SOLARE, ENERGIA
SOLARE, ENERGIA
(App. IV, III, p. 366)
Il Sole è una sorgente di energia, che viene prodotta al suo interno da reazioni di fusione nucleare. Questa energia viene irraggiata all'esterno sotto forma di luce e di altre radiazioni; una piccola parte arriva sulla Terra, ed è quella che rende possibile la vita così come la conosciamo noi, mantenendo temperature medie adatte agli organismi viventi e fornendo i flussi energetici che alimentano i vegetali attraverso la fotosintesi e sono quindi alla base della catena alimentare di tutti gli esseri viventi. In questa sede consideriamo l'e.s. nella forma più immediata, che utilizza direttamente le radiazioni provenienti dal Sole per produrre elettricità o calore.
Mappe dell'insolazione. - Il Sole illumina tutti i punti del nostro pianeta per lo stesso numero di ore ogni anno, ma la quantità di e.s. che arriva a terra è molto diversa da punto a punto per l'inclinazione dei raggi rispetto alla verticale, che è mediamente molto più elevata alle alte latitudini, che vicino all'equatore: infatti quanto maggiore è l'inclinazione tanto minore è la luce che incide su un metro quadrato di superficie orizzontale; inoltre i raggi obliqui attraversano un maggiore spessore di atmosfera, con relativa attenuazione dell'intensità luminosa. La quantità di radiazione solare che arriva a terra dipende anche dal grado di trasparenza dell'atmosfera, e quindi dalla presenza o meno di nuvolosità, di foschia, ecc.
All'esterno dell'atmosfera, su una superficie perpendicolare ai raggi del Sole, arriva una potenza di circa 1370 W/m2, che viene detta costante solare. In un giorno limpido, la potenza che raggiunge la superficie terrestre è al massimo di circa 1000 W/m2. Per conoscere di quanta e.s. si potrà disporre in media in una data località, si effettuano misure della radiazione solare totale mediante strumenti chiamati piranometri. A partire dai dati misurati in vari punti della superficie terrestre, si costruiscono le cosiddette mappe solari (fig. 1). Oggi un grande aiuto alla realizzazione di queste mappe viene dalle osservazioni effettuate dai satelliti meteorologici. Misure più raffinate distinguono tra insolazione diretta (quella dei raggi provenienti dal Sole) e indiretta (proveniente dalla diffusione della luce solare nell'atmosfera, da parte delle nuvole, ecc.). Tanto più il cielo è limpido e privo di nuvole, tanto maggiore è la percentuale dell'insolazione diretta sul totale. La distinzione è importante, come vedremo, per tutte le applicazioni che richiedono concentrazione della luce, dato che soltanto la radiazione diretta può essere concentrata.
Conversione dell'energia solare. - Per poter utilizzare l'e.s. occorre raccogliere la radiazione solare e trasformarla in forme che si prestino ai vari usi. L'e.s. può essere convertita direttamente in elettricità impiegando i sistemi fotovoltaici (v. fotovoltaica, cella, in questa Appendice), oppure in calore che, a sua volta, può essere utilizzato come tale o trasformato in altre forme di energia (elettricità, energia chimica, ecc.).
La conversione diretta con i sistemi fotovoltaici appare la più promettente fra le tecnologie per lo sfruttamento delle energie rinnovabili. La tecnologia fotovoltaica, sviluppata negli anni Cinquanta nell'ambito dei programmi spaziali in virtù della sua affidabilità e inesauribilità, si sta estendendo anche a numerose applicazioni terrestri; sono infatti evidenti sia vantaggi di carattere strategico, come la diversificazione delle fonti di approvvigionamento per l'energia e la valorizzazione delle risorse nazionali, sia motivazioni di carattere ambientale; inoltre le caratteristiche di modularità, affidabilità e semplicità di manutenzione degli impianti fotovoltaici indicano questa tecnologia come la più interessante nel medio e lungo termine. Attualmente l'ostacolo principale alla sua diffusione è l'elevato costo dell'energia prodotta; tuttavia si ritiene che questo ostacolo possa essere superato in vista di un prevedibile sviluppo tecnologico che sperimenti anche nuovi materiali fotovoltaici; l'aspettativa dell'impegno della ricerca in questo settore si basa su possibili finanziamenti dell'Unione Europea che, nel programma quadro 1994-98, prevede di investire oltre 500 milioni di ECU per le energie rinnovabili. In seguito alla necessità di acquisire esperienza nella progettazione, costruzione ed esercizio di tali impianti, numerosi paesi hanno realizzato diverse centrali fotovoltaiche soprattutto per lo sviluppo di reti elettriche per utenze isolate. Nel 1995 in tutto il mondo sono in funzione centrali fotovoltaiche per la produzione di energia elettrica per una potenza globale poco superiore a 30 MW. L'impianto più grande è stato realizzato dall'ENEL in Italia, in provincia di Salerno, a Serre, in grado di erogare sulla rete elettrica nazionale una potenza di 3,3 MW. I programmi in questo settore hanno già contribuito alla nascita di un'industria italiana di componenti e all'acquisizione di conoscenze specifiche di notevole interesse.
