energia, il solare termico a bassa temperatura

["Andrea Agostini" <lonanoda at tin.it>]

da cunegonda.org
dicembre 2003


Energia. Il solare termico a bassa temperatura

 Quadro sintetico della tecnologia e degli impianti

La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto
maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e
puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo.
La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m²
solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più
abbondante e pulita sulla superficie terrestre. Il rendimento dei pannelli
solari è aumentato di un buon 30 % nell'ultimo decennio, rendendo varie
applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente
competitive. L'applicazione più comune è il collettore solare termico
utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore
solare può scaldare a 45÷60 °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 tra 30 % e 80%.

Le tecnologie per utilizzare l'energia solare per produrre calore sono di
tre tipi: a bassa, media ed alta temperatura.

Stato dell'arte
Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli
solari di cui 3 milioni nell'Unione europea.

In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può essere
ancora molto potenziata. Nel 2000 sono stati installati circa 25.000 m²,
molto pochi anche rispetto a paesi più freddi (per esempio l'Austria) ma più
sensibili a questioni economico ambientali relative a questo settore. Il
parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 m², l'utilizzo maggiore
è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed
alle piscine.

Applicazioni

Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda
sanitaria, riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in aumento casi di
utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare. I
collettori solari ad aria calda si differenziano da quelli ad acqua per il
fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi
d'applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento
dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i
processi d'essiccazione di prodotti alimentari.

Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i
collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può
essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore
intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti
pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per riscaldare un ambiente
a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C. Il principio di
funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad
acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto
l'aria scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.

Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo
all'interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è
tortuoso, per rallentare il flusso dell'aria. Per il resto, il collettore ad
aria, come quello ad acqua, è costituito da una piastra captante, una o più
coperture trasparenti e l'isolamento termico.

I collettori solari per piscina possono fornire fino al 100% delle necessità
termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della
categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e
l'utilizzo di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la
lunghezza della stagione balneare con un incremento dei costi gestionali
molto contenuto.

Potenzialità

Possibilità di copertura del fabbisogno energetico annuo mediante collettore
solare termico

Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo
e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria
sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno
realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie
tradizionali; essi vanno quindi considerati capaci di fornire direttamente
solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti
dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale. La percentuale di
energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende
il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo.

A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta,
questo fattore non supera il 65%. Questo limite è comune a moltissime
tecnologie basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da
disponibilità aleatoria o periodica. A causa di ciò, con il crescere delle
dimensioni dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico,
ma la relazione tra il costo dell'energia e l'energia prodotta resta lineare
fino al 55%÷60%. 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.

Paragone tra diverse tipologie di impianti per la produzione di acqua calda

In ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi
prodotta con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua
calda sanitaria, con l'uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza
presente nello scaldabagno, risulta un processo costoso dai punti di vista
energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di
acqua calda con caldaie a gas. L'introduzione aggiuntiva di un collettore
solare termico, che sostituisca parte della produzione di calore, comporta
benefici ancora maggiori. Di seguito vengono analizzati brevemente gli
effetti energetici, economici ed ambientali che l'introduzione di tre
diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria
possono conseguire, in relazione all'introduzione di un sistema solare
termico attivo, in particolare si analizzeranno le seguenti possibili
soluzioni:

sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas

integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare

integrazione del sistema elettrico con impianto solare (per impossibilità di
sostituzione con sistema gas).

Il primo caso interessa molte utenze domestiche e pubbliche, di piccola
taglia, che non hanno ancora affrontato la questione e, di conseguenza,
potrebbero essere incentivate, in analogia con i provvedimenti sulle
rottamazioni, ad una sostituzione dello scaldabagno elettrico. Nel secondo
caso l'integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare,
prevede un costo di integrazione ridotto al minimo; si tratta di fatto di
utenze che hanno già scelto il gas e potrebbero, con sistemi solari termici,
risparmiare il 60 % annuo di gas combusto. Il terzo caso è relativo a realtà
in cui il sistema di riscaldamento non può che essere elettrico, per ragioni
urbanistiche o per la particolarità dell'utente; per esempio campi nomadi o
altre strutture di accoglienza.

Per le tre soluzioni impiantistiche verrà eseguito, a scopo indicativo, un
bilancio energetico ed ambientale (in termini di emissioni di CO2 evitate).

Analisi energetica: calcolo dell'energia pro capite necessaria

In media, in Italia si consumano circa 50 litri al giorno di acqua calda
sanitaria pro capite, alla temperatura di 45°C. Ipotizzando una temperatura
dell'acqua proveniente dall'acquedotto pari a 15 °C si può calcolare il
quantitativo pro capite Q, di energia termica necessaria:

Q = G . cs . (Tu - Ta ) = 50 l . 1 kcal/l °C . 30 °C = 1500 kcal

Avendo indicato con:
G, massa d'acqua da scaldare (l)
cs , calore specifico dell'acqua (kcal/l)
Tu, temperatura di utilizzo, pari a 45°C
Ta, temperatura acqua dell'acquedotto (°C).

