Lo stato dell’arte del solaretermico

28 Febbraio 2011 1/33

Lo stato dell’arte del solaretermico

G.V. FracastoroM. Simonetti (presenta)

Dipartimento di EnergeticaPolitecnico di Torino

Alcuni fatti• L’energia che dal Sole nell’unità di tempo (energia/tempo = potenza)

raggiunge continuamente la superficie della Terra è pari a quellaprodotta da circa 100.000 centrali da 1000 MW ciascuna.

• In 40’ circa dal Sole ci raggiunge una quantità di energia pari aquella consumata da tutta l’umanità in un anno

• La potenza che raggiunge una superficie di 1 m2 posta sulla Terra(potenza/superficie = irradianza solare) è dell’ordine di alcunecentinaia di W/m2 e raggiunge valori massimi intorno a 1000 W/m2.

• In un anno una superficie orizzontale di 1 m2 viene raggiunta dacirca 1300 kWh a Torino, 1450 a Roma e 1600 a Catania. Su unasuperficie orientata in modo ottimale (Sud, 30-40° di inclinazionerispetto all’orizzontale) l’energia diviene rispettivamente pari a 1500,1700 e 2000 kWh.

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• L’energia che dal Sole nell’unità di tempo (energia/tempo = potenza)raggiunge continuamente la superficie della Terra è pari a quellaprodotta da circa 100.000 centrali da 1000 MW ciascuna.

• In 40’ circa dal Sole ci raggiunge una quantità di energia pari aquella consumata da tutta l’umanità in un anno

• La potenza che raggiunge una superficie di 1 m2 posta sulla Terra(potenza/superficie = irradianza solare) è dell’ordine di alcunecentinaia di W/m2 e raggiunge valori massimi intorno a 1000 W/m2.

• In un anno una superficie orizzontale di 1 m2 viene raggiunta dacirca 1300 kWh a Torino, 1450 a Roma e 1600 a Catania. Su unasuperficie orientata in modo ottimale (Sud, 30-40° di inclinazionerispetto all’orizzontale) l’energia diviene rispettivamente pari a 1500,1700 e 2000 kWh.

EU – Collettori solari termici installatiper abitante

kWth installati ogni1000 persone (1 m2

= 0.7 kW)

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La situazione in Europa e in Italia

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Europa

• A causa della crisi del mercato edile ilmercato europeo ha subito una flessione del10% nel 2009, passando da quasi 5 a 4,5milioni di m2 installati, ma è comunquequadruplicato negli ultimi 7 anni

• Il settore del solare termico confida nelleazioni di implementazione della direttiva sulleFRE (2009/28/EC) che dovrebbero essereintraprese dai governi europei

• Le grandi installazioni tengono il passo

Italia

• Nonostante la riduzione del 5% nel corso del2009, l’Italia, con oltre 400.000 m2 installati, èdivenuta il secondo mercato europeo.

• Il merito principale è la detrazione d’impostadel 55%, ma la riduzione dell’aliquotapotrebbe portare a un ulteriore rallentamento

• Gli impegni del “20-20-20” prevedono dicoprire oltre il 9% della domanda termica confonti rinnovabili, con aumento da 3.5 a 15Mtep. In buona parte, si presume, col solaretermico.

Il mercato Europeo nel 2009

Italia

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Da almeno 10 anni il mercatoeuropeo parla tedesco

• Molti produttori di componenti per laclimatizzazione e l’edilizia hanno nel loro listinoanche componenti per lo sfruttamentodel’energia solare termica.

• Il numero di nuovi addetti nel 2009 in Europa èdi 37.000 persone (circa 1 persona full-time ogni80 kWth installati) e in Italia di oltre 3500persone

• L’energia prodotta in tutta Europa è pari a 16TWh, ovvero 1,36 Mtep (1% del consumoenergetico italiano)

Aspetti industriali

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• Molti produttori di componenti per laclimatizzazione e l’edilizia hanno nel loro listinoanche componenti per lo sfruttamentodel’energia solare termica.

