Le tecnologie per utilizzare l'energia solare e produrre calore a bassa temperatura usano pannelli solari termici i quali scaldano un liquido allo scopo di trasferire il calore per produrre acqua calda o scaldare gli ambienti. Il sistema solare per scaldare l'acqua consiste essenzialmente del pannello solare o collettore solare piano, serbatoio termicamente isolato, destinato all'accumulo dell'acqua calda, circuito di collegamento di questi due componenti e dei relativi sistemi di regolazione e controllo. La circolazione dell'acqua tra il collettore e il serbatoio può avvenire per effetto dell'azione di una pompa ( sistemi attivi ) o per circolazione naturale, sfruttando le differenze di temperatura del circuito ( sistemi passivi ).
I singoli componenti e il sistema nel suo insieme sono più o meno sofisticati dal punto di vista tecnologico con rendimenti che attualmente toccano circa l’80%. Con i collettori piani senza concentrazione la temperatura massima raggiungibile si aggira intorno ai 90 °C e sarà di poco superiore nel caso la base assorbente sia stata trattata con speciali vernici in modo da ottenere una superficie selettiva.
Il rendimento dei pannelli solari è aumentato del 30% nell'ultimo decennio, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente mature e competitive. Nel mondo sono installati oltre 36 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui 9.000.000 nell'Unione europea.
La vita di uno scaldacqua solare in commercio si può indicare in circa 20 anni, con costi di manutenzione annuali dell'ordine del 0,5% del costo iniziale dell'impianto.
I sistemi solari per scaldare l'acqua sono in genere utilizzati per gli usi domestici di singole famiglie (servono sia acqua calda sanitaria che acqua calda per lavatrice e lavastoviglie). Si tratta di impianti di 4-6 mq, con serbatoio di 150-300 litri, che consentono di produrre acqua calda a temperature relativamente elevate (70 °C). L'energia prodotta nelle 24 ore è dell'ordine di 3 kWh per mq di superficie di collettore, rispettivamente in inverno e in estate con cielo sereno.
Vantaggi
I pannelli solari termici permettono di riscaldare l'acqua sanitaria per l'uso quotidiano senza utilizzare gas o elettricità. Sono pertanto un sostituto dello scaldabagno elettrico e della caldaia a gas per ottenere acqua calda per lavare piatti, fare la doccia, il bagno, ecc.
E' altresì indubbio un vantaggio economico nell'abbattimento della spesa in bolletta. In Svizzera l'insolazione media è di 1200 kWh/mq ogni anno. Ipotizzando un rendimento medio dei pannelli solari termici (78%), con 150.000 metri quadri di pannelli solari installati in una qualsiasi zona svizzera le famiglie risparmierebbero in bolletta circa 7,5 milioni di metri cubi di metano in meno per il riscaldamento dell'acqua sanitaria tramite la caldaia a gas o circa 75 GWh di energia elettrica altrimenti utilizzata dagli scaldabagno elettrici.
Le domande più frequenti
Le principali domande o dubbi sono basate sulla presenza o meno del sole del genere "quando piove" "quando è nuvoloso" "di notte". In realtà la moderna tecnologia ha superato da tempo questi handicap di qualche anno fa. Non si spiegherebbe altrimenti perché molti paesi europei con un livello di insolazione inferiore alla Svizzera hanno già investito nei pannelli solari termici.
E' il caso della Germania, dei Paesi Scandinavi e dell'Austria in cui la superficie occupata dai pannelli solari termici è molto più grande di quella occupata attualmente dagli impianti italiani e spagnoli messi insieme. Un altro paese europeo molto avanti nell'utilizzo dei pannelli solari termici è la Grecia che da sola equivale ai Paesi Scandinavi.
I pannelli solari sono diventati una realtà di tutti i giorni. La crescita del mercato europeo del solare sta contribuendo a un rapido abbattimento dei prezzi d'acquisto ciò per la spinta della concorrenza tra imprese produttrici. Dal lato tecnologico i rendimenti d'uso dei pannelli sono fortemente migliorati rispetto al passato per effetto dei crescenti investimenti dei produttori nella ricerca e nei materiali innovativi.
Iniziative Pubbliche e Contributi
Installare i pannelli solari termici è infine una scelta privata. Ogni proprietario di un'immobile può valutare l'installazione dei collettori solari e farsi quattro calcoli sul vantaggio economico che ne conseguirà. Questa è una scelta privata che sgrava lo Stato dalla dipendenza energetica e riduce l'importazione di gas o di petrolio. L'uso dei pannelli solari termici riduce anche le spese pubbliche sanitarie o ambientali per riparare i danni provocati l'inquinamento. E' pertanto razionale che lo Stato incentivi l'acquisto dei pannelli solari con contributi di sostegno e/o defiscalizzazioni sulla spesa privata.
Paragone tra diverse tipologie di impianti per la produzione di acqua calda
In ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua calda sanitaria, con l'uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza presente nello scaldabagno, risulta un processo costoso dai punti di vista energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di acqua calda con caldaie a gas. L'introduzione aggiuntiva di un collettore solare termico, che sostituisca parte della produzione di calore, comporta benefici ancora maggiori. Di seguito vengono analizzati brevemente gli effetti energetici, economici ed ambientali che l'introduzione di tre diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria possono conseguire, in relazione all'introduzione di un sistema solare termico attivo, in particolare si analizzeranno le seguenti possibili soluzioni:
a) sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas
b) integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare
c) integrazione del sistema elettrico con impianto solare ( per impossibilità di sostituzione con sistema gas ).