La conversione in calore può essere effettuata con collettori piani, con sistemi a concentrazione, o con il sistema a stagno solare.
Collettori piani. - Il collettore piano (più noto con il nome di pannello solare) costituisce il dispositivo più semplice e più noto per raccogliere l'e.s. e convertirla in calore. Il suo funzionamento si basa su principi elementari (fig. 2): una superficie nera (superficie captante) assorbe la radiazione solare e si scalda, un isolante termico posto al di sotto della superficie mantiene il calore, mentre un vetro (o un foglio di plastica) posto sopra la superficie, verso il Sole, lascia passare la radiazione luminosa ma blocca quella infrarossa e calda emessa dalla superficie captante, permettendole di raggiungere temperature abbastanza al di sopra di quella ambiente. Un fluido (generalmente acqua o aria) che scorre sopra o sotto la superficie captante ne assorbe il calore e lo porta all'esterno, consentendo di utilizzarlo in vari modi.
In una forma molto semplice (una scatola nera coperta da un vetro) il collettore solare era stato realizzato alla fine del 17° secolo dallo scienziato francese H. de Saussure; i primi pannelli solari commerciali apparvero negli Stati Uniti agli inizi del Novecento, quando W. Bailey ebbe l'idea di separare il collettore dal serbatoio di raccolta dell'acqua calda.
Le temperature raggiungibili variano a seconda del livello d'insolazione e delle soluzioni costruttive. A volte ci si accontenta, con pannelli semplici e di basso costo, di ottenere aria o acqua a una temperatura di circa 20°C superiore a quella ambiente; in altri casi, si usano particolari accorgimenti per aumentare questa differenza di temperatura: doppi vetri di protezione, pannelli sotto vuoto per evitare la conduzione del calore dalla superficie captante al vetro, vernici particolari per la superficie captante che assorbono tutta l'e.s. ma riducono l'emissione di energia termica, strutture trasparenti ''a nido d'ape'' tra la superficie captante e il vetro per ridurre la trasmissione della radiazione riemessa dalla superficie calda, e così via. Con questi accorgimenti (che ovviamente aumentano il costo del collettore) è possibile raggiungere temperature che, in presenza di una buona insolazione, superano i 100°C. Uno degli utilizzi più comuni dei collettori piani è la produzione di acqua calda; il collettore viene inserito in un impianto idraulico che nel caso più semplice è del tipo ''a termosifone''; il serbatoio di raccolta dell'acqua calda, collegato con il collettore, è posto più in alto di quest'ultimo e l'acqua calda sale naturalmente verso il serbatoio a causa della sua minore densità. In altri casi, la circolazione dell'acqua viene assicurata da piccole pompe elettriche. A volte, quando è necessario assicurare la disponibilità di acqua calda anche in caso di prolungata mancanza d'insolazione, l'impianto dispone anche di uno scaldaacqua di complemento, elettrico o a combustione. Vantaggi economici ed estetici si ottengono con l'integrazione dei collettori nelle strutture edilizie, come elementi della copertura o delle pareti.
Quando i collettori sono di buona qualità e l'impianto è progettato ed eseguito a regola d'arte, i risultati sono pienamente soddisfacenti; per la produzione di acqua calda per usi sanitari, per il riscaldamento delle piscine e anche per alcuni utilizzi industriali ove occorre acqua a temperatura non molto elevata, i collettori solari forniscono già oggi una soluzione economicamente conveniente, soprattutto rispetto al riscaldamento elettrico. L'applicazione al riscaldamento degli ambienti, viceversa, anche se sperimentata in numerosi casi, non risulta generalmente conveniente, a causa dello sfasamento tra la massima disponibilità d'insolazione (d'estate) e la massima richiesta di calore (d'inverno). Occorrono infatti sistemi di accumulo stagionale del calore che sono fattibili (mediante vasche d'acqua, o riscaldando il terreno, o con varie soluzioni chimico-fisiche) ma che incidono molto sui costi dell'impianto.