• Il numero di nuovi addetti nel 2009 in Europa èdi 37.000 persone (circa 1 persona full-time ogni80 kWth installati) e in Italia di oltre 3500persone

• L’energia prodotta in tutta Europa è pari a 16TWh, ovvero 1,36 Mtep (1% del consumoenergetico italiano)

Efficienza del collettore solarepiano vetrato

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

00.0

20.0

40.0

60.0

8 0.1 0.12

0.14

0.16

0.18 0.2

(Tm - Te)/G

effic

ienz

a

perdite ottiche

perdite termiche

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00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

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20.0

40.0

60.0

8 0.1 0.12

0.14

0.16

0.18 0.2

(Tm - Te)/G

effic

ienz

a

effetto utile

perdite termiche

Novità nei componenti• Collettori solari ad alta efficienza

– Ridurre le perdite ottiche: Vetri super trasparenti eSuperfici selettive

– Ridurre le perdite termiche: tecnologia del vuoto,aumento uniformità di temperatura

• Collettori integrati nelle facciate e nelle falde deltetto

• Collettori ibridi (termico-fotovoltaico)• Accumuli

– Stratificati– Chimici ad alta densità

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• Collettori solari ad alta efficienza– Ridurre le perdite ottiche: Vetri super trasparenti e

Superfici selettive– Ridurre le perdite termiche: tecnologia del vuoto,

aumento uniformità di temperatura• Collettori integrati nelle facciate e nelle falde del

tetto• Collettori ibridi (termico-fotovoltaico)• Accumuli

– Stratificati– Chimici ad alta densità

Copertura sempre più trasparente

tipospessorecopertura peso

trasmittanzasolare

[mm] [kg/m²] [-]

Vetro Standard *) 4 10 0.84

Vetro Standard, temperato 4 10 0.84

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Vetro Standard, temperato 4 10 0.84

Vetro Low-Iron, temperato 4 10 0.91

Vetro con rivestimento antiriflettente 4 10 0.95

Polimetilmetacrilato (PMMA) 16 5 0.77

*) pericolo di rottura ad alte temperature

Proprietà di alcuni rivestimentiselettivi della piastra captante

rivestimento substrato

nero di Ni acciaio 0.95 0.07

nero di Cr acciaio 0.91 0.07

nero di Cr rame 0.95 0.14

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nero di Cr rame 0.95 0.14

nero di Cu rame 0.88 0.15

ossido di Mn alluminio 0.70 0.08

ossido di Fe acciaio 0.85 0.08

TiNOx rame 0.94 0.05

Collettore sotto vuoto• Il vuoto nei tubi garantisce il massimo isolamento termico. Una

piastra in rame con rivestimento selettivo assorbe la radiazionee la trasmette al fluido che scorre nello scambiatore tubo-in-tubo.

• I collettori CPC (Compound Parabolic Concentration) sfruttanoanche la radiazione che arriva fra i tubi

• I collettori con heat pipe migliorano lo scambio termico fra tubo ecollettore idraulico

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• Il vuoto nei tubi garantisce il massimo isolamento termico. Unapiastra in rame con rivestimento selettivo assorbe la radiazionee la trasmette al fluido che scorre nello scambiatore tubo-in-tubo.

• I collettori CPC (Compound Parabolic Concentration) sfruttanoanche la radiazione che arriva fra i tubi

• I collettori con heat pipe migliorano lo scambio termico fra tubo ecollettore idraulico

I condotti del fluido termovettore• Normalmente realizzati con Roll-

bond (lamiere preformate concanalizzazioni) o tubi alettati in Cuda 8-12 mm, uniti in parallelo daun collettore da 20 mm

• Problema: temperatura dell’acquasensibilmente inferiore a quelladella piastra captante

• Soluzioni: tubi schiacciati,sagomati

T

Tubi schiacciati (brevetto Wallnoefer)

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• Normalmente realizzati con Roll-bond (lamiere preformate concanalizzazioni) o tubi alettati in Cuda 8-12 mm, uniti in parallelo daun collettore da 20 mm

• Problema: temperatura dell’acquasensibilmente inferiore a quelladella piastra captante

• Soluzioni: tubi schiacciati,sagomati

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.50 10 20 30 40 50 60

Miglioramento del rendimento

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 0.05 0.1 0.15 0.2

PV normale

PV low-ironantiriflettenteTSV

TSV heat pipe

TSV CPC

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00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

