Gli specchi di Archimede. Alessandro Grimaldi

che diresse verso le navi ancorate, distruggendole”
(Zonaras, Epitome 14.3).

Lo storico bizantino Zonaras narra, che, durante l’assedio di Siracusa nel 213 a.C., Archimede, distrusse la flotta romana del generale Marcello con l’ausilio dell’energia del sole¹. Per mezzo di uno specchio concavo formato da centinaia di scudi metallici che riflettevano i raggi del sole, Archimede concentrò l’energia solare sulle navi nemiche incendiandole. Plutarco aggiunge che i Romani, spaventati dal fuoco che non veniva da una fonte visibile, credettero di stare lottando contro gli Dei².

Questi avvenimenti affondano le radici più nel mito che nella scienza; ai tempi di Archimede l’ottica³ e la tecnologia non permettevano ancora di produrre effetti devastanti come quelli descritti e ma erano in grado, per esempio, di arrecare gravi danni all’equipaggio. Essi testimoniano però la suggestione che l’energia solare e la sua collimazione incutevano fin dai tempi antichi e la consapevolezza del potenziale energetico derivante dalla concentrazione dei raggi solari.

Analogamente alle suggestioni di Archimede, la moderna energetica solare-termica sfrutta la collimazione, per mezzo di specchi idonei, della radiazione solare per la produzione di energia. I raggi vengono orientati in modo da aumentare l’energia interna e quindi la temperatura di un mezzo fluido; il calore così generato, può essere usato in un ciclo di potenza, ad esempio tramite turbine a gas o a vapore, per produrre energia elettrica. Il calore è ceduto al ciclo (formando vapore) da un processo di scambio di calore tra due mezzi, anziché generato direttamente dalla combustione come nelle centrali da combustibili fossili.

Il calore raccolto durante il giorno, viene stoccato negli appositi accumulatori in materiale ceramico, con miscele di sali a cambiamento di fase, sali fusi, ma anche, nei primi impianti, oli diatermici e pietre. In questo modo il calore può essere estratto per azionare le turbine anche nelle ore di non irraggiamento o semplicemente accumulato per ridurre il transitorio termico per portare a regime l’impianto il giorno successivo. L’efficienza dello stoccaggio può essere incrementata sfruttando le tecnologie sviluppate per ridurre gli scambi di calore per di liquidi criogenici.

Le dimensioni dell’impianto, e di conseguenza i costi, sono inoltre minori rispetto agli impianti a combustibili fossili, giacchè il serbatoio deve avere una capacità necessaria a sopperire le variazioni giorno/notte o le variazioni meteorologiche giornaliere, mentre negli impianti convenzionali la capacità deve essere tale da garantire il funzionamento dell’impianto tra due cicli di riempimento di combustibile (mesi).

Schematicamente i principali elementi che caratterizzano una centrale solare termica sono:
- il sistema collettore-ricevitore/concentratore;
- il sistema per il trasporto di calore;
- il sistema per lo stoccaggio;
- il sistema per la trasformazione dell’energia, (mutuato dalle centrali tradizionali).

Il “collettore-concentratore”, è un dispositivo che raccoglie e convoglia la radiazione solare verso un ricevitore ed è il componente principale dell’impianto. In relazione alla geometria e alla disposizione del concentratore rispetto al ricevitore si distingue in: I) parabolico lineare a disco, II) a torre centrale, III) parabolico lineare:

I) Il sistema consiste in un disco parabolico che riscalda il fluido vettore posto nel punto focale del riflettore. E’ una tecnologia per impianti di piccole dimensioni e relativamente costosa, adatta per i bisogni energetici di piccole comunità remote o decentrate. Si raggiungono temperature del fluido vettore elevate (> 1000°C) che consentono il suo possibile utilizzo in impianti per la produzione di idrogeno, dalla dissociazione dell’acqua. In prospettiva, questo è il principale interesse verso questa tecnologia: in ambito europeo dal 2002 l’hydrogen economy e’ diventata uno dei pilastri della politica energetica sostenibile dell’UE⁴ riconoscendo l’unicità dell’idrogeno sia come combustibile pulito che come vettore energetico ad alta efficienza. Attualmente l’apporto di energia esterno necessario per la produzione di idrogeno e’ il punto debole della tecnologia. L’uso di combustibili fossili propone i problemi di emissione di CO₂, mentre la via elettrolitica necessita 1.5 volte l’energia che si ottiene dalla sua combustione. Insieme alla produzione da biomasse, il solare termico a concentrazione può rappresentare la tecnologia più pulita e vantaggiosa economicamente per la produzione di H_2.

