In regioni ad alta insolazione (potenza media annua superiore a 300 W/m²), lo sfruttamento della fonte solare consente di ottenere annualmente, da un metro quadrato di superficie di raccolta, un’energia termica equivalente a quella derivante dalla combustione di un barile di petrolio, evitando inoltre l’emissione in atmosfera di circa 500 kg di CO₂.

Per ovviare alla variabilità della sorgente solare, il calore può essere accumulato durante il giorno, rendendo il sistema più flessibile e rispondente alle esigenze dei processi produttivi. In alternativa si può ricorrere all’integrazione con combustibili fossili o rinnovabili quali olio, gas naturale e biomasse.

Gli impianti solari possono utilizzare diverse tecnologie per la concentrazione della radiazione solare; in ogni caso è possibile identificare in essi le seguenti fasi del processo:

• raccolta e concentrazione della radiazione solare;
• conversione della radiazione solare in energia termica;
• trasporto ed eventuale accumulo dell’energia termica;
• utilizzo dell’energia termica.

I sistemi a concentrazione possono essere di tipo lineare o puntuale. I sistemi a concentrazione lineare sono più semplici ma, a causa della minore concentrazione della radiazione, raggiungono temperature di funzionamento più basse e quindi minori rendimenti.

In relazione alla geometria e alla disposizione del concentratore rispetto al ricevitore, si possono distinguere tre principali tipologie di impianto: il collettore a disco parabolico, il sistema a torre centrale e il collettore parabolico lineare.

Il principio di funzionamento è analogo a quello del sistema a disco parabolico, con il concentratore costituito però da un elevato numero di eliostati, a formare una superficie di raccolta anche di centinaia di migliaia di metri quadrati. I raggi solari che colpiscono ciascun eliostato vengono riflessi su un punto unico, fisso nel tempo, che funge da punto focale. L’altezza, rispetto al suolo, del punto focale cresce all’aumentare dell’estensione del campo solare e può superare il centinaio di metri. Gli eliostati sono dislocati in modo da circondare completamente la torre oppure sono posti ad emiciclo verso nord; sono distanziati per evitare fenomeni di ombreggiamento e la loro distanza aumenta allontanandosi dalla torre. Sono state studiate diverse tipologie di eliostati per migliorare l’efficienza ottica e il controllo dei sistemi d’inseguimento del sole, nonché per ottimizzare la struttura di supporto rendendola più semplice e leggera. Ciò al fine di aumentare il rendimento dell’impianto e ridurne i costi. La superficie captante di ciascun eliostato varia da circa 40 a 170 m²; come materiale riflettente si utilizza normalmente lo specchio di vetro, ma sono stati sperimentati anche materiali alternativi quali membrane riflettenti o fogli metallici.

In questo tipo di impianti il fluido termovettore può raggiungere alte temperature di esercizio (maggiori di 500°C), con conseguenti alti rendimenti di trasformazione del calore in energia elettrica. In genere la trasformazione avviene sfruttando il calore in un tradizionale ciclo termodinamico acqua-vapore. Le caratteristiche del vapore prodotto (temperatura e pressione) consentono anche di integrare i sistemi a torre negli impianti termoelettrici a combustibili fossili. Inoltre questi impianti a concentrazione hanno la possibilità di alimentare un sistema d’accumulo termico per coprire in modo più soddisfacente la domanda di energia dall’utenza.

Il dimensionamento dell’impianto solare (numero degli eliostati, potenza termica del ricevitore e capacità dell’accumulo termico) dipende dalla potenza elettrica dell’impianto di generazione e dal suo fattore di utilizzazione annua o fattore di carico. Quest’ultimo rappresenta il rapporto tra l’energia elettrica prodotta e quella producibile annualmente se l’impianto lavorasse sempre alla potenza elettrica nominale. Senza un sistema d’accumulo termico, l’impianto di generazione può operare solamente in presenza della radiazione solare e avere al massimo un fattore di carico di circa il 25%. Per ottenere valori superiori è necessario ricorrere all’accumulo termico; in questo caso il funzionamento dell’impianto può anche essere continuativo in tutto l’arco della giornata.

La radiazione solare viene focalizzata su un tubo ricevitore posizionato lungo il fuoco del concentratore parabolico. L’energia assorbita dal tubo ricevitore è trasferita a un fluido di lavoro che viene fatto fluire al suo interno. Il calore raccolto è utilizzato normalmente per la produzione di energia elettrica mediante i tradizionali cicli termodinamici acqua-vapore.

Nel collettore la temperatura massima di funzionamento dipende essenzialmente dal fluido termovettore utilizzato; negli impianti attualmente in esercizio si arriva a una temperatura massima di circa 390°C. Affinché il fluido termovettore possa raggiungere la temperatura massima di esercizio, vengono collegati in serie più collettori, disposti in genere su due file parallele, formando una stringa che rappresenta il modulo unitario dell’impianto. Le file di collettori devono essere distanziate per evitare fenomeni di ombreggiamento reciproco.