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PV normale

PV low-ironantiriflettenteTSV

TSV heat pipe

TSV CPC

PV = Piani VetratiTSV = Tubi SottoVuoto

Collettori ibridi (PV/T)

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Accumuli stratificati

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Introdurre e prelevare calore al giusto livello di temperatura(http://www.youtube.com/watch?v=8iNYGbDUZ04&NR=1 )

Accumuli chimici ad alta densità• Un kg di acqua può accumulare 4.2 kJ/°C, ovvero da 80 a 120 kJ/kg

per un salto di 20-30 °C• Sali di fusione (sali eutettici, solfati di sodio, di magnesio)

– Calore di fusione con formazione di soluzione di sale anidro (reazioneendotermica), successivo rilascio del calore durante il processo opposto

– r = 160 – 300 kJ/kg• ossidi minerali (MgO, CaO)

– si sfrutta il calore di idratazione, ma serve temperatura elevata (300-400°C collettori a concentrazione)

– elevata densità energetica (12 – 30 volte quella dei sali)• cambiamento di stato di liquidi organici (paraffine o PCM – Phase

Change Materials)– temperature medio-basse (30-65 °C)– r = 120 – 300 kJ/kg

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• Un kg di acqua può accumulare 4.2 kJ/°C, ovvero da 80 a 120 kJ/kgper un salto di 20-30 °C

• Sali di fusione (sali eutettici, solfati di sodio, di magnesio)– Calore di fusione con formazione di soluzione di sale anidro (reazione

endotermica), successivo rilascio del calore durante il processo opposto– r = 160 – 300 kJ/kg

• ossidi minerali (MgO, CaO)– si sfrutta il calore di idratazione, ma serve temperatura elevata (300-400

°C collettori a concentrazione)– elevata densità energetica (12 – 30 volte quella dei sali)

• cambiamento di stato di liquidi organici (paraffine o PCM – PhaseChange Materials)– temperature medio-basse (30-65 °C)– r = 120 – 300 kJ/kg

I limiti del solare per produzione di ACS

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

0 0.5 1 1.5 2

mq/persona

fatt

ore

sola

re

0100200300400500600700800900

resa

(kW

h/m

2 ), V

AN

(€)

fattore solare resa per unità di superficie VAN

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0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

0 0.5 1 1.5 2

mq/persona

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resa

(kW

h/m

2 ), V

AN

(€)

fattore solare resa per unità di superficie VAN

• Alle nostre latitudini l’area ottimale di collettori solari per la produzione di ACS è dicirca 1 m2/persona. Quest’area non è in grado di coprire tutta la domanda di energiaper ACS di una persona (pari a circa 6-800 kWh/pers), ma soltanto il 50-70% diquesta, ovvero circa 400 kWh (curva blu)

• Se si aumenta ulteriormente questa quota il ritorno economico (VAN) diverrà semprepiù basso (curva gialla) e la resa (curva rossa) sempre minore

• In Piemonte la domanda di ACS è di circa 251 ktep (2% del totale). Anche installando1 m2 a testa il contributo del solare termico non supererebbe l’1-1.2% del fabbisognoenergetico.

Occorre trovare altri utilizzi

Nuovi impieghi degli impianti solaritermici

• Utenze civili (calore/freddo)– Sistemi combinati riscaldamento + acqua calda

sanitaria (Combisystems)– Teleriscaldamento con accumulo stagionale– Pompe di calore elioassistite– Solar cooling

• Utenze industriali e agricole (calore diprocesso) e dissalazione acque saline esalmastre

• Produzione di elettricità mediante impiantisolari a concentrazione (CSP)

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• Utenze civili (calore/freddo)– Sistemi combinati riscaldamento + acqua calda

sanitaria (Combisystems)– Teleriscaldamento con accumulo stagionale– Pompe di calore elioassistite– Solar cooling

• Utenze industriali e agricole (calore diprocesso) e dissalazione acque saline esalmastre

• Produzione di elettricità mediante impiantisolari a concentrazione (CSP)

Combisystems (Riscaldamentoambienti + ACS)

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• Domanda e offerta “in contro-fase”• modesta copertura della quota riscaldamento• Considerare in alternativa sistemi passivi, o accumuli stagionali

Impianti solari termici di grandescala (LSST)

