Energie rinnovabili - Energia solare termico

Energia solare termico - Applicazioni

Una delle principali e più diffuse applicazioni dei pannelli solari termici è la produzione di acqua calda per usi domestici (doccia, cucina, lavatrice...).

A questo scopo i collettori termici possono essere inseriti in due tipologie di impianti: sistemi a circolazione naturale e a circolazione forzata. Entrambi i sistemi, pur presentando sostanziali differenze dal punto di vista impiantistico, sono la soluzione ideale per coprire su base annua una percentuale del fabbisogno termico per usi domestici fino a punte del 70-80%, mentre nel periodo estivo la copertura è pressoché totale.

Pannelli solari termici a circolazione naturale

Come funzionano?

I collettori termici (A) hanno al loro interno dei tubi dentro ai quali scorre un liquido (acqua + antigelo) che quando è esposto al sole si scalda. Una centralina (B) misura la temperatura raggiunta dal liquido nel pannello e quella dell’acqua contenuta all’interno del serbatoio. Se il liquido nei pannelli è più caldo dell’acqua del serbatoio, la centralina fa partire una pompa (C) che spinge il liquido all’interno del circuito in modo da farlo passare attraverso una serpentina interna al serbatoio. Attraverso tale serpentina (D) avviene il passaggio del calore dal liquido all’acqua del serbatoio, che entra quindi nel circuito dell’acqua sanitaria della casa (E).
Inverno
D’inverno o in periodi di prolungato brutto tempo, si richiede più acqua di quella che il sistema può fornire. In questi casi interviene la caldaia (F) che, scaldando dell’acqua che passa in una seconda serpentina posizionata nella parte alta del serbatoio, fornisce il calore utile a raggiungere la temperatura desiderata. In ogni caso la caldaia interverrà meno e consumerà quindi meno gas o gasolio.
Estate
In estate l’impianto solare è sufficiente a garantire l’acqua sufficientemente calda per bagni, cucina e lavanderia.

I principali vantaggi di questi impianti sono i seguenti:

Alta efficienza grazie al serbatoio verticale (si evitano miscelazioni di acqua fredda e calda)

Posizionamento del serbatoio all’interno dell’abitazione (minimizzazione dell’impatto visivo del sistema)

Termico solare - Potenzialità

Possibilità di copertura del fabbisogno energetico annuo mediante collettore solare termico
Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno quindi considerati capaci di fornire direttamente solo parte dell'energia necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale.
La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo: a Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore non supera il 65%.

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.

Le tre diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria che possono conseguire vantaggi di tipo economico ed ambientale, conseguentemente all’implementazione di un sistema solare termico sono :

sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas

integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare

integrazione del sistema elettrico con impianto solare (per impossibilità di sostituzione con sistema gas).

Riscaldamento solare termico - Vantaggi ambientali

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.



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.

Confronto emissione CO2

Un altro indicatore dell’impatto ambientale può essere ritenuto 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 (elettrici) /giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,57 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:

0,57 kg CO² / kWh (elettrico) .7,74 kWh (elettrici) /giorno = 4,4 kg CO²/giorno

Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente 4,4 kg CO² (con una media pro capite di 1,100 kgCO²/giorno).

Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,2 kg CO² per ogni kWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:

0,2 kg CO² . 6.97 kWh (termici) = 1,39 kg CO² /giorno con una media procapite di 0,349 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 Roma, il 60% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente 0,56 kg CO², con una media procapite di 0,139 kgCO²/ giorno.

La figura seguente riepiloga le emissioni di anidride carbonica generate nei diversi casi analizzati.