II) Il sistema si basa su una griglia a forma circolare di specchi a inseguimento solare (eliostati), che concentrano la radiazione su un ricevitore centrale posto in cima ad una torre, dove avviene il trasferimento di calore al fluido vettore. Questa tecnologia si adatta per centrali ad alta potenza da 200MW, ed è compatibile con ambienti urbani, ad esempio posti sul tetto di grossi edifici o estese aree di parcheggio.

III) Il sistema parabolico lineare (SEGS) è attualmente la tecnologia solare termica più matura. I collettori parabolici concentrano la radiazione su ricevitori tubolari posti sopra di essi, dove un fluido è riscaldato a circa 400°C dal trasferimento termico e usato per produrre vapore surriscaldato.
Impianti a concentratori parabolici lineari hanno dimostrato la loro convenienza commerciale, è stato ipotizzato, a seguito di un aggressivo piano di ricerca e sviluppo, una diminuzione del costo dell’elettricità prodotta dagli attuali 0.104$/KWh a 0.04 $/KWh.

b)

Figura 3 Concentratore parabolico lineare (SEGS), a), centrale SEGS nel deserto del Mojave, Nevada, US, part. b)

SVILUPPO DEL SOLARE TERMICO

Lo sviluppo delle moderne tecnologie a concentrazione ha avuto inizio al pari di altri sistemi per lo sfruttamento di energie rinnovabili, nella prima metà degli anni ’70 a seguito della crisi petrolifera del 1973. Un’iniziativa dell’agenzia internazionale dell’energia (IEA) diede vita ad un programma di studio su larga scala per la produzione di energia elettrica solare per via termodinamica. Nacquero così in varie parti del mondo alcune piattaforme tecniche, che si sono evolute in seguito in basi di sperimentali sul solare termico e sulla fisica delle alte temperature, senza puntare ad uno sfruttamento su vasta scala.

In Europa le aree sperimentali “storiche” dedicata a questo settore di ricerca sono: la Plataforma solar de Almeria(Spagna), l’area sperimentale della DLR, Colonia, Germania; il forno solare, CNRS di Odeillo, Francia, il Paul Sherrer Institute di Villigen, Svizzera⁵. L’Italia, prima dei recente programmi di sviluppo, si era disimpegnata quasi totalmente dal settore, con l’eccezione di esperienze estemporanee come l’impianto Eurelios di Adrano, Sicilia, 1980-85, mantenendo durante gli anni ’90 solo un osservatorio tecnologico da parte dell’ENEL.

Agli inizi degli anni ’90 il “solare termico” costituiva una tecnologia ed un’industria in crescita. Nel 1990 era stata avviata la costruzione del nono impianto al mondo di tipo SEGS in California da parte della società israeliana Luz. La capacità installata in questo tipo di impianto era di 345 MW, ed il costo per KWh prodotto meno della metà del costo del 1984 che era ari a 0.24$⁶.

Un cambio nella politica di incentivazione alle energie rinnovabili ha poi determinato un arresto dello sviluppo di queste tecnologie. In particolare negli Stati Uniti, il Department of Energy (DOE) tagliò i fondi per questa fonte considerando la quota di ricerca nazionale (sviluppata presso i laboratori del National Renewable Energy, Sandia) troppo piccola rispetto alla controparte israeliana della Luz. La tecnologia SEGS, seppur promettente, era finanziariamente conveniente solo per rimpianti di 40-50MW di capacità, necessitava, inoltre, di un elevato investimento iniziale. A seguito quindi del nuovo assetto normativo questi impianti divennero economicamente poco convenienti, fino al fallimento della Luz.

Limiti della tecnologia attuale

La limitazione principale è dovuta alla variabilità di irraggiamento solare causata da: i) cause accidentali di breve durata (fenomeni nuvolosi casuali); ii) alternanza giorno-notte; iii) cattive condizioni atmosferiche; iv) variazioni stagionali dovuti al ciclo annuale. Queste variazioni richiedono uno stoccaggio di calore di qualche ora per i) e ii), qualche giorno a seconda delle località per iii), o sono difficili da compensare per iv).
Lo stoccaggio dell’energia per una produzione continua di elettricità indipendente dalle condizioni di irraggiamento assume, quindi, un’importanza rilevante per lo sviluppo della tecnologia. Lo stoccaggio sottoforma di calore, in cui un mezzo adatto solido o liquido isolato è mantenuto ad alta temperatura per un certo periodo, si è dimostrato più efficiente rispetto a quello chimico (in cui l’energia è conservata sotto forma di energia chimica, in seguito rilasciata per ossidazione). Lo stoccaggio termico è perfettamente reversibile, semplice, economico, ha un’efficienza del 99%, ed ha un basso impatto ambientale nei moderni impianti solari.

