Lo sfruttamento termico dell'energia solare,
tecnologia matura per l'uso su larga scala

La tecnologia di sfruttamento termico dell'energia solare è tutt'altro che una novità, e tuttavia per lungo tempo è stata ritenuta un qualcosa di immaturo, troppo costoso o perlomeno inaffidabile per un utilizzo sistematico. Al punto che oggi - dopo trent'anni di esperienze positive - ci sono ancora persone che ne mettono in dubbio l'efficacia, o che si sentono quasi dei pionieri nell'adottarla, ed ancora ne parlano come di una nuova fonte di energia.

Una ricerca di mercato svolta nel giugno 2001 dalla GfK-ASM di Roma per conto dell'Enea mostra come il grande pubblico conosca superficialmente i "pannelli solari": ne ha sentito parlare, ma di fatto sa poco o nulla di come funzionino, con quali rendimenti e quali costi. La stessa ricerca evidenzia tuttavia come il 74% degli impianti in esercizio sia stato acquistato negli ultimi 4 anni e segnala che il 98% di quanti hanno adottato un sistema solare rifarebbe l'investimento.

Negli ultimi anni il mercato italiano del solare termico ha invertito la tendenza rispetto alla crisi degli anni '80. Nel 2000 sono stati installati quasi 40.000 m² con una crescita media annua, negli ultimi 5 anni, di circa il 15%. Il parco installato complessivo è attualmente di poco superiore ai 350.000 m². A fronte di questa crescita si registra l'aumento della sensibilità verso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia, che ha convinto il Ministero dell'Ambiente a promuovere numerose iniziative di incentivazione.

Per il settore pubblico nel 2001 sono stati avviati:

• un programma di finanziamenti rivolto a tutti i soggetti pubblici, che prevede la realizzazione di circa 25.000 m² di impianti;
• il protocollo d'intesa con il Ministero del lavoro e l'ENEA per il programma "Comune solarizzato", che prevede l'installazione di 20.000 m² di collettori solari nel biennio 2002-2003 con l'impiego di lavoratori di pubblica utilità e il coinvolgimento di undici enti locali del centro-sud;
• un bando riservato alle aziende distributrici del gas che - sulla base dei decreti sull'efficienza energetica varati nell'aprile del 2001 - devono conseguire, nel periodo 2002-2006, obiettivi crescenti di risparmio energetico, anche mediante la diffusione di impianti ibridi gas-solare.

Per il settore privato sono stati stanziati 18 milioni di euro (al 50% messi a disposizione dalle Regioni) per incentivare l'installazione di impianti solari termici per la produzione di calore a bassa temperatura presso tutti i soggetti (privati cittadini, Enti locali, imprese) attraverso bandi regionali. In particolare il bando emanato a metà marzo scorso dalla Regione Sardegna prevede un incentivo del 30% e consentirà di installare nell'isola oltre 5.000 metri quadrati di collettori. Il bando, con scadenza 17 giugno 2002, è scaricabile via internet dal sito della Regione Sardegna.

Altri filoni d'incentivazione saranno attivati nel corso del 2002-2003 per le piccole e medie imprese nell'ambito degli utilizzi dei fondi nazionali della carbon tax, per le piccole isole e per le aree protette, nell'ambito di specifici programmi di diffusione delle fonti rinnovabili.

Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e riscaldamento delle piscine, ma sono in aumento anche gli utilizzi nell'industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare, pur essendo quest'ultima ancora una soluzione di frontiera.

Per poter valutare il rendimento di un impianto solare bisogna tenere presente che l'energia solare è una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, per cui i collettori solari termici vanno considerati come complementari alle tecnologie tradizionali, ovvero capaci di fornire solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe essere prodotta da una caldaia. La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico.

Con l'aumentare della dimensione dell'impianto, cresce il fattore di copertura del fabbisogno 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: ciò si traduce in un maggiore costo per unità di superficie di collettore. Perciò un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria viene progettato per soddisfare al più il 60-65% del fabbisogno dell'utenza.

In ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per lo più prodotta elettricamente o mediante caldaie a gas. Di seguito si analizzerà l'effetto dell'introduzione di un sistema solare dal punto di vista energetico, economico ed ambientale, in relazione alle seguenti situazioni:

1. sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas;
2. integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare;
3. integrazione del sistema elettrico con impianto solare (nel caso sia impossibile la sostituzione con un sistema a gas).

