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La terza via delle energie rinnovabili
di Gherardo Gherardini  

L’Unione europea ha lanciato un’importante sfida per favorire lo sviluppo di tecnologie per le energie alternative pulite, come nel caso degli impianti a concentrazione solare, caratterizzati da elevata efficienza e basso costo. In Sardegna, il Crs4 sta portando avanti un progetto per la realizzazione di un Laboratorio per lo sviluppo di tecnologie per l’energia solare termica ad alta temperatura.


Impianto solare a dischi
concentratori, a Sanlucar la
Mayor, nei pressi di SivigliaTempi duri, quelli che stiamo attraversando, con il prezzo del petrolio schizzato alle stelle e le crescenti preoccupazioni per l’elevato inquinamento atmosferico. Inevitabilmente, si parla sempre più spesso delle fonti energetiche che non costano né inquinano come quelle “nere” tradizionali, vale a dire petrolio e carbone.
Le speranze in un mondo ecologicamente migliore sono legate alle famose “rinnovabili da vento e sole”, che oggi peccano di limitatezza di impiego e presentano ancora ampi margini di migliorabilità, affidati alla ricerca scientifica. Una ricerca che percorre instancabile strade nuove, ma è anche consapevole che le buone idee non hanno età.
Tutt’al più, hanno bisogno di buone gambe per proseguire un cammino iniziato, ad esempio, oltre duemila anni fa. Come nel caso della cosiddetta “terza via delle rinnovabili”, vale a dire quella del solare termodinamico a concentrazione (CSP - Concentrated Solar Power).
Una via aperta, secondo la leggenda, dai famosi specchi con i quali Archimede incendiò la flotta romana durante l’assedio di Siracusa nel 212 avanti Cristo. Ma certamente gli “specchi ustori” venivano usati dagli Incas, in Perù, in occasione delle feste per celebrare il solstizio d’estate (21 giugno) e quello d’inverno (21 dicembre).
Cercando in tempi più recenti, troviamo che il primo brevetto per gli specchi solari risale al 1860 e da allora, per una trentina d’anni, è stato un continuo succedersi di prove ed errori. Dopo un lungo periodo di silenzio, dovuto alla prima Guerra mondiale e all’avvento del petrolio a basso prezzo, la ricerca e la sperimentazione sono riprese come logica conseguenza delle crisi petrolifere degli anni Settanta.
Albuquerque (California): impianto solare a specchi
parabolici realizzato da Sandia National Laboratories
(fototeca Sandia, foto Randy Montoya)Nel decennio successivo, gli studi per ottenere una tecnologia sempre più rivolta a ricavare energia elettrica dal calore del sole hanno portato a numerosi progetti di ricerca e sviluppo in diverse parti del mondo, Italia compresa. Sono così sorte le prime centrali, sia pure a titolo sperimentale.
Nel 1981 fu realizzato, per diventare operativo l’anno successivo, un progetto pilota, denominato Solar-1, nel deserto del Mojave, a est di Barstow in California. Operativo fino al 1986, Solar-1 fu distrutto da un incendio che mandò a fuoco l’olio su cui i raggi del sole venivano concentrati.
Seguì un Solar-2, sempre in California, a cui fecero da corona altri otto impianti Segs (Solar electric generating stations). Questi, collegati in serie, raggiungono una potenza di 354 Mw e l’energia elettrica prodotta viene immessa nella rete della California del sud.
Ragguardevole un nuovo impianto, denominato Nevada Solar One, con una capacità di 64 Mw, che produce elettricità per la base dell’Usaf di Nellis, in Nevada.
In Europa, le centrali a tecnologia Csp sono presenti prevalentemente in Spagna. Dopo la costruzione di Andasol 1 e Andasol 2, entrambe con una capacità di 50 Mw, è in fase di realizzazione il complesso a torre PS10, vicino a Siviglia.
Impianto solare a torre nella centrale di Sanlucar
La Mayor, a SivigliaIn Italia sono stati realizzati diversi prototipi sperimentali, soprattutto ad iniziativa di Enea ed Enel.
Ma vediamo in cosa consiste questa tecnologia, denominata “senza rivoluzione” perché non scopre alcunché di nuovo ma si basa su un principio guida che, come abbiamo visto, affonda nella notte dei tempi. Contrariamente al più noto fotovoltaico (che converte la radiazione solare direttamente in energia elettrica, mediante l’uso di celle di materiali semiconduttori), il solare termodinamico si basa su tecnologie che trasformano la radiazione solare in energia termica a temperature sufficientemente elevate da produrre vapore surriscaldato, proprio come fanno le caldaie nelle tradizionali centrali termoelettriche.
Queste condizioni termiche sono però raggiungibili solo mediante un’elevata concentrazione della radiazione solare incidente sulla superficie terrestre. Nel caso del solare termodinamico è corretto parlare al plurale di tecnologie, perché sono due i filoni tecnologici attualmente perseguiti quando si intende realizzare impianti di potenza significativa (un terzo, che utilizza un motore Stirling come motore primo, vale solo per soluzioni su piccola scala):
– sistemi a torre, nei quali la radiazione solare viene concentrata su una speciale caldaia posta in cima a una torre da un sistema di specchi collocati a semicerchio intorno alla sua base;
– sistemi a collettori parabolici lineari, nei quali la tubazione contenente il fluido termovettore scorre lungo il fuoco di un elevato numero di specchi concentratori a forma parabolica posti in serie.
Attualmente i termovettori più utilizzati sono di tre tipi:
– l’olio minerale, utilizzato negli impianti denominati Segs, offre un intervallo termico di esercizio che va dai 290 ai 390° C; altamente infiammabile, può dar luogo a notevoli problemi di carattere ambientale in caso di fuoriscita accidentale dal sistema;
– i sali fusi, di solito costituiti da una miscela di sali (nitrato di sodio e nitrato di potassio che, tra l’altro, sono la base dei comuni fertilizzanti), largamente utilizzati nell’industria e chimicamente stabili fino a 600° C. Il loro utilizzo consente di ottenere temperature di esercizio più elevate (sino a 550° C) con miglioramento dell’efficienza del circuito di utilizzazione del calore solare. Questa scelta è applicata nell’impianto dimostrativo dell’Enea di Priolo Gargallo (Siracusa);
– il vapore ad alta pressione (impianti Dsg - Direct Steam Generation), permette di ottenere temperature di esercizio comprese tra i 110 e 400° C ad una pressione di 104 atmosfere. Il vantaggio di questo sistema risiede nella possibilità di alimentare direttamente la turbina a vapore senza utilizzare gli scambiatori di calore necessari nel caso dell’olio combustibile e dei sali fusi.
All’uscita dal campo dei collettori parabolici lineari, il fluido termovettore viene inviato in un serbatoio di accumulo del calore, che entro certi limiti riesce a compensare le fluttuazioni della radiazione solare, e di lì a un generatore di vapore, dove mediante cessione di calore trasforma l’acqua in pressione in vapore surriscaldato.
La restante parte dell’impianto è costituita da componenti tecnologicamente tradizionali (turbina a vapore, condensatore, ciclo termico e generatore elettrico).

La sperimentazione in Sardegna 

L’incombenza dei problemi legati alla quantità e ai costi delle fonti energetiche, unitamente a quelli derivanti dai cambiamenti climatici, hanno portato l’Unione europea a lanciare recentemente un’importante sfida per favorire lo sviluppo di tecnologie per le energie alternative pulite. E lo stesso atteggiamento sta tenendo l’Italia.
Insomma, un contesto favorevole agli impianti a concentrazione solare (Csp), che presentano – grazie alla loro elevata efficienza e al minor costo – tra tutte le tecnologie per la produzione di elettricità dal sole, rimarchevoli prospettive.
Impianto solare a specchi parabolici a Kramer
Junction, in California«Il punto di forza del Csp – è stato sottolineato, nel corso di un convegno internazionale tenutosi a Roma alla fine dello scorso anno – è la produzione centralizzata di energia. Questi impianti sono adatti per la produzione di elettricità su larga scala e possono sostituire le centrali termiche convenzionali senza cambiamenti della struttura di rete e indipendentemente dalle fluttuazioni solari. Ciò rende il Csp una importante opzione per un mix energetico variato. Ma è soprattutto interessante per gli sviluppi in molte regioni della cintura solare (sunbelt) e in particolare del Mediterraneo, con importanti riduzioni delle emissioni di CO2».
Sembra un discorso fatto apposta per la Sardegna, che assieme alle favorevoli condizioni climatiche può vantare un Centro di ricerca di assoluta eccellenza, vale a dire il Crs4. Non è quindi per caso che il ministero dell’Università e della Ricerca abbia finanziato (al 50 per cento) un progetto per la realizzazione di un “Laboratorio pubblico privato per lo sviluppo di tecnologie per l’energia solare termica ad alta temperatura”.
Si tratta di un progetto di ricerca dal costo complessivo di 11 milioni e 400 mila euro: 9 milioni e 700 mila andranno alla ricerca, che prevede tre anni di lavoro per la realizzazione di un “dimostratore”; 1 milione e 700 mila serviranno per il progetto di formazione frontale. L’impegno è far funzionare il laboratorio per ulteriori cinque anni, per un totale di otto anni.Tutto nasce da una proposta avanzata dal Centro di Ricerca e Studi Superiori in Sardegna (Crs4), con sede a Pula; dalla Rtm spa di