Solare termico, le potenzialità dei collettori sottovuoto

Nonostante un mercato che ha visto un decremento tra il 10% e il 15% per tre anni consecutivi, l’Austria resta uno dei paesi di punta, in Europa e nel mondo intero, per la diffusione del solare termico. Grazie, infatti, ad attente politiche di sviluppo, promozione culturale e corretta incentivazione, il paese nostro confinante è ancora oggi il terzo mercato europeo come dimensione e, soprattutto, presenta la maggior superficie pro capite di impianti solari termici nell’Europa continentale.
Come accade in tutto il mondo, anche in Austria il mercato del solare termico si è sviluppato e concentrato soprattutto sulle applicazioni nel settore residenziale, spesso per abitazioni monofamiliari, con installazioni finalizzate alla sola produzione di acqua calda sanitaria o anche alla contemporanea integrazione del sistema di riscaldamento invernale, tramite i cosiddetti “impianti combinati”. Da qualche anno, però, soprattutto grazie all’azione di “service provider” specializzati, si sono moltiplicati gli esempi di utilizzo di solare termico di grande taglia per applicazioni più innovative, come la produzione di calore di processo, il raffrescamento mediante combinazione con macchine ad assorbimento e ad adsorbimento in impianti di “solar cooling” e, come già descritto in altri articoli precedenti, l’integrazione in reti di teleriscaldamento esistenti.
Di fronte alla crisi economica e alla difficoltà che spesso le singole famiglie incontrano nell’affrontare nuove spese, queste tipologie di impianti appaiono particolarmente interessanti e promettenti per rimettere in carreggiata un mercato del solare che, come quello austriaco, è sempre stato abituato a recitare una parte da protagonista sulla scena europea e mondiale.
L’impianto che sarà descritto in questo articolo, entrato in funzione nel 2011, è proprio un esempio virtuoso di come questi sistemi di grande taglia possano risultare applicazioni estremamente redditizie.

L’impianto di Wels
Nel 2011, più precisamente nel mese di maggio, l’impianto solare installato sul tetto della fiera nella cittadina austriaca di Wels, la cui costruzione è iniziata nel 2010, ha cominciato a produrre i suoi primi kWh, giusto in tempo per sfruttare appieno la stagione estiva che si stava avvicinando.
Il sistema solare termico presenta una superficie captante con un’area di 3.400 m2 ed è costituito interamente da collettori a tubi sottovuoto. Si tratta di una forte peculiarità di questo impianto, in quanto è davvero raro trovare impianti di simile taglia realizzati con collettori che utilizzino questa tecnologia. L’impiego di collettori sottovuoto consente di ridurre le perdite termiche verso l’ambiente esterno permettendo, quindi, di funzionare a temperature operative relativamente elevate senza per questo compromettere il rendimento di conversione dei collettori stessi. Questo risultato si ottiene creando appunto il vuoto all’interno dei tubi che costituiscono il collettore. L‘adozione di tecnologie sottovuoto di buon livello, inoltre, garantisce la tenuta del vuoto ottenuto durante l’arco di vita dell’impianto. In questo impianto, la scelta di adottare collettori sottovuoto con buon rendimento si è resa necessaria dalle elevate temperature operative attese, comprese tra 85 °C e 110 °C. Più precisamente, la temperatura di 85 °C è il valore minimo che, nel corso di tutto l’anno, il solare deve sempre essere in grado di garantire e 115 °C è la punta più elevata che può essere raggiunta in alcuni momenti della stagione invernale.
L’utilizzo di collettori sottovuoto, inoltre, consente di minimizzare le perdite energetiche dovute al non perfetto orientamento della superficie di copertura, che presenta un angolo di circa 45° in direzione ovest rispetto al sud e che soffre di un parziale ombreggiamento da parte di alcuni blocchi della struttura di supporto e di alcune sezioni dell’edificio.