Per il riscaldamento ambientale si utilizzano anche ''collettori solari ad aria'', che in particolari condizioni possono fornire un contributo utile: per es. in alta montagna, dove la radiazione solare è spesso forte d'inverno, e la richiesta di calore riguarda un periodo esteso a quasi tutto l'anno, essi evitano di raggiungere temperature troppo basse. Semplici tipi di collettori ad aria vengono impiegati con buoni risultati per l'essiccazione del foraggio e di altri prodotti agricoli.
Altri sistemi utilizzano come fluido un liquido organico, o ammoniaca che scaldandosi vaporizza, mentre quando cede calore al momento dell'utilizzo si condensa nuovamente. Si parla allora di ''tubi di calore''. Un sistema di questo genere è utilizzato per realizzare pompe solari molto semplici e senza alcuna parte in movimento, particolarmente adatte ai paesi in via di sviluppo. Su principi analoghi si basano alcuni refrigeratori ad assorbimento. Infine, i sistemi più semplici per la distillazione dell'acqua mediante l'e.s. si basano su una variante del collettore solare (solar stills). L'acqua salata viene evaporata sul fondo del collettore e si condensa sulla copertura trasparente (generalmente in plastica), che è in leggera pendenza. Il condensato (che è acqua pura) scorre sulla superficie interna della copertura e viene raccolto sul bordo.
Sistemi a concentrazione. - Se i collettori piani sono sufficienti per la produzione di acqua o aria calda per molti usi, quando si richiedono temperature più elevate si deve ricorrere a sistemi che concentrano la luce solare mediante lenti o (più spesso) specchi curvi. Vi sono tre principali tipi di sistemi a concentrazione (fig. 3): i collettori parabolici lineari, i collettori a disco e i campi specchio a torre centrale.
I collettori parabolici lineari sono costituiti da uno specchio cilindrico a sezione parabolica, orientato verso il Sole, che concentra la luce solare lungo una linea focale. Su questa linea è disposto l'assorbitore, consistente in un tubo esternamente nero in cui scorre il liquido refrigerante (acqua sotto pressione od olio diatermico). Il sistema specchio-tubo ruota intorno a un asse per seguire lo spostamento giornaliero del Sole. I fluidi caldi provenienti dai vari collettori parabolici sono trasportati mediante tubazioni al punto di utilizzo e rinviati ai collettori dopo aver ceduto il calore. Nel caso oggi più diffuso, il fluido è un olio diatermico, che viene scaldato dalla radiazione solare a temperature superiori a 300°C (in impianti recenti fino a 390°C) e inviato a uno scambiatore di calore dove produce vapor d'acqua, a sua volta inviato a una turbina per la generazione di elettricità. Per prolungare l'utilizzo dell'impianto oltre le ore d'insolazione, in alcuni casi si ricorre a un serbatoio di accumulo dell'olio ad alta temperatura, che viene poi gradualmente utilizzato nelle ore notturne per la produzione di elettricità; oppure si dispone una caldaia alimentata a gas naturale che completa la disponibilità dell'impianto, permettendo di usarlo sempre a piena potenza. Impianti di questo tipo per una potenza complessiva di oltre 300 MW elettrici sono stati realizzati negli Stati Uniti in California; utilizzando la legislazione favorevole di quello stato, l'elettricità prodotta ha potuto essere immessa sul mercato in condizioni concorrenziali. È questo oggi il contributo più importante dell'e.s. alla produzione di elettricità. Altre possibili applicazioni dei sistemi a collettore lineare sono la produzione di vapore per utilizzi industriali, la refrigerazione (mediante sistemi ad assorbimento), il pompaggio e la dissalazione dell'acqua. Un sistema di pompaggio da 45 kW basato su questi principi era già stato realizzato in Egitto nel 1912.
I collettori a disco sono costituiti da uno specchio a forma di paraboloide che concentra la radiazione solare in un punto, dove è situato l'assorbitore. Il collettore deve seguire il percorso del Sole, ruotando intorno a due assi con un movimento di precisione comandato da un microcalcolatore. La grande concentrazione ottenibile (tipicamente tra 600 e 2000) permette di raggiungere temperature molto elevate, fino a 1500°C. Nonostante queste caratteristiche avanzate, le applicazioni sono state finora molto modeste.
