si prestano per applicazioni in cui sono richieste alte temperature.

d) Pannelli ad aria

Utilizzano l'aria, invece dell'acqua, per trasferire il calore all'utenza. Non prevedendo sistemi di accumulo, hanno una risposta più rapida rispetto ai sistemi ad acqua, ma con potenzialità ridotte, per il basso calore specifico dell'aria rispetto all'acqua. Si integrano bene con le soluzioni di architettura bioclimatica.

L' IMPIANTO SOLARE TERMICO

Un impianto solare termico ha il compito di trasferire il calore ricevuto dalla radiazione solare all'acqua destinata agli usi sanitari o ad altri usi termici. Per ottenere ciò, oltre ai collettori solari, occorrono altri componenti ed apparecchiature, tra cui:
- un bollitore, che serve ad accumulare l'acqua calda prodotta dall'impianto, in modo da avere una riserva adeguata a soddisfare la richiesta in tutti i periodi del giorno;
- uno scambiatore di calore all'interno trasmette il calore dal circuito solare all'impianto idraulico dell'utenza;
- un circuito di collegamento idraulico, comprendente la tubazione di arrivo dell'acqua fredda, quella di uscita dell'acqua calda, più tutte le altre tubazioni, valvole e accessori necessari; ha una duplice funzione: quella di garantire il trasferimento del calore dai pannelli al bollitore, e quella di trasferire il calore così prodotto dal bollitore all'acqua calda destinata alle utenze;
- un circuito elettrico (solo per impianti a circolazione forzata), che comprende un circolatore per l'acqua ed una centralina di regolazione della temperatura.
Le tipologie d'impianto possibili sono principalmente due:

1) circolazione naturale:  il trasferimento del calore dai pannelli all'accumulo è affidato ai naturali moti convettivi derivanti dal riscaldamento del fluido; non essendovi circolatori né collegamenti elettrici, si avrà un'applicazionemolto semplice ed intrinsecamente affidabile, oltre che meno costosa, che però vincola il serbatoio in posizione superiore ai pannelli; il circuito dei pannelli e quello dell'acqua sanitaria possono essere in comunicazione tra loro (impianto a un circuito), oppure separati per mezzo di uno scambiatore di calore (impianto a due circuiti);

2) circolazione forzata: la circolazione del fluido dai pannelli al bollitore è assicurata da un circolatore ad azionamento elettrico e da una centralina di regolazione; l'impianto è più complesso, ma in compenso la posizione del bollitore non è obbligata, per cui questo può essere installato anche inferiormente ai pannelli, in un locale tecnico, sotto la copertura dell'edificio o nel bagno. Una buona regola pratica negli usi residenziali, prevede una superficie captante pari a 0,7 ÷ 1 mq per persona per tutto l'anno (0,5 ÷ 0,7 mq per persona per solo uso estivo) ed una capacità del bollitore di circa 50-70 litri per ogni mq di pannelli.
In questo modo avremo, indicativamente, una copertura dei fabbisogni del 70-80%, mentre il sistema integrativo provvederà al resto. Per l'integrazione, la preferenza va data alla caldaia a metano, già presente spesso per il riscaldamento degli ambienti. In questi casi basterà collegare l'attacco di uscita dell'acqua calda dell'impianto solare all'ingresso dell'acqua fredda della caldaia; l'energia solare produrrà così un preriscaldamento dell'acqua che ridurrà drasticamente i consumi della caldaia, mentre l'impianto garantirà in ogni situazione climatica una produzione sufficiente al fabbisogno.

CONVENIENZA TECNICO-ECONOMICA

Dimensionando un impianto solare relativo al fabbisogno di una famiglia media di n.4 persone  del tipo monoblocco a circolazione naturale, sarà necessario un pannello con superficie pari a 4 mq ed un bollitore da 200 litri, in grado di coprire il 70% del fabbisogno annuo.
A mero titolo esemplificativo si evidenziato i seguenti valori economici per un impianto con durata media di 12 anni [dati ARAEN, 2004]: - costo dell'impianto: 2.500 Euro; costo medio dell'energia elettrica: 0,24 Euro/kWh
- costo medio del gasolio: 0,90 Euro/kg; costo del metano: 0,65 Euro/m3. In Tab.1, si  evidenzia come sia più conveniente l'utilizzo di energia solare per produzione di acqua calda sanitaria rispetto all'utilizzo delle inquinanti fonti di energia tradizionali.

