L'energia solare

L'energia solare

Fonte solare: l'energia del Sole

Per energia solare, si intende l'energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando in modo diretto l'energia irradiata dal Sole verso la Terra. Fin dai tempi antichi, l'uomo ha utilizzato il sole in modo semplice e diretto sfruttando il suo calore, ed in modo indiretto a scopi energetici. L'impatto ambientale conseguente alla sua utilizzazione è praticamente trascurabile in quanto non causa immissione di sostanze inquinanti nell'atmosfera.

Irraggiamento solare

L'irraggiamento solare è costituito da una gamma di onde di lunghezza compresa tra 0,25 e 3 micrometri, comprendente una piccola parte ultravioletta, la componente visibile ed una parte infrarossa. Fuori dall'atmosfera, l'intensità della radiazione è praticamente uniforme durante tutto l'anno. Mentre l'energia che raggiunge la superficie della terra varia sensibilmente con la durata del soleggiamento, l'inclinazione dei raggi, e può mutare rapidamente ed in modo discontinuo in funzione delle condizioni meteorologiche locali.

Ogni istante, il sole trasmette sull'orbita terrestre 1367 watt/m². Tenendo conto del fatto che la terra è una sfera (e quindi i raggi arrivano spesso angolati) che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare sulla superficie terrestre mediato sulle 24 ore e sulle 4 stagioni è, alle latitudini europee, di circa 200 watt/m².

La quantità d'energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa mille volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso. Lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l'uso dell'energia solare, è un settore della ricerca molto attivo ma che non ha avuto risultati rivoluzionari.

La tecnologia del solare

Questa fonte di energia è certamente rinnovabile, anzi può essere detta inesauribile, in quanto al di là della vita del sole, stimata in miliardi di anni, se si esaurisse il mondo intero non avrebbe più bisogno di energia. La nascita, la crescita, il movimento di ogni essere vivente sono processi che dipendono dall'energia del sole. È al sole che va ascritta la nascita e la crescita della vita vegetale sul pianeta.

Le tecnologie principali per trasformare in elettricità l'energia del sole sono:

• Solare termico (o collettore termico, pannello termico)
• Solare fotovoltaico (pannello fotovoltaico)
• Solare termodinamico

Il solare termico

Gli impianti solari termici, che sono definiti pannelli solari o collettori termici, producono energia termica dalla fonte solare. Esso prevede la captazione della radiazione solare, l'accumulo del calore generato e la sua distribuzione. La radiazione solare viene fatta assorbire da un collettore, elemento costituito da una piastra di colore opaco, nero o scuro, rivestita da una copertura trasparente (il materiale migliore è il vetro che realizza l'effetto serra limitando il re-irraggiamento verso l'alto), ed inserita in un contenitore ermeticamente isolato.

La superficie assorbente è generalmente metallica (di acciaio, alluminio, di rame, ma può essere realizzata anche con materiale plastico) ed a contatto con un film di un fluido termovettore (generalmente acqua), o con un tubo a serpentina che lo contiene, per effetto dell'irraggiamento solare, la temperatura della piastra aumenta riscaldando il fluido che entra in circolo nell'impianto, realizzando lo scopo per cui lo stesso è stato progettato.

Impianti a circolazione naturale

Nel caso della circolazione naturale, per far circolare il fluido nel sistema, si sfrutta la convenzione naturale: la convenzione è uno dei metodi di condurre il calore. Si ha quando un fluido (acqua o aria), entra in contatto con un corpo la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso posto al di sotto. Aumentando la temperatura, il fluido a contatto con l'oggetto si espande e diminuisce di densità, generando modi convettivi, in cui il fluido caldo sale verso l'alto, e quello freddo scende verso il basso (convenzione naturale).