I campi specchio a torre centrale sono costituiti da una serie di eliostati, cioè di specchi che seguono il movimento del Sole, e che riflettono i raggi solari concentrandoli su un ricevitore montato su una torre. L'energia concentrata e così raccolta viene trasferita a un fluido circolante (acqua sotto pressione, sodio liquido, sali fusi, ecc.) utilizzato per produrre elettricità, normalmente attraverso la generazione di vapore che viene sfruttato per attivare una turbina. La temperatura raggiunta nel ricevitore è superiore a 500°C e può raggiungere anche i 1500°C. Impianti sperimentali di questo genere sono stati realizzati in varie località; il maggiore, da 10 MW elettrici (Solar One) è in California. Anche in Italia (che è stata a suo tempo all'avanguardia in questo campo) è stato realizzato un impianto da 1 MW ad Adrano, in Sicilia, oggi dismesso. Il sistema a torre centrale è in teoria il più conveniente per realizzare potenze elevate; tuttavia finora ha avuto applicazioni molto più modeste dei sistemi a concentrazione lineare. Possibili applicazioni sono state proposte per i sistemi a torre centrale anche al di fuori della generazione di elettricità, per il trattamento dei materiali, la chimica, la distruzione dei rifiuti tossici.
Lo stagno solare. - Una tecnologia alternativa per raccogliere, immagazzinare e sfruttare l'energia solare, sviluppata soprattutto in Israele, è quella dello stagno solare. È stato osservato che, mentre in uno stagno d'acqua, dolce o salata che sia, l'acqua calda tende a salire verso l'alto e quindi il calore a disperdersi verso l'atmosfera, è possibile invece realizzare stagni di acqua fortemente salata in cui il contenuto di sale è molto maggiore negli strati bassi che in quelli alti, e nei quali il calore tende a raccogliersi sul fondo invece che a salire verso la superficie. Si ha insomma una situazione di stabilità dovuta al fatto che all'aumentare della temperatura aumenta la solubilità del sale nell'acqua. È possibile raggiungere una situazione di questo genere aggiungendo gradualmente acqua sempre meno salata. La radiazione solare viene assorbita dal fondo dello stagno che è ricoperto di uno strato scuro che si scalda; il calore viene in tal modo immagazzinato sul fondo e può essere sfruttato. Per essere economicamente conveniente, uno stagno solare richiede la disponibilità di opportune condizioni naturali, tra cui la presenza di sale a bassissimo costo e la possibilità di utilizzare quantità notevoli di acqua. In Israele, sfruttando le acque del Mar Morto molto ricche di sale, è stato realizzato all'inizio degli anni Ottanta uno stagno solare di 20 ha che produceva 5 MW di elettricità (l'impianto è stato fermato nel 1989). Oltre alla produzione di elettricità, lo stagno solare si può prestare anche alla dissalazione solare dell'acqua e al riscaldamento ambientale.
L'edilizia solare ''passiva''. - Nel passato, per creare condizioni ambientali confortevoli all'interno degli edifici, le forme tradizionali di edilizia (adottate anche da celebri architetti) utilizzavano sia il calore solare, sia altre forme di energie rinnovabili (come il vento) e in generale il microclima esistente. Il progetto delle costruzioni e del loro ambiente esterno, la scelta dei materiali da impiegare, l'orientamento tenevano conto di questa necessità. Queste tradizioni si sono in gran parte perse con l'avvento dell'era dell'energia a basso costo, demandando il conforto interno a sistemi di riscaldamento e di condizionamento dell'aria basati sull'impiego di elettricità e di combustibili. Il recupero dei vecchi sistemi, rivisti nell'ambito delle moderne conoscenze scientifiche e tecniche, ha portato attualmente alla cosiddetta architettura solare (che si dice passiva quando non usa, o usa assai limitatamente, sistemi meccanici e invece impiega metodi insiti nel tipo di edificio che viene progettato) e più in generale all'architettura bioclimatica, basata su particolari tecniche di riscaldamento solare.
Le tecniche di riscaldamento solare comprendono: il guadagno diretto, per cui attraverso finestre o aperture vetrate si fa entrare la luce solare direttamente nella zona che si vuole riscaldare; la serra, in cui la radiazione solare scalda uno spazio appositamente orientato verso il Sole (nelle nostre regioni verso sud) e chiuso da pareti trasparenti dal quale l'aria calda viene incanalata verso le zone d'interesse a seconda delle necessità; il guadagno indiretto, realizzato (è il caso del muro di Trombe) da una parete in muratura, dipinta di scuro, cui fa riscontro verso l'esterno, a piccola distanza, una superficie vetrata: l'aria compresa nell'intercapedine si scalda fortemente e può essere fatta circolare all'interno attraverso feritoie praticate nella muratura; alternativamente, il calore può essere trasmesso in ritardo attraverso il muro, oppure il muro stesso può essere sostituito da contenitori riempiti d'acqua. Queste tecniche si utilizzano in congiunzione con pareti spesse, che aumentano l'isolamento e anche l'inerzia termica dell'edificio, rendendo la temperatura interna meno variabile col tempo; in alcuni casi sono stati realizzati edifici parzialmente interrati, per utilizzare la coibentazione e l'accumulo di calore forniti dal terreno.