L’efficienza di questa tecnologia dipende dal rendimento ottico del concentratore (accuratezza della struttura e caratteristiche dei pannelli riflettenti) ma soprattutto dal rendimento di conversione del tubo ricevitore, che deve assorbire la massima energia solare concentrata e avere le minime dispersioni termiche.

Il fluido termovettore pompato attraverso le stringhe di collettori si scalda, per effetto della radiazione solare, raggiungendo in uscita la massima temperatura di funzionamento. Il calore così acquisito viene utilizzato successivamente in un ciclo Rankine (a vapore) per la produzione di energia elettrica.

Nell’impianto può essere presente una caldaia ausiliaria d’integrazione alimentata a combustibili fossili, in grado di fornire vapore anche in assenza della radiazione solare e di rendere così la produzione elettrica più rispondente alla domanda da parte dell’utenza. Una soluzione alternativa alla caldaia d’integrazione è un sistema d’accumulo che consenta di immagazzinare il calore solare per renderlo disponibile quando necessario.

Gli impianti attualmente in esercizio utilizzano come fluido termovettore, per l’asportazione del calore solare, un olio sintetico (Therminol VP-1), che però ha un elevato costo e, presentando anche rischi di impatto ambientale in caso di fuoriuscita, non è idoneo per l’utilizzo in un sistema d’accumulo termico. Per questo è sempre presente in essi una caldaia d’integrazione a metano.

Un’evoluzione del collettore parabolico lineare, ancora in fase di sperimentazione, è il collettore lineare Fresnel, dove il concentratore è sostituito da segmenti di specchi parabolici disposti secondo il principio della lente Fresnel. In questo caso il tubo ricevitore è posizionato nel punto focale ed è fisso; quindi, a differenza del collettore parabolico lineare, la movimentazione riguarda solo il concentratore. Ciò rappresenta un vantaggio in quanto, per far circolare il fluido termovettore, si evita l’utilizzo di tubi flessibili nel collegamento tra i singoli collettori e tra questi e le tubazioni della rete di distribuzione. Inoltre, non essendo presente l’effetto ombra tra concentratori vicini, non è necessario distanziare le file di collettori e quindi si ha un miglior sfruttamento della radiazione che arriva sul terreno. Normalmente questo tipo di impianti utilizza l’acqua come fluido termovettore, con produzione diretta di vapore all’interno del tubo ricevitore.

Nell’ultimo decennio l’attività di ricerca e sviluppo tecnologico nel settore è stata svolta principalmente in Germania (DLR e ZSW), Svizzera (PSI), Francia (CNRS), Australia (Università di Sidney), Belgio (Solarmundo) e Spagna (Ciemat e Plataforma Solar de Almeria o PSA). Attualmente buona parte delle attività sperimentali sono condotte presso la PSA, gestita dal Ministero dell’industria spagnolo in cooperazione con il centro tedesco DLR. Le linee di sperimentazione abbracciano tutte le tecnologie degli impianti a concentrazione.

Sistemi con collettore a disco parabolico

In ogni caso la sua modularità, la facilità di installazione e il basso impatto ambientale potrebbero anche farla affermare in applicazioni per potenze superiori, con impianti connessi alla rete elettrica.

Presso il centro di Almeria (Spagna) le attività di ricerca su tale tecnologia sono iniziate nel 1992 con la realizzazione di tre prototipi della potenza di circa 10 kWe (DISTAL I e II). Sono poi proseguite col progetto europeo EuroDish, il cui obiettivo è stato quello di studiare nuovi componenti per abbattere i costi di produzione e rendere il sistema più competitivo. Le attività di ricerca si sono principalmente rivolte all’ottica del concentratore, alla struttura di supporto, al sistema di controllo e inseguimento del sole e al miglioramento del rendimento del motore Stirling.

Il costo d’installazione di singoli prototipi inizialmente era intorno a 11.000 €/kWe e il progetto Euro-Dish si è proposto di abbatterlo fino a 5.000 €/kWe, per una produzione compresa tra 100 e 500 unità all’anno (potenza cumulativa tra 1 e 5 MWe l’anno). Sono stati realizzati due prototipi della potenza di 10 kWe e, sulla base dell’esperienza di esercizio cumulata, allo stato attuale l’obiettivo della riduzione dei costi è stato quasi raggiunto.

L’analisi ha inoltre evidenziato potenziali aree per un’ulteriore riduzione dei costi. Un recente studio sul mercato potenziale di questa tecnologia ha previsto nell’area del Mediterraneo la possibilità dell’installazione di una potenza cumulata di 550 MWe in aree a bassa o senza elettrificazione.