Caso di Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico
In questo caso, l'utilizzo di energia termica per produrre acqua sanitaria
comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre
energia elettrica (tipicamente, in centrali termoelettriche, più raramente
in idroelettriche). L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata
all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica per effetto
Joule per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno
elettrico 1500 kcal (1,7 kWh termici) sono necessari circa 1,94 kWh
elettrici, avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno
elettrico pari al 90%. Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza,
quindi, 7,74 kWh elettrici al giorno per la produzione di acqua calda
sanitaria. Ma è da considerare che, per la produzione di ogni kWh elettrico,
vengono consumati dal parco di centrali elettriche italiane, circa 2,54 kWh,
sotto forma di energia primaria.

Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria in energia
elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua calda
necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite sono
necessarie 2,54 . 1,94 = 4,93 kWh primari equivalenti a 4.240 kcal. In tal
modo solo il 35% dell'energia primaria consumata viene effettivamente
utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone,
si arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh (termici).

Caso di produzione di acqua calda con caldaia a gas

Una caldaia a gas ha ovviamente una resa energetica diretta più alta, perché
evita la conversione più energivora (e più exergivora), che consiste nel
passaggio energia termica - energia elettrica. Per questo la resa globale si
aggira sull'80÷85%. La produzione di calore e il conseguente riscaldamento
dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta del metano. Nel caso
peggiore di rendimento del 80%, per produrre 1500 kcal sono quindi
necessarie in un giorno 1875 kcal (ossia 2,18 kWh). Nel caso di una famiglia
di quattro persone si arriva a 7500 kcal/giorno.

Confronto di consumi energetici tra i casi esaminati

La figura seguente mostra il risultato del confronto tra il fabbisogno
energetico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria con uno
scaldabagno elettrico, con una caldaia a gas, un sistema caldaia
gas/collettore solare termico ed un sistema scaldabagno elettrico/collettore
solare termico, ferme restando le ipotesi sopra enunciate ed il quantitativo
procapite di acqua necessaria.

 Si osserva allora che, nel passaggio dalla soluzione con scaldabagno
elettrico a quella con caldaia a gas integrata da collettori solari, il
consumo energetico procapite passa da 4,93 a 0,87 kWh. E' il caso più
interessante, dunque, che porta ad una riduzione dell'82% del consumo
energetico, a parità di servizio reso.

Nel confronto tra il sistema basato sull'integrazione di collettore solare
con una caldaia a gas e la caldaia stessa, si nota come il consumo passi da
2,18 kWh, per il caso della sola caldaia, a 0,87 kWh, per il sistema
integrato. Nel passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno
integrato da collettori solari, il consumo energetico scende da 4,93 a 1,97
kWh.

Costi

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. Una famiglia di 4 persone che consuma 50÷60
litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80÷100 mila
litri annui spende circa 1 milione per riscaldare l'acqua con energia
elettrica e 750.000 £ se la scalda con caldaia a metano. Se l'impianto
solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo oscilla tra 500 e
700 mila lire ed in 5 anni si ammortizza una spesa di 2,5 ÷ 3,5 milioni di
lire. Le agevolazioni statali consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse
parte delle spese di acquisto e di installazione.

Vantaggi ambientali

Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione
può essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa
nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria.
Nel corso dell'analisi energetica, si è stimato che il fabbisogno di energia
elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda
sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,74 kWh (elettrici)
/giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali
termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,58 kg di anidride
carbonica (CO2), uno dei principali gas responsabili dell'effetto serra
[Dati ENEL 1999]. Pertanto, lo scaldabagno in esame è indirettamente
responsabile dell'immissione nell'atmosfera di:

0,58 kg CO2 / kWh (elettrico) .7,74 kWh (elettrici) /giorno = 4,5 kg
CO2/giorno,

Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo
scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente
4,5 kg CO2 (con una media procapite di 1,125 kgCO2/giorno).

Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO2
per ogni kWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla
seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:

0,25 kg CO2 . 6.97 kWh (termici) = 1,74 kg CO2 /giorno

con una media procapite di 0,435 kgCO2/ giorno.

Nel caso di impianti ibridi solare /gas, ossia impianti solari posti ad
integrazione della caldaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante
tutto l'arco dell'anno, è possibile risparmiare, a Roma, il 60% del consumo
di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente 0,69 kg CO2, con
una media procapite di 0,174 kgCO2/ giorno.

La figura seguente riepiloga le emissioni di anidride carbonica generate nei
diversi casi analizzati. La riduzione delle emissioni di CO2 ottenuta con il
sistema ibrido è notevole soprattutto rispetto al primo scenario: si passa
da 1,125 kg di CO2 emessi a 0,22 kg di CO2 , con una riduzione percentuale
dell'80%. Tra il caso di impiego della caldaia a metano e quello di
integrazione di questa con i collettori si verifica una riduzione, in valore
assoluto, di 0,33 kg di CO2 procapite, mentre lo scaldabagno elettrico, se
impiegato con il solare, porta ad una riduzione di 0,675 kg di CO2.



[Redazione Cunegonda Italia, fonte Ises (International Solar Energy
Society)]