• Usati in aree con grandivariazioni stagionali diinsolazione (latitudini > 50-60°)

• Un tipico LSST richiede:

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Gennaio Marzo Maggio Luglio Settembre Novembre

Fraz

ione

sul

tota

le

Domanda

Disponibilità

– Rete di teleriscaldamento– Pompa di calore per

l’innalzamento dellatemperatura di mandata

– Impianti di riscaldamento abassa temperatura(pavimenti radianti)

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Gennaio Marzo Maggio Luglio Settembre Novembre

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Domanda

Disponibilità

– Rete di teleriscaldamento– Pompa di calore per

l’innalzamento dellatemperatura di mandata

– Impianti di riscaldamento abassa temperatura(pavimenti radianti)

Torino, domanda di calore perriscaldamento e disponibilità di

radiazione solare

L’impianto di Crailsheim-Hirtenwiesen

260 appartamenti

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Frazione solare 50%, costo calore 19 c€/kWh

37500 m3

7300 m2

530 kW

Pompe di calore elioassistite

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• Accumulatori di ghiaccio a calore latenteSOLAERA: il calore viene immagazzinato abassa temperatura.

• Col ghiaccio è possibile immagazzinare moltaenergia in spazi molto piccoli (320 litricorrispondono a un bollitore normale da 2500 litri).

• All'acqua/ghiaccio viene sottratto calore che poiviene portato a un livello di temperatura più altotramite una pompa di calore, in modo da poterloutilizzare per il riscaldamento e la produzione diacqua calda

Usi industriali del calore solare

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Distribuzione degli impianti per settore industriale (IEA Task 33/IV, 2007)Italia

consumoenergetico finale

industria

DomandaIndustriale

termica

Potenziale solare deiprocessi termici a media

bassa temperaturaFrazione

solarecapacità

potenzialearea

collettori

Mtep Mtep Mtep % GWth M mq

39.5 20.5 0.8 4% 10 14.3

Dissalazione solare

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Multiple Effect Humidificationscambiatori di calore realizzati in materialianti-corrosione, superfici dell’evaporatoretrattate con sostanze antibatteriche.Il calore ceduto al condensatore vieneriutilizzato dall’evaporatore.

Evaporatore a doppio effetto.Il vapore che condensa nel serbatoioB1 scalda l’evaporatore A2.1=alimentazione, 2=prodotto,3,4=vapore

I sistemi a concentrazione (CSP)per la produzione elettrica

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• Usati per produrre elettricità in combinazione con ciclitermodinamici (Rankine o Stirling)

• Di grande attualità (progetto Desertec)

Tipologie di impianti CSP perproduzione elettrica

• Sistemi a riflettoreparabolico (50-100 kW,motori Stirling)

• Sistemi a torre (PS10)– potenza di 11 MW– 624 eliostati da 120 m2– ricevitore e turbina a vapore sulla

torre (115 m di altezza)– Accumulo di vapore a 50 bar e

285°C con autonomia di un’ora.

• Sistemi a parabole lineari(Archimede)

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• Sistemi a riflettoreparabolico (50-100 kW,motori Stirling)

• Sistemi a torre (PS10)– potenza di 11 MW– 624 eliostati da 120 m2– ricevitore e turbina a vapore sulla

torre (115 m di altezza)– Accumulo di vapore a 50 bar e

285°C con autonomia di un’ora.

• Sistemi a parabole lineari(Archimede)

“Archimede”, l’impianto Enel-Eneadi Priolo-Gargallo (Sicilia)

• Inaugurato il 19luglio 2010

• Potenza di picco:23 MWth, 4.7 MWel

• 72 riflettoriparabolici lineari(40.000 m2)

• Produzione annua:9.22 GWh

• Nitrati di Na e K• Due accumuli

termici (100 MWh)per dare continuitàalla produzione

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• Inaugurato il 19luglio 2010

• Potenza di picco:23 MWth, 4.7 MWel

• 72 riflettoriparabolici lineari(40.000 m2)

• Produzione annua:9.22 GWh

• Nitrati di Na e K• Due accumuli

termici (100 MWh)per dare continuitàalla produzione

Raffrescamento solare(solar cooling)

Caratteristiche• 450 impianti installati nel mondo (400 in Europa)• Vi sono impianti

