Il crescente interesse intorno al solare termodinamico, tra i cui fautori c’è il premio Nobel Carlo Rubbia, stuzzica la curiosità di molti lettori che ci scrivono chiedendo informazioni più dettagliate o giungono su Blog Energia con altrettante crescenti chiavi di ricerca sul tema. Proviamo ad esaminare in dettaglio il principio di funzionamento di questo sistema.

Esistono diversi approcci per concentrare il calore del sole in un punto: quello più interessante sembra essere il sistema che fa ricorso alle proprietà delle superfici paraboliche. Una parabola è una superficie che gode, fra le altre, di una proprietà che ci interessa particolarmente.

Tutti i raggi solari (in rosso nella figura) che siano paralleli all’asse di uno specchio avente forma di parabola (in verde, visto in sezione) vengono riflessi in un unico punto, detto fuoco.

Ciò significa che è possibile concentrare l’energia del sole, purché si tenga puntata la parabola esattamente verso di esso. In realtà, l’oggetto di cui stiamo parlando è di uso molto comune: la stessa forma viene usata per le antenne TV satellitari che concentrano le onde elettromagnetiche provenienti dallo spazio.

A voler essere precisi, ciò che noi chiamiamo parabola è un paraboloide (la parabola è una semplice linea su un piano). A differenza del paraboloide per TV (fisso sempre in direzione del satellite) nel nostro caso ci sono delle ulteriori complicazioni date dal fatto che il sole si muove rispetto a noi durante l’intero arco della giornata, con traiettorie differenti a seconda del periodo dell’anno.

Questo significa che per mantenere la concentrazione dei raggi solari su di un certo punto, la nostra parabola deve poter ruotare attorno ad esso, cambiando inoltre la propria inclinazione sulla verticale: insomma il sistema è proprio complicato!

Nel punto che corrisponde al fuoco viene posizionato un contenitore per il fluido vettore che dovrà venire riscaldato a temperature elevatissime (fino a 550°C!). Si capisce bene come per condizioni così estreme è difficile far affidamento su giunti o parti in movimento. Per questo è più opportuno far muovere il paraboloide intorno al contenitore del fluido vettore.

Esiste tuttavia un sistema diverso che sfrutta lo stesso principio della sezione parabolica: il concentratore lineare a cilindro parabolico.

Come si vede in figura, esso è uno specchio basculante rispetto all’asse longitudinale, che ha la sezione di una parabola: in tal modo il fuoco non è più rappresentato da un punto ma da una linea. Basculando opportunamente il concentratore, è sempre possibile fare sì che si verifichi un allineamento fra sole, fuoco lineare e vertice (fondo) del cilindro parabolico. Sebbene si perda un po’ in efficienza, in quanto il sole non è perpendicolare all’asse del cilindro, il sistema funziona bene.

I collettori ottimali sono dunque dei cilindri parabolici basculanti posti orizzontalmente sul terreno con direzione che può essere Est-Ovest o Nord-Sud. Vediamo quali siano vantaggi e svantaggi dei due orientamenti.

In figura si osserva che in tutti quei casi in cui il sole non sia perpendicolare all’asse del collettore (ossia quasi sempre) è come se la superficie del collettore si riducesse in rapporto all’angolo che il sole forma con l’asse del collettore.

Nell’esempio che riportiamo abbiamo calcolato la superficie equivalente a quella perpendicolare al sole per il solstizio d’estate, quello d’inverno e l’equinozio, per un collettore orientato Nord-Sud ed uno orientato Est-Ovest, nell’arco di ciascuna delle tre giornate considerate e per una latitudine di 35° (grosso modo Lampedusa).

Si vede come nell’arco della giornata sia molto più efficiente (valori di superficie equivalente più prossimi ad 1) un collettore orientato in direzione Nord-Sud.

In effetti si nota come soprattutto nei sei mesi estivi (compresi fra i due equinozi) l’efficienza di un collettore orientato Nord-Sud sia maggiore in quanto la superficie equivalente è sempre pari ad almeno 0,8.

Il concentratore parabolico non è l’unico possibile ma sembra essere il più efficiente. Se questo assume la forma di cilindro parabolico orientato Nord-Sud i risultati sono particolarmente interessanti. Questo vale soprattutto nelle latitudini medio-basse.

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Qui ci proponiamo di eseguire una stima per un impianto di tipo domestico nell’ipotesi che questo sia già prodotto su grande scala – in sostanza cerchiamo di prevedere un futuro prossimo, distante solo alcuni anni da noi.

Il componente più visibile è il collettore solare. Tipicamente si tratta di una superficie riflettente, a forma di cilindro parabolico che, opportunamente orientata, concentra i raggi del sole in un volume posto al di sopra della superficie riflettente (fuoco lineare). È sufficiente che in corrispondenza di questo volume si trovi un tubo collettore per riscaldare un fluido vettore che circola all’interno del tubo stesso.

Se immaginiamo di rapportare il costo a quello di un equivalente impianto fotovoltaico a terra – in termini di superficie di esposizione, ci rendiamo conto che la spesa relativa ai classici pannelli deve venire comparata a tre componenti.