La configurazione di impianto è stata impostata prevedendo due campi distinti, a causa delle differenti altezze della superficie di copertura della fiera: una sezione di 3.000 m2 è stata installata a un’altezza di 15 metri e i restanti 400 m2 sono stati posizionati su di un’altra parte del tetto, situata a un’altezza di 25 metri dal suolo.
Dal punto di vista della potenza termica sprigionabile, la superficie installata corrisponde a circa 2,4 MW. È bene precisare che, in maniera paragonabile a quanto accade con il fotovoltaico, si parla anche in questo caso di una sorta di “potenza di targa”. Tale potenza si ottiene moltiplicando la superficie captante dell’impianto per il fattore 0,7, prima stabilito e poi ufficialmente adottato dall’Agenzia Internazionale per l’Energia. La potenza reale istantanea che l’impianto è in grado di produrre, invece, dipende da diversi parametri che variano secondo le condizioni specifiche, in particolar modo la radiazione solare incidente, la temperatura ambiente e la temperatura di fornitura del fluido termovettore all’utenza. La potenza di picco dell’impianto, poi, può essere stimata attorno ai 2,8 MW e quella massima per un output continuo è pari a 1,8 MW.
Si aggiunge, infine, che il volume di acqua contenuto nell’impianto solare, considerando anche le tubazioni di collegamento tra i diversi collettori e quelle che trasportano il calore fino all’interfaccia con la preesistente rete di teleriscaldamento, risulta essere di 12 metri cubi. Si parla di acqua perché questo impianto, diversamente da quanto si è spesso abituati a riscontrare, non utilizza sul lato primario una miscela di acqua e liquido antigelo, ma appunto solo acqua allo stato puro. Ciò consente, tra l’altro, di evitare una protezione attiva dal congelamento, che richiederebbe un consumo elettrico stimato attorno ai 50 MWh/anno, corrispondenti al 4% della resa dell’impianto. Nel sistema di Wels, invece, il consumo elettrico per il funzionamento degli organi di circolazione rappresenta solo lo 0,5% dell’output annuale.
Un altro vantaggio non irrilevante, dovuto all’uso dell’acqua, è quello di poter impiegare tubazioni con sezione più contenuta e, quindi, dai costi più bassi.
Nonostante lo stesso fluido sia in circolazione nell’anello primario (quello del solare termico) e in quello secondario (la rete di teleriscaldamento), è stato previsto l’utilizzo di uno scambiatore di calore per svincolare la pressione del circuito primario dal valore che essa assume nel secondario. In inverno, infatti, la rete di teleriscaldamento, soprattutto nelle tubazioni di ritorno, può subire notevoli abbassamenti della pressione di esercizio, che può addirittura essere minore della pressione statica che, a causa dell’altezza del tetto di copertura dove sono installati i collettori solari, è richiesta per il corretto funzionamento del sistema. Ancora una volta, l’uso dell’acqua come fluido termovettore nel circuito primario, comunque, permette di adottare uno scambiatore di calore con una taglia di almeno tre volte inferiore a quella che si sarebbe resa necessaria scegliendo nell’anello solare una miscela di acqua e liquido antigelo.
I 3.400 m2 di superficie attiva del solare termico sono disposti su un’area della copertura pari a 10.000 m2. C’è quindi un rapporto pari a quasi 3 tra l’area effettivamente occupata dall’impianto e quella occupata dai soli collettori. Ciò è dovuto alla necessaria distanza tra le varie file di collettori, che scongiura il mutuo ombreggiamento tra le file stesse e consente di eseguire eventuali operazioni di manutenzione sui differenti componenti del sistema.
Un locale tecnico con una superficie di circa 50 m2, inoltre, è stato realizzato per alloggiare le altre apparecchiature necessarie al corretto funzionamento dell’impianto, come scambiatori di calore, valvole e altri dispositivi di sicurezza, vasi di espansione, ecc. Per quanto riguarda questi ultimi componenti, il loro volume è piuttosto limitato. Si utilizzano, infatti, solo tre vasi con un volume di 500 litri ciascuno. Ciò è possibile grazie al fatto che la sede principale per l’espansione dell’acqua in seguito al suo riscaldamento è la stessa rete di teleriscaldamento che funge anche da serbatoio di accumulo.