– a ciclo chiuso (assorbimento, adsorbimento)– a ciclo aperto (DEC, Desiccant and Evaporative Cooling) e LDAC (Liquid

Desiccant Air-Conditioning)• Gli impianti medio-piccoli (< 120kW) più usati sono quelli ad assorbimento

(71%), seguiti dai DEC (14%), ad adsorbimento (13%), e dai LDAC (2%)Vantaggi• Domanda e offerta “in fase”• risparmio di energia pregiata (elettricità)Svantaggi• elevato costo della macchina frigorifera, necessità di collettori ad alta efficienza• Bassi COP (0.6-0.7) a temperature <100 °C• Temperature elevate (>150 °C) per avere COP ~1 (assorbimento a doppio

effetto)

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Caratteristiche• 450 impianti installati nel mondo (400 in Europa)• Vi sono impianti

– a ciclo chiuso (assorbimento, adsorbimento)– a ciclo aperto (DEC, Desiccant and Evaporative Cooling) e LDAC (Liquid

Desiccant Air-Conditioning)• Gli impianti medio-piccoli (< 120kW) più usati sono quelli ad assorbimento

(71%), seguiti dai DEC (14%), ad adsorbimento (13%), e dai LDAC (2%)Vantaggi• Domanda e offerta “in fase”• risparmio di energia pregiata (elettricità)Svantaggi• elevato costo della macchina frigorifera, necessità di collettori ad alta efficienza• Bassi COP (0.6-0.7) a temperature <100 °C• Temperature elevate (>150 °C) per avere COP ~1 (assorbimento a doppio

effetto)

Sistemi per il raffrescamento solare(Solar cooling)

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L’effetto della temperatura

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Impianto frigorifero ad adsorbimento al gel di silice: prestazioni infunzione della temperatura

Chiller ad assorbimento Li-Br/H2O dipiccola potenza

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Chiller raffreddato ad ariacon capacità 4.5 kW.

Chiller da 10 kW Chiller da 15 kW

Esempio: centrale frigorifera dellaSarantis cosmetics, Viotia (Greece)

Utente Sarantis Fraz. solare 66%

Potenzafrigoriferaadsorbitori

2x350 kWf produzionespecifica

637 kWh/m2

Collettori Pianivetrati

costo 1.305.943 €

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Pianivetrati

Area 2700 m2 Avvio 15.08.1999

Potenza termica 1890 kW Produzioneannua

1.7 GWh

COP Adsorbitori 0.6 Freddo 1.1 GWh

Temperatura 60-90 (°C) Calore 0.6 GWh

Conclusioni

• I collettori solari termici sono prodotti ormai affidabili, venduticon garanzia di 5-10 anni, testati secondo Normative EuropeeUNI-EN (12975-1/2), con una sopravvivenza (studio tedescodel 2003) del 50 % a 20 anni.

• Si ripagano da soli nel corso della loro vita utile, con tempi diritorno, dell’ordine di 8-13 anni a seconda della fonteenergetica sostituita (5-8 anni considerando incentivi fiscaliper interventi sull’esistente)

• Sono impianti termoidraulici complessi, che richiedonoprogettisti, installatori e manutentori competenti

• Sono di fronte a un salto di qualità, sia per affermarsi comealternativa credibile agli attuali sistemi di produzione dell’ACS,sia per aprirsi nuovi spazi di mercato

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• I collettori solari termici sono prodotti ormai affidabili, venduticon garanzia di 5-10 anni, testati secondo Normative EuropeeUNI-EN (12975-1/2), con una sopravvivenza (studio tedescodel 2003) del 50 % a 20 anni.

• Si ripagano da soli nel corso della loro vita utile, con tempi diritorno, dell’ordine di 8-13 anni a seconda della fonteenergetica sostituita (5-8 anni considerando incentivi fiscaliper interventi sull’esistente)

• Sono impianti termoidraulici complessi, che richiedonoprogettisti, installatori e manutentori competenti

• Sono di fronte a un salto di qualità, sia per affermarsi comealternativa credibile agli attuali sistemi di produzione dell’ACS,sia per aprirsi nuovi spazi di mercato

Grazie

Marco SimonettiDipartimento di Energetica

Politecnico di Torinomarco.simonetti@polito.it