Gli stessi sistemi d'isolamento e di aumento dell'inerzia termica vengono seguiti anche per assicurare condizioni di migliore difesa dalle temperature troppo elevate nei climi caldi. In questi climi s'impiegano sistemi inversi di raffrescamento passivo, basati sulla circolazione naturale di aria fresca, sulla refrigerazione per evaporazione di acqua, sull'utilizzo di colori chiari sulle facciate e sul tetto, sulla presenza di vegetazione all'esterno degli edifici, ecc.
Infine, appartiene a questa tendenza anche l'utilizzo dell'illuminazione naturale a preferenza di quella artificiale, sfruttando un'opportuna forma dell'edificio, la presenza di finestre e di altre superfici trasparenti (tra cui i nuovi isolanti trasparenti), la creazione di ''pozzi di luce'' e anche il trasporto di luce solare attraverso l'edificio mediante tubi di luce o fibre ottiche.
Aspetti economici e di mercato. - L'impiego dell'e.s. è ancora relativamente poco diffuso. Alla fine del 1994 si stimava che vi fossero al mondo circa 30 milioni di m2 di collettori solari (dei quali 4,5 milioni negli Stati Uniti, 5 in Giappone, 2,3 in Turchia, 1,5 in Australia). La potenza elettrica generata da e.s. è inferiore a 500 MW. Gli altri utilizzi sono quantitativamente trascurabili. Difficile è dare una stima del contributo dell'edilizia solare passiva, dato il permanere di filoni tradizionali: ma sicuramente si può affermare che quella realizzata coscientemente con metodi moderni è ancora molto scarsa.
Alcune tecnologie e applicazioni solari sono già economicamente convenienti, mentre altre attendono ancora sviluppi tecnologici che ne riducano i costi e migliorino le prestazioni. Molto spesso gli ostacoli alla penetrazione di mercato delle tecnologie solari più mature (come gli scaldaacqua solari) sono di natura non solo economica, ma anche normativa, organizzativa e di altro genere. Dove le condizioni sono favorevoli (per es. in Israele, Turchia, Cipro, Australia) la diffusione è avvenuta anche in modo spontaneo. Tra i non semplici problemi legali citiamo il ''diritto al Sole'', che dev'essere opportunamente tutelato, e il riconoscimento del carattere di ''pubblica utilità'' degli impianti solari, oggi introdotto nella legge italiana.
Politiche d'incentivazione, mediante contributi a fondo perduto in conto capitale, prestiti a interesse nominale o sgravi fiscali, sono state introdotte in vari paesi, tra i quali l'Italia, per favorire e accelerare la diffusione degli impianti solari. Tuttavia queste iniziative si dimostrano in genere efficaci per il periodo nel quale sono applicate, ma se le condizioni complessive non sono mature, esse non sono capaci di stimolare lo sviluppo di un mercato spontaneo, cosicché quando terminano gli incentivi la situazione torna a essere quella originaria se non peggiore; inoltre politiche d'incentivazione spinta (come quella introdotta negli Stati Uniti nel periodo della presidenza di J. Carter) favoriscono l'introduzione di tecnologie non efficienti e scoraggiano i nuovi sviluppi. Molto più efficace sarebbe una politica dei prezzi relativa a tutte le fonti energetiche che tenesse conto dei costi e dei vantaggi indiretti, come la protezione dell'ambiente e del clima globale, l'influenza sull'occupazione e sulla bilancia dei pagamenti, la sicurezza degli approvvigionamenti a lungo termine. Una politica di questo genere favorirebbe per confronto l'e.s. e in generale le fonti energetiche rinnovabili. Vedi tav. f.t.
Bibl.: OECD-IEA, Renewable sources of energy, Parigi 1987; L.A. Kristoferson, V. Bokalders, Renewable energy technologies. Their applications in developing countries, Londra 1991; UNSEGED (United Nations Solar Energy Group for Environment and Development), Solar energy: a strategy in support of environment and development, New York 1992; Renewable energy: sources for fuels and electricity, a cura di T.B. Johansson, H. Kelly, A.K.N. Reddy e R.H. Williams, Washington 1993; UNESCO, World solar summit, Parigi 1993.