Un’altra peculiarità del sistema solare termico di Wels, infatti, è la completa assenza di un serbatoio di accumulo. La locale rete di riscaldamento, infatti, che è poi la destinazione del calore in uscita dall’impianto solare, contiene una quantità di acqua tale da poter agire essa stessa da accumulo dell’energia termica in eccesso. Il costo di investimento dell’impianto, perciò, è stato senza dubbio inferiore rispetto a sistemi solari termici convenzionali proprio grazie al fatto che si è potuto fare a meno di questo componente dal costo spesso non trascurabile.
La ditta che fornisce il calore alla rete, grazie all’impiego del solare termico, può risparmiare, nella stagione estiva, anche fino al 50% dei consumi di gas. Nel periodo invernale, invece, dato il consumo notevolmente maggiore a causa della presenza di un considerevole fabbisogno termico per il riscaldamento degli ambienti, la cosiddetta “frazione solare” scende a circa il 2%.
Questo risparmio corrisponde a una producibilità dell’impianto solare pari a circa 1.300 MWh/anno. Interessante è anche il dato sui consumi elettrici legati al funzionamento di pompe e organi di controllo: si tratta di 6 MWh/anno. Le pompe della rete di teleriscaldamento, invece, già esistenti e in funzione prima dell’installazione dell’impianto solare termico, presentano un consumo attorno ai 20 MWh/anno.

Le motivazioni
Gli operatori della rete di teleriscaldamento di Wels hanno scelto un impianto solare termico in quanto avevano lo scopo di abbattere le emissioni di anidride carbonica del loro sistema di produzione del calore. Senza dubbio, un ruolo non irrilevante è stato giocato dal fatto che la cittadina di Wels è anche la sede della più importante manifestazione fieristica sui temi ambientali che, ormai da numerosi anni, si svolge nel paese austriaco.
Un’altra motivazione interessante è stata una sorta di “sfida a distanza” con l’Austria del sud. La regione di Wels, infatti, la cosiddetta “Austria superiore”, nonostante sia sempre stata una delle aree più prolifiche per quanto riguarda le installazioni di solare termico, non aveva ancora nessun impianto solare integrato con rete di teleriscaldamento. Nelle regioni della Stiria e della Carinzia, invece, questa tipologia di impianti ha trovato fortuna già da diverso tempo.
Nonostante le forti motivazioni alla base, tuttavia, l’impianto non è stato di semplice realizzazione, in quanto è stato chiesto alla Ritter XL Solar, società tedesca sviluppatrice del progetto, di non toccare o modificare in alcun modo la rete di teleriscaldamento esistente. Il fornitore del sistema, perciò, ha dovuto non solo progettare e realizzare l’impianto solare, ma anche occuparsi di tutti gli altri “dettagli” per arrivare a una completa integrazione con la rete, vale a dire la tecnologia delle centraline di regolazione e controllo, il sistema di monitoraggio, il protocollo di comunicazione con la rete di teleriscaldamento e l’interfaccia internet.
Si precisa anche che il committente dell’impianto è stata la utility locale “Elektrizitätswerke Wels” e la “MEA Solar GmbH” si è invece occupata dell’installazione.
Un’altra caratteristica richiesta all’impianto solare è stata quella di avere una protezione intrinseca in caso di eventi inattesi come un black-out, la rottura di una o più pompe di circolazione, nonché la necessità di effettuare lavori di manutenzione imprevisti, improvvisi e non annunciati sulla rete di teleriscaldamento connessa all’impianto solare stesso.
Per quanto riguarda i possibili fenomeni di surriscaldamento e stagnazione, tale protezione intrinseca fa sì che, in caso l’acqua nel circuito solare inizi a bollire, venga immediatamente e in pochi minuti dirottata alla rete di teleriscaldamento o ai vasi di espansione. Quando cessano le condizioni di pericolosità per il surriscaldamento, poi, il sistema si riempie di nuovo in maniera del tutto automatica.