Svantaggi: con la presenza del serbatoio posto all'esterno, vi è un'elevata dissipazione termica del calore raccolto, per cui, cessata l'azione del sole, il contenuto si raffredda molto prima che negli impianti a circolazione forzata, nei quali il serbatoio è all'interno dell'abitazione. Quindi la circolazione naturale realizza uno scambio meno rapido e meno efficace di energia termica con un minor rendimento complessivo. È adatto a situazioni nelle quali vi è un uso ridotto alle ore diurne o ad alcuni periodi dell'anno, soprattutto nei mesi estivi.

Vantaggi: sono un valido sostituto dello scaldabagno elettrico e della caldaia a gas, (per ottenere acqua calda). Questi impianti, anche se ben dimensionati, possono coprire dal 50% al 60% del fabbisogno annuale di acqua calda. Sono impianti di facile installazione e l'investimento richiesto è basso. In genere, si scelgono inclinazioni:

• 30° per impianti con maggiore consumo nel periodo estivo
• 45° per impianti con consumi costanti durante l’intero arco dell’anno
• 60/70° per impianti che vogliono favorire la produzione di calore durante il periodo invernale

Impianti a circolazione forzata

La circolazione forzata avviene con l'aiuto di pompe, solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua contenuta nei serbatoi d'accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori, che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio d'accumulo (termocoppia).

In tali impianti, ci sono meno vincoli per l'ubicazione dei serbatoi di accumulo. Maggiore velocità del fluido vettore permette un maggior scambio termico e quindi, il rendimento del pannello, è leggermente superiore.

Vantaggi: questi impianti possono coprire dal 60% al 80% o 90% del fabbisogno annuale di acqua calda. Sono impianti facili da installare, l'investimento richiesto è più alto ma anche il rendimento è più elevato. Il serbatoio è presente all'interno, è efficace per il riscaldamento al 40-50%, circa per il 50-60% dell'energia totale.

Quanti pannelli solari sono necessari per riscaldare l'acqua?

Il numero dei pannelli solari termici dipende dalle esigenze dell'utenza e dal clima del luogo. Un pannello termico della dimensione di un metro quadro riesce a soddisfare in media 80-130 litri d'acqua calda al giorno alla temperatura media di 40°.

Il consumo medio di acqua calda per persona è di circa 30-50 litri al giorno, pertanto un metro quadro di pannello dovrebbe soddisfare le esigenze d'acqua calda di 1-2 persone.

Pannelli di notte e nelle giornate di maltempo?

Le principali domande di chi si interessa per la prima volta ai pannelli solari termici sono del tipo: "e quando piove? quando è nuvoloso? di notte?".

La tecnologia ha superato da tempo questi handicap, l'acqua sanitaria riscaldata viene mantenuta in serbatoi coibentati per garantire un'autonomia per molte ore. Un pannello solare termico impiega circa 10 ore per riscaldare l'acqua del serbatoio. Il periodo di tempo necessario è fortemente variabile in base all'esposizione solare, alla stagione, alle condizioni meteorologiche e alla latitudine.

Ma la domanda vera a cui tutti cercano risposta è: "quanto costa davvero fare questa scelta e quale è il ritorno economico dell'investimento derivante dall'adozione di un impianto solare termico?"

Il costo dipende dalla tecnologia utilizzata e dalla dimensione dell’impianto, quindi dal fabbisogno di acqua calda, latitudine (Nord o Sud Italia), insolazione, dalla tecnologia utilizzata (a circolazione naturale o a circolazione forzata con serbatoio posizionato all'interno dell'abitazione) ed alla facilità di installazione (su tetto o superficie più o meno accessibile).

In estrema sintesi i parametri per valutare il costo dell'impianto solare termico sono:

• Superficie installata e/o il numero dei pannelli solari
• La capacità del serbatoio di accumulo per l'acqua calda
• La potenza e il tipo della caldaia (caldaia tradizionale o caldaia a condensazione) in caso di sostituzione

Il prezzo pieno per un impianto con collettori piani per una casa di 4 persone si aggira tra 2.600 e 5.000 euro. Inoltre, se è prevista l'integrazione con il riscaldamento, il prezzo aumenta a 4.500 - 9.000 euro.