Il primo caso interessa molte utenze domestiche e pubbliche, di piccola taglia, che non hanno ancora affrontato la questione potrebbero essere incentivate, per una sostituzione dello scaldabagno elettrico. Nel secondo caso l'integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare, prevede un costo di integrazione ridotto al minimo; si tratta di fatto di utenze che hanno già scelto il gas e potrebbero, con sistemi solari termici, risparmiare più del 50% annuo di gas combusto. Il terzo caso è relativo a realtà in cui il sistema di riscaldamento non può che essere elettrico, ragioni urbanistiche, scelte dell'utente, per particolari utilizzi, ecc..
Per le tre soluzioni impiantistiche verrà eseguito, a scopo indicativo, un bilancio energetico ed ambientale (in termini di emissioni di CO² evitate).
Analisi Energetica: calcolo dell'energia pro capite necessaria
In media, in Europa, si consumano circa 50 litri al giorno di acqua calda sanitaria pro capite, alla temperatura di 42°C. Ipotizzando una temperatura dell'acqua proveniente dall'acquedotto pari a 12 °C si può calcolare il quantitativo pro capite Q, di energia termica necessaria:
Q = G . cs . (Tu - Ta ) = 50 l 1 kcal/l °C . 30 °C = 1500 kcal
Avendo indicato con:
G, massa d'acqua da scaldare (l)
cs, calore specifico dell'acqua (kcal/l)
Tu, temperatura di utilizzo, pari a 42°C
Ta, temperatura acqua dell'acquedotto (°C).
Caso di Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico
In questo caso, l'utilizzo di energia termica per produrre acqua sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre energia elettrica (tipicamente, in centrali idroelettriche o termoelettriche). L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica per effetto Joule per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno elettrico 1500 kcal (1,7 kWh termici) sono necessari circa 1,94 kWh elettrici, avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%. Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza, quindi, 7,74 kWh elettrici al giorno per la produzione di acqua calda sanitaria. Ma è da considerare che, per la produzione di ogni kWh elettrico, vengono consumati dal parco di centrali elettriche, circa 2,54 kWh, sotto forma di energia primaria.
Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria in energia elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua calda necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite sono necessarie 2,54 . 1,94 = 4,93 kWh primari equivalenti a 4.240 kcal. In tal modo solo il 35% dell'energia primaria consumata viene effettivamente utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone, si arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh (termici).
Caso di produzione di acqua calda con caldaia a gas
Una caldaia a gas ha ovviamente una resa energetica diretta più alta, perché evita la conversione più energivora (e più exergivora), che consiste nel passaggio energia termica -> energia elettrica. Per questo la resa globale si aggira sull'80÷85%. La produzione di calore e il conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta del metano. Nel caso peggiore di rendimento del 80%, per produrre 1500 kcal sono quindi necessarie in un giorno 1875 kcal (ossia 2,18 kWh). Nel caso di una famiglia di quattro persone si arriva a 7500 kcal/giorno.
Confronto di consumi energetici tra i casi esaminati
La figura seguente mostra il risultato del confronto tra il fabbisogno energetico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico, con una caldaia a gas, un sistema caldaia gas/collettore solare termico ed un sistema scaldabagno elettrico/collettore solare termico, ferme restando le ipotesi sopra enunciate ed il quantitativo procapite di acqua necessaria.
Si osserva allora che, nel passaggio dalla soluzione con scaldabagno elettrico a quella con caldaia a gas integrata da collettori solari, il consumo energetico procapite passa da 4,93 a 0,87 kWh. E' il caso più interessante, dunque, che porta ad una riduzione dell'82% del consumo energetico, a parità di servizio reso.
Nel confronto tra il sistema basato sull'integrazione di collettore solare con una caldaia a gas e la caldaia stessa, si nota come il consumo passi da 2,18 kWh, per il caso della sola caldaia, a 0,87 kWh, per il sistema integrato. Nel passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno integrato da collettori solari, il consumo energetico scende da 4,93 a 1,97 kWh.
Costi
Nel caso dei collettori solari il costo al metro quadro è, in realtà poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla quantità di acqua calda prodotta in un anno. Una famiglia di 4 persone che consuma 50÷60 litri di acqua calda a persona ogni giorno, per un totale di 80÷100 mila litri annui spende circa 550 CHF per riscaldare l'acqua con energia elettrica e 330 CHF se la scalda con caldaia a metano. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo è di circa 250 CHF.
La spesa per l'acquisto di un sistema termico solare è di circa 1.200 CHF per cui l'impianto è ammortizzabile in soli 3,5 anni.
Vantaggi Ambientali
Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria. Nel corso dell'analisi energetica, si è stimato che il fabbisogno di energia elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,74 kWh/giorno. In Europa per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,531 kg di anidride carbonica (CO²), uno dei principali gas responsabili dell'effetto serra. Pertanto, lo scaldabagno in esame è indirettamente responsabile dell'immissione nell'atmosfera di:
0,531 kg CO² / kWh (elettrico) .7,74 kWh (elettrici) /giorno = 4,1 kg CO²/giorno
Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente 4,5 kg CO² (con una media procapite di 1,025 kgCO²/giorno).
Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO² per ogni kWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:
0,25 kg CO² . 6.97 kWh (termici) = 1,74 kg CO² /giorno
con una media procapite di 0,435 kgCO²/ giorno.
Nel caso di impianti ibridi solare /gas, ossia impianti solari posti ad integrazione della caldaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante tutto l'arco dell'anno, è possibile risparmiare, a Lugano, il 50% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente 0,69 kg CO², con una media procapite di 0,174 kgCO²/ giorno.