La complessa questione dell’inseguimento del sole è stata affrontata già da tempo, sono così attualmente disponibili dei sistemi di inseguimento solare in grado di ruotare gli specchi e garantire alto irraggiamento durante tutto il ciclo solare e ad elevate latitudini. Questi sistemi sono stati concepiti sfruttando l’ottica classica unita all’ottica senza immagini, disciplina che, nata negli anni ‘60 nel campo della fisica delle particelle, studia il trasferimento di una radiazione da una sorgente a un target. Lo sviluppo dei “concentratori non focalizzanti” ha permesso di progettare impianti compatti, più versatili ed efficienti, con un’efficienza di tre o quattro volte maggiore.
Importanti progressi sono stati compiuti inoltre grazie all’utilizzo di materiali innovativi, mutuati da altre applicazioni. Questi materiali con migliori proprietà funzionali (elevata riflettanza, inerzia, bassa densitá, refrattarietà, etc..) rispetto ai materiali convenzionali, hanno aumentato l‘efficienza del processo in tutti gli stadi di trasferimento energetico. Ad esempio, lo sviluppo di materiali isolanti innovativi ha permesso la progettazione di ricevitori operanti a temperature di 1000°C-2000°C. Una grossa spinta infine è stata fornita anche dai progressi ingegneristici per ottimizzare le varie geometrie d’impianto e l’efficienza dei suoi componenti.

Intensi studi sono condotti per sviluppare il “solare termico”, al fine di un suo sfruttamento commerciale. Sulla base del prezzo di mercato dell’ energia elettrica e della densità di energia termica (E_eff=5.89 GJm^-2 ) raccolta annualmente da un impianto solare, si stima che il costo annuale dell’impianto, comprensivo di ammortamenti, non debba superare i 30 $m^-2 (5.89 [GJm^-2 ]x 5 [$GJ^-1] ~30 [$m^-2]). Attualmente, i costi produttivi sono superiori e la loro diminuzione deve passare principalmente attraverso lo sviluppo del sistema collettore-ricevitore, del sistema di trasferimento di energia.

Prospettive positive di sviluppo del settore, sono state confermate in occasione della Global Conference on Solar Power tenutasi nell’Ottobre 2003. In particolare l’integrazione con gli impianti a ciclo combinato ed il loro sviluppo permetteranno costi di produzione di 7cent/$ per kWh e di 5 cent/$ a medio termine.
Il solare a concentrazione è presentato come una tecnologia globalmente pronta al decollo in grado di coprire il 5% della domanda mondiale di energia elettrica nel 2020. L’attuale potenza installata a livello mondiale è di circa 3500 MW, ma supererà 5000 entro il 2015; in seguito le previsioni parlano di un installato annuale di 4500 MW per superare i 20000 MW complessivi entro il 2020.

Progetti di scala commerciale sono stati avviati in paesi mediterranei ad alta insolazione come Grecia, Spagna, Algeria, Marocco, Egitto, Israele ed in nazioni che dispongono di ampie zone desertiche come USA, Messico, India ed Iran.
Negli Stati Uniti il DOE, nonostante queste positive previsioni sul futuro del solare termico a concentrazione, continua a mantenere la sua posizione ostile, sulla base delle conclusioni del National Research Council che, invece, boccia il solare termico anche a fronte di grossi investimenti.
E’ stato annunciata, tuttavia, anche senza l’appoggio del DOE, l’approvazione di un grande impianto solare termico nell’Eldorado Valley, Nevada, di 50 MW di potenza, da realizzarsi entro il 2005, realizzato dalla Solargenix Energy (già Duke Energy). La realizzazione è frutto della nuova politica energetica del Nevada, che prevede che le società elettriche operanti nel suo territorio debbano produrre una certa percentuale da fonti rinnovabili, percentuale che aumenta del 2% ogni 3 anni fino a raggiungere il 15% dell’energia totale venduta. Di questa quota la frazione di energia solare deve essere almeno del 5%.