Il mercato del solare termico

Il mercato del solare termico in Italia ha registrato un trend di crescita fino al 2008 diventando uno dei mercati più interessanti dell’U.E. Nel 2008, sono stati installati circa 295 MWth per oltre 421 mila metri quadrati; il totale installato ha superato circa 1 GWth pari a 1,5 milioni di metri quadri.

Evoluzione del solare termico

Il mercato del solare termico in Italia ha avuto un brusco rallentamento, si registra al 2012 una contrazione del 30%. Nel 2013, il trend in flessione dovrebbe invertirsi, grazie all'introduzione del conto termico e, alle già note detrazioni fiscali del 55%, valide fino a giugno 2013 e ai nuovi certificati bianchi (TEE titoli di efficienza energetica). L'Italia si colloca al secondo posto in Europa con un totale installato di circa 2,4 GW (dati 2013 Estif European Solar Thermal Industry Federation).

Il solare termico in Europa

La diffusione del solare termico in Europa negli ultimi dieci anni ha interessato sei paesi che si sono posizionati al top della classifica nella comunità europea, in ordine di importanza sono: Germania, Italia, Spagna, Austria, Polonia, Francia, e infine la Grecia. La crescita del mercato del solare termico in Europa, compresa la Svizzera, negli ultimi dieci anni ha fatto registrare un aumento che va da 1.500.000 Mq (metri quadri) di collettori installati nel 2000, per una potenza pari a circa 800 GWth, fino ad una quota di 3.500.000 Mq (metri quadri) di collettori installati con potenza complessiva pari a 2.500 GWth nel 2010 (dati 2013 Estif European Solar Thermal Industry Federation).

Tuttavia, negli ultimi due anni il solare termico in Europa ha fatto registrare un lieve calo della potenza solare termica installata, e di conseguenza anche un calo della produzione. La Spagna e l’Austria hanno visto, così come l’Italia, il loro picco d’installazioni nel 2008, per poi declinare dal 2009 al 2012, riducendo così la loro quota di mercato di oltre il 5%; si prevede tuttavia una leggera ripresa nel 2013/2014. La Francia e la Grecia, hanno fatto registrare anch’esse un calo negli ultimi tre anni, anche se lo sviluppo e la diffusione del solare termico in questi paesi è ben lontano dai valori installati in Italia e in Spagna.

Nella zona dell’Euro, lo scenario rimane comunque dominato dalla Germania. Il mercato tedesco vale circa un terzo del totale europeo, anche se ha registrato nel 2012 un calo del 6% rispetto all’anno precedente. Infine c’è da rilevare la sorpresa del mercato polacco, che con una crescita del 70% nel 2011 entra nei paesi con capacità installata superiore a 177,50 MWth, posizionandosi così tra i quattro migliori mercati europei, dopo ovviamente la Germania, l’Italia e la Spagna.

Il mercato del solare termico nel 2010

Il mercato del solare termico nel 2010 ha registrato una crescita del 14% andando a rappresentare tre volte la produzione di energia solare fotovoltaica ed energia solare a concentrazione. Con una produzione di 162 TWh, il Solar Heating and Cooling è secondo solo all’energia eolica tra quelle che vengono considerate le nuove rinnovabili. La Cina continua a condurre in termini di installazioni totali, l’Australia e Israele hanno aggiunto più capacità pro capite.

Il Heating and Cooling Programme (SHC) dell’Agenzia ha pubblicato il rapporto che evidenzia la crescita del mercato solare termico, calcolata in 60,2 milioni di m² di nuovi collettori termici in 55 nazioni; un quantitativo che ha permesso un risparmio in termini di emissioni inquinanti pari a 17.3 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio e 53.1 milioni di tonnellate di CO₂.

Applicazioni

L’edizione 2012 di “Solar Heat Worldwide” evidenzia che la Cina ha rappresentato l’81% del mercato 2010, equivalente a 34,3 GW termici. Nello specifico, il solare termico trova largo impiego nel settore domestico dove viene sfruttato per il riscaldamento dell’acqua, con altre applicazioni che stanno diventando sempre più popolari.