Tab. 1 - Risparmi e tempi di ritorno di impianti solari rispetto a produzioni tradizionali  [fonte: ARAEN] Il recupero dell'investimento, può essere accelerato da alcune facilitazioni disponibili per gli utenti di sistemi solari, infatti vengono offerte in ambito nazionale e locale alcune interessanti opportunità fiscali ( aliquota Iva del 10%, detrazione Irpef, etc.).
L'Italia è una delle nazioni Europee con le caratteristiche climatiche più favorevoli all'utilizzazione della radiazione solare per usi energetici. Ogni metro quadrato del nostro suolo riceve annualmente un flusso energetico di circa 1.500 kWh, che possono essere utilizzati per produrre energia termica (con pannelli solari termici) od elettrica (con moduli fotovoltaici). Ciò nonostante, questo immenso "giacimento" di energia rinnovabile è pressoché ignorato nel nostro territorio. La superficie di collettori solari attualmente installati in Italia è di circa 6 mq per 1000 abitanti, a fronte di una media europea di 20 mq per 1000 abitanti. Tuttavia, negli ultimi anni si è registrata una positiva inversione di tendenza: nel 2000 sono stati installati in Italia quasi 40.000 mq di collettori; con una crescita media nel periodo 1996-2000 di circa il 15%, abbiamo superato i 350.000 mq installati.

FONTI: - Enea - Ises Italia - Unione Europea - ARAEN Agenzia Regionale Energia Abruzzo

ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA

All'interno del sole, a temperature di alcuni milioni di gradi centigradi, avvengono incessantemente reazioni termonucleari di fusione, che sprigionano enormi quantità di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
L'energia irradiata si propaga nello spazio, e dopo aver attraversato l'atmosfera terrestre arriva al suolo, con una intensità mediamente pari a circa 1.000 W/m2 .
Questo enorme flusso di energia che arriva sulla Terra è pari a circa 15.000 volte l'attuale consumo energetico mondiale; di questa energia solo una parte può essere trasformata in energia utile.

La quantità di energia prodotta da un generatore fotovoltaico varia nel corso dell'anno e dipende da una serie di fattori come la latitudine e l'altitudine del sito, l'orientamento e l'inclinazione della superficie dei moduli fotovoltaici, e le caratteristiche di assorbimento e riflessività del territorio circostante.
A titolo indicativo alle latitudini dell'Italia centro-meridionale un metro quadrato di moduli può produrre in media 0,3-0,4 kWh al giorno nel periodo invernale, e 0,6-0,8 in quello estivo.
La tecnologia fotovoltaica, consente di trasformare direttamente la "luce" del sole in energia elettrica; è tra le più innovative e promettenti a medio e lungo termine. La quantità di energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente "raccolta" da un dispositivo fotovoltaico dipende dall'irraggiamento del luogo. L'irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno (kWh/m2/giorno). In località favorevoli è possibile raccogliere annualmente circa 2.000 kWh da ogni metro quadro di superficie, il che è l'equivalente energetico di 1,5 barili di petrolio per metro quadrato.

UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

Un sistema fotovoltaico è in grado di trasformare, direttamente ed istantaneamente, l'energia solare in energia elettrica senza quindi l'uso di alcun combustibile. Esso sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico, cioè la capacità che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati  di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.
Un sistema fotovoltaico è essenzialmente costituito da un "generatore", da un "sistema di condizionamento e controllo della potenza" , da un eventuale  "accumulatore" di energia (una batteria) e naturalmente dalla struttura di sostegno.