Contesto italiano, la centrale di Priolo

L’Italia si è recentemente indirizzata strategicamente allo sviluppo del solare a concentrazione motivando questa scelta con la facilità di avvalersi di tecnologie già consolidate in Italia (come la generazione di elettricità con da centrali termoelettriche, l’utilizzo di reazioni industriali endotermiche) e con lo sfruttamento di una fonte rinnovabile di energia geograficamente favorevole nel Paese.

L’ENEA, congiuntamente con l’ENEL, ha, difatti, avviato il Progetto Archimede, relativo all’integrazione di un impianto termico solare presso la centrale ENEL di Priolo Gargallo in provincia di Siracusa (già recentemente convertita da centrale ad olio combustibile a centrale a gas a ciclo combinato). L’integrazione della parte solare nell’impianto convenzionale, porterà ad un incremento di circa 20 MW della potenza di impianto e la produzione raggiungerà i 65GWh/anno.
L’impianto sarà realizzato nell’arco di tre anni, il tutto a frutto di un investimento di 40 milioni di euro, coperti al 40% da finanziamenti statali, di cui 10 per la riconversione della centrale. Sono stimati 7/8 anni per il ritorno del capitale investito, avvalendosi in tale stima dell’ipotesi di utilizzare i certificati verdi per la vendita dell’energia prodotta.

In questo contesto l’ENEA ha puntato sulla tecnologia degli impianti parabolici lineari ricercando miglioramenti all’attuale tecnologia, seguiti tramite prototipi e simulazioni, Un impianto dimostrativo di 4 MW di potenza, è in costruzione a Specchia (LE).
I progetti di ricerca hanno seguito le seguenti direzioni:

- Il miglioramento del collettore, tramite lo sviluppo un nuovo sostegno meccanico degli specchi parabolici basato su una struttura curvilinea di alluminio a nido d’ape, racchiusa tra due strati di acciaio interno ed esterno. Questo tipo di struttura è ispirata da applicazioni nautiche e aeronautiche,applicazioni in cui è richiesto un elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso della struttura. Nella parte interna è posto un multistrato vetro/argento che riflette la radiazione solare.
Lo scopo di questa innovazione è il miglioramento della stabilità meccanica agli stress torsionali generati duranti le condizioni operative (i.e. distorsione dovuta all’azione del vento), che cambia l’efficienza ottica dell’impianto. La scelta di questi materiali consente proprietà ottiche stabili, costi relativamente bassi, l’utilizzo di collettori più leggeri e di minor spessore.

- La ricerca sul ricevitore ha visto l’introduzione di un nuovo materiale di rivestimento, per migliorare l’assorbimento radioattivo e ridurre le perdite di calore. Il rivestimento sviluppato ha dimostrato proprietà ottiche molto vicine a quelle ideali: trasparente nella regione dello spettro solare e riflettente nella regione infrarossa. Le altre caratteristiche essenziali ricercate sono l’inerzia chimica, la stabilità meccanica, i bassi costi e la facilità di produzione. E’ allo studio la possibilità di graduare le proprietà del rivestimento lungo il tubo di passaggio del fluido per ottimizzarle alle diverse temperature incontrate.

- La sostituzione dell’olio minerale come fluido termovettore, dei sistemi SEGS, fluido tossico ed infiammabile, con fluidi metallici basati su miscele di sali fusi di sodio e potassio. Tali sostanze hanno costi contenuti e permettono di aumentare la capacità di stoccaggio e quindi di sopperire alle discontinuità di irraggiamento solare. In tal modo l’impianto inoltre può erogare potenza elettrica costante nell’arco delle 24 ore, indipendentemente dalla potenza radiante solare. Questa tecnologia è stata dimostrata essere un ordine di grandezza più economica delle alternative, ha un’alta efficienza e scarso impatto ambientale (i nitrati misti di sodio e potassio sono largamente usati in agricoltura).

NOTE BIBLIOGRAFICHE
- A.A. Mills, R. Clift, “Reflections on the’Burning Mirrors of Archimedes’”, Eur. J. Phys. 13 (1992) 266.
- Soteris A. Kalogirou “Solar thermal collectors and applications”, Progr. Energy Comb. Sci. 30 (2004) 231.
- Solar thermal energy production: guidelines and future programes of ENEA, ENEA/TM/PRESS/2001_07.

1. Anderson B. Solar energy: fundamentals in building design.New York: McGraw-Hill; 1977.

3. Archimede fu l’autore del libro “Gli specchi che bruciano” ma nessuna copia è giunta ai giorni nostri.