Il primo caso interessa molte utenze domestiche e pubbliche, che non hanno ancora affrontato la questione e per le quali sarebbe importante l'introduzione di una tipologia di incentivo simile ai provvedimenti sulle rottamazioni delle auto, per la sostituzione dello scaldabagno elettrico.

Nel secondo caso l'integrazione del sistema a gas preesistente con un 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 infine riguarda realtà nelle quali il sistema di riscaldamento non può che essere elettrico, per ragioni urbanistiche (in centri storici non serviti dalla rete del gas; in località dove risulterebbe impossibile l'installazione di un bombolone) o in considerazione del tipo di struttura (ad esempio campi nomadi o altri centri di accoglienza in cui si debba soddisfare una esigenza temporanea di fornitura d'acqua calda.

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 · c_s · (T_u - T_a ) = 1.500 kcal

avendo indicato con G la massa d'acqua da scaldare (l), con c_s il calore specifico dell'acqua (kcal/l), con T_u la temperatura di utilizzo, pari a 45 °C e con T_a la temperatura acqua dell'acquedotto (°C).

Se per la produzione di acqua calda si utilizza lo scaldabagno elettrico, occorre dapprima produrre l'energia elettrica (tipicamente in una centrale termoelettrica), quindi trasportare l'energia prodotta all'utenza e trasformarla in energia termica per effetto Joule. Per produrre 1.500 kcal (1,7 kWh termici) con uno scaldabagno elettrico con una efficienza di conversione del 90% sono necessari circa 1,94 kWh elettrici.

Figura 1. I consumi energetici delle diverse soluzioni esaminate.

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 dalle centrali elettriche italiane circa 2,54 kWh, sotto forma di energia primaria.

Considerata questa doppia trasformazione - da energia primaria in energia elettrica e da elettrica a termica - risulta che, per produrre l'acqua calda necessaria giornalmente a soddisfare il fabbisogno pro capite, sono necessari 2,54 · 1,94 = 4,93 kWh primari, equivalenti a 4.240 kcal. In tal modo solo il 35% dell'energia primaria consumata è utilizzato dall'utente. Con una famiglia di quattro persone, si arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh (termici).

L'AUTORE
L'ingegner Guido Coraddu
è progettista di impianti per il risparmio energetico e lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia
tel. 070.304644
e-mail: coraddu@tiscalinet.it

Una caldaia a gas ha intrinsecamente una resa energetica diretta più alta, perché evita la conversione energia termica/energia elettrica, in quanto la produzione di calore e il conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta del combustibile. Per questo la resa globale si aggira sull'80-85%. Nel caso peggiore di rendimento dell'80%, per produrre 1.500 kcal sono quindi necessarie in un giorno 1.875 kcal (ossia 2,18 kWh). Ragionando sempre sull'ipotesi di una famiglia di quattro persone si arriva a 7.500 kcal/giorno.

Per valutare i benefici provenienti dall'installazione di collettori solari, il costo a metro quadro è poco indicativo: bisogna considerare il costo reale in riferimento alla quantità di acqua calda consumata in un anno. Una famiglia di quattro persone che consumi 50-60 litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80-100 mila litri annui, spende circa 500 euro per riscaldare l'acqua con energia elettrica e 390 euro se la scalda con caldaia a metano.

Se l'impianto solare integra la caldaia per il 60-70%, il risparmio annuo oscilla tra 260 e 360 euro. In 5 anni si ammortizza quindi una spesa iniziale compresa fra 1.300 e 1.800 euro, che corrisponde al costo dei sistemi monoblocco a circolazione naturale disponibili commercialmente per utenze di 3-4 persone. Bisogna sottolineare che le garanzie sui sistemi sono dell'ordine dei 10 anni e che la vita attesa dell'impianto è di almeno 20 anni.

Si è stimato precedentemente 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 ) [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 nel caso preso in esame, per il solo consumo di acqua calda sanitaria, 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 quattro 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 pro capite di 0,435 kgCO₂/ giorno.

L'installazione di un impianto solare ad integrazione della caldaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante tutto l'arco dell'anno, consente il risparmio del 60% del consumo di gas e quindi anche una riduzione dei gas inquinanti: la stessa famiglia produrrà giornalmente 0,69 kg CO₂, con una media procapite di 0,174 kgCO₂ / giorno.

Guido Coraddu