Il primo è lo specchio vero è proprio, costruito in policarbonato riflettente, su una struttura portante, ad esempio a nido d’ape, con gli opportuni rinforzi strutturali, costerebbe circa il 5% di una corrispondente superficie di silicio. A differenza dei pannelli fotovoltaici, i concentratori solari devo essere orientabili lungo un asse per poter funzionare. Mutuando la tecnologia proprio dagli equivalenti inseguitori a due assi disponibili per i sistemi fotovoltaici, si può calcolare, dimezzando i costi in quanto la rotazione avverrebbe lungo un solo asse, che il dispositivo di orientamento rappresenti circa il 15% del costo dei pannelli al silicio.

Il componente più costoso e complesso è senza ombra di dubbio il tubo collettore. Esso è composto da un tubo di materiale fotoassorbente montato all’interno di un tubo di vetro a vuoto di diametro maggiorato. In pratica parliamo di tecnologie simili a quelle necessarie per fabbricare le lampadine, tecnologie ben collaudate ma la cui trasposizione nei confronti di oggetti di scala ben maggiore può rappresentare un’incognita in termini di costi. Volendo essere pessimisti, sembrerebbe stimabile in circa il 30% del costo di un pannello fotovoltaico. Questo significa che un collettore solare termodinamico dovrebbe costare al più circa il 50% di un sistema di pannelli fotovoltaici di equivalente superficie.

Un sistema solare termodinamico presenta tuttavia una complessità ben maggiore nelle sue altre componenti. Infatti mentre un sistema fotovoltaico tradizionale è composto essenzialmente da un inverter, il sistema in questione, richiede un serbatoio di accumulo, una turbina, un alternatore, nonché tutti i sistemi di sicurezza necessari alla gestione di un impianto che opera con fluidi a temperature di oltre 500°C. Questo potrebbe portare ad un costo totale dell’impianto paragonabile a quello di un impianto fotovoltaico. Tuttavia i componenti utilizzati si prestano ad un ingegnerizzazione tale da produrre consistenti economie di scala, tanto da fare realisticamente pensare ad un dimezzamento dei costi rispetto alle stime qui presentate.

Un sistema solare termodinamico di queste caratteristiche avrebbe un’efficienza di circa il 70% nel riscaldare il fluido vettore, la turbina a sua volta potrebbe avere un rendimento di circa il 35%. Considerando le perdite nella trasformazione in energia elettrica, il sistema dovrebbe avere un rendimento pari a circa il 20-22%. Un equivalente sistema fotovoltaico parte da un efficienza di circa il 14-15%, con perdite di circa il 25% in fase di conversione in termini di corrente elettrica alternata. Ciò significa che il rendimento totale del sistema solare termodinamico è potenzialmente circa doppio di quello fotovoltaico, portando quindi i costi nell’arco di 25 anni ad una media di circa 0,15 euro/kWh prodotto.

Nel caso in cui si realizzassero delle forti economie di scala, i costi potrebbero ulteriormente dimezzarsi, rendendo il solare termodinamico concorrenziale sia con le centrali a combustibili fossili sia con quelle nucleari.

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Metafore a parte, si tratta di una vera rivoluzione, basata su principi già noti ad Archimede di Siracusa (e non il disneyano Pitagorico!). L’idea è quella di concentrare l’energia solare tramite un sistema di specchi, riscaldando un fluido, fino a portarlo a temperature decisamente elevate, superiori ai 500 °C. Questo fluido viene poi utilizzato per azionare una turbina che a sua volta produce elettricità.

Tratto dal programma ENEA sull’energia solare a concentrazione ad alta temperatura

Il vantaggio del solare termodinamico a concentrazione risiede nei costi, in quanto i materiali utilizzati per concentrare i raggi solari sono degli specchi, decisamente meno costosi degli elementi di silicio utilizzati nei normali impianti fotovoltaici. Gli impianti termodinamici hanno tuttavia un’altra particolarità: possono funzionare anche di notte. Il fluido riscaldato infatti può venire immagazzinato per essere utilizzato successivamente per alimentare le turbine durante tutto l’arco delle ventiquattr’ore.

Riassumiamo dunque i vantaggi:

• utilizza una fonte energetica gratuita;
• non produce scorie;
• non inquina;
• impiega materiali poco costosi;
• produce energia elettrica quando serve;
• non intacca la bilancia dei pagamenti;
• ci libera da ingerenze politiche di altri paesi.

Gli svantaggi:

• nessuno.

Rimbocchiamoci dunque le maniche e passiamo da fasi prototipali ad una reale utilizzazione diffusa!

Approfondimenti:
- Rubbia: “Né petrolio né carbone soltanto il sole può darci energia” - La Repubblica

- Solare termodinamico, firmata l’intesa centrali in Lazio, Puglia e Calabria - La Repubblica

-Solare termodinamico, l’Italia ci prova firmata l’intesa per la centrale di Priolo – La Repubblica

- Il programma ENEA sull’energia solare a concentrazione ad alta temperatura

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