IL  GENERATORE FOTOVOLTAICO

È costituito da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati.
I moduli sono costituiti da un insieme di celle. La cella fotovoltaica è il componente elementare del sistema ed è costituita da una sottile "fetta" di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio, di spessore pari a circa 0,3 mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225 cm2.
Attualmente il silicio, mono e policristallino, impiegato nella costruzione delle celle è lo stesso utilizzato dall'industria elettronica, che richiede materiali molto puri e quindi costosi. Tra i due tipi il silicio policristallino è il meno costoso, pur avendo rendimenti energetici leggermente inferiori. Per ridurre il costo della cella sono in studio nuove tecnologie che utilizzano il silicio amorfo e altri materiali policristallini, quali il seleniuro di indio e rame e il tellurio di cadmio.
Una cella fotovoltaica di dimensioni 10x10 cm, nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell'Italia (1 kW/m2), alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3 A, con una tensione di 0,5 V e una potenza di picco pari a 1,5-1,7 W. L'energia elettrica prodotta sarà, ovviamente, proporzionale all'energia solare incidente, che come sappiamo varia nel corso della giornata, al variare della stagioni, e al variare delle condizioni atmosferiche, etc.
I moduli più diffusi sono costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino disposte su 4 file parallele collegate in serie. Hanno superfici che variano da 0,5 ad 1 m2. Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura rigida ancorabile al suolo o ad un edificio. Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie costituisce una stringa. Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico. Il trasferimento dell'energia dal sistema fotovoltaico all'utenza avviene attraverso ulteriori dispositivi necessari a trasformare la corrente continua prodotta in corrente alternata, adattandola alle esigenze dell'utenza finale.

IL SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO E CONTROLLO DELLA POTENZA

È costituito da un inverter, che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata; da un trasformatore e da un sistema di rifasamento e filtraggio che garantisce la qualità della potenza in uscita. Trasformatore e sistema di filtraggio sono normalmente inseriti all'interno dell'inverter.
L'alternanza giorno/notte, il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni meteorologiche fanno sì che la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema fotovoltaico non sia costante né al variare delle ore del giorno, né ne al variare dei mesi dell'anno. Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare la completa autonomia all'utenza, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di distribuzione nazionale o utilizzare dei sistemi di accumulo dell'energia elettrica che la rendano disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente.

LE APPLICAZIONI DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI

Gli impianti fotovoltaici sono dunque sistemi che convertono l'energia solare direttamente in energia elettrica, senza ricorrere alla tecnologia di produzione tradizionale che sfrutta i combustibili fossili.
Le potenze generate da questi dispositivi variano da pochi a diverse decine di Watt, a seconda delle dimensioni e delle tecnologie adottate. Secondo il tipo di applicazione a cui l'impianto è destinato, le condizioni di installazione, le scelte impiantistiche, il grado di integrazione nella struttura edilizia con cui si interfaccia, si distinguono varie tipologie di impianto.

1) SISTEMI ISOLATI (STAND-ALONE)

Sono i sistemi non collegati alla rete elettrica e sono costituiti dai moduli fotovoltaici, dal regolatore di carica e da un sistema di batterie che garantisce l'erogazione di corrente anche nelle ore di minore illuminazione o di buio. Questi impianti risultano tecnicamente ed economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica è assente o difficilmente raggiungibile. Infatti spesso sostituiscono i gruppi elettrogeni. Sono diffusi soprattutto nei paesi in via di sviluppo per utenze di carattere rurale che le utilizzano anche per il pompaggio dell'acqua.
In Italia sono stati realizzati molti impianti fotovoltaici di elettrificazione rurale e montana soprattutto nel Sud, nelle isole e sull'arco alpino. Attualmente le applicazioni più diffuse servono ad alimentare ripetitori radio, stazioni di rilevamento e trasmissione dati (meteorologici e sismici), sistemi di illuminazione, etc.

2) SISTEMI COLLEGATI ALLA RETE

Sono impianti stabilmente collegati alla rete elettrica. Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l'energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l'energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus viene trasferito alla rete e contabilizzato. Negli impianti integrati negli edifici vengono installati due contatori per contabilizzare gli scambi fra l'utente e la rete. I sistemi connessi alla rete, ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare.
Anche se sono stati realizzati impianti centralizzati di produzione di energia elettrica fotovoltaica di grande potenza (es. ENEA), attualmente si vanno sempre più diffondendo, grazie anche agli incentivi pubblici, piccoli sistemi distribuiti sul territorio con potenza non superiore a 20 kW di picco (kWp). Questi impianti vengono installati sui tetti o sulle facciate degli edifici, e contribuiscono a soddisfare la domanda di energia elettrica degli utenti.

3) GLI IMPIANTI INTEGRATI NEGLI EDIFICI

Essi costituiscono una delle più promettenti applicazioni del fotovoltaico. Si tratta di sistemi che vengono installati su costruzioni civili o industriali per essere collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione.
L'energia elettrica  immessa nella rete interna dell'edificio utilizzatore, può essere, a seconda dei casi, consumata dall'utenza locale oppure ceduta, per la quota eccedente al fabbisogno, alla rete stessa.
I moduli fotovoltaici possono essere utilizzati come elementi di rivestimento degli edifici anche in sostituzione di componenti tradizionali. A questo scopo l'industria fotovoltaica e quella del settore edile, hanno messo a punto moduli architettonici integrabili nella struttura dell'edificio che trovano sempre maggiore applicazione nelle facciate e nelle coperture delle costruzioni.
Inoltre, dal momento che tanto più bassa è la temperatura dei moduli fotovoltaici durante l'irraggiamento solare, maggiore è il loro rendimento energetico, le facciate fotovoltaiche trovano la loro migliore applicazione nelle zone "fredde" delle facciate (parapetti, corpi ascensore e altre superfici opache) sempre che siano orientati verso Sud- Est o Sud-Ovest e non si trovino in una zona ombreggiata.

ENERGIA  PRODOTTA  DA  UN  IMPIANTO  FOTOVOLTAICO

La dimensione dell'impianto sarà funzione dell'energia richiesta. Questa determinerà, la potenza da installare, il numero di moduli necessari, il costo del sistema e il costo del kilowattora elettrico generato. Per confrontare i costi tra l'energia prodotta tra la fonte solare e quella tradizionale, bisognerebbe parlare di "valore" dell'energia piuttosto che di costo: il kWh prodotto con la fonte fotovoltaica non ha la stessa qualità di quello delle fonti convenzionali. La produzione di elettricità da impianti termoelettrici tradizionali, infatti, è gravata da un costo nascosto (danni sociali e ambientali dovuti all'inquinamento), che viene pagato dalla collettività.
La tabella seguente dà un'indicazione di massima della "capacità produttiva" di un impianto fotovoltaico connesso alla rete. Vengono indicati, per tre localizzazioni diverse, i kWh elettrici generati mediamente in un anno e immessi in rete, per ogni metro quadrato di moduli in silicio monocristallino e in silicio policristallino, e per un impianto di potenza nominale pari ad 1 kWp (si tenga conto che esso corrisponde a moduli di superficie complessiva pari a circa 8 m2 se in silicio cristallino e 10 m2 se in silicio policristallino).

I BENEFICI AMBIENTALI

L'energia elettrica prodotta con il fotovoltaico ha un costo nullo per combustibile: per ogni kWh prodotto si risparmiano circa 250 grammi di olio combustibile e si evita l'emissione di circa  700 grammi di CO2, nonché di altri gas responsabili dell'effetto serra, con un sicuro vantaggio economico e soprattutto ambientale per la collettività .
Si può valutare in 30 anni la vita utile di un impianto fotovoltaico; il che significa che un piccolo impianto da 1,5 kWp, in grado di coprire i due terzi del fabbisogno annuo di energia elettrica di una famiglia media italiana (2.500 kWh), produrrà, nell'arco della sua vita efficace, quasi 60.000 kWh, con un risparmio di circa 14 tonnellate di combustibili fossili, evitando l'emissione di circa 40 tonnellate di CO2.

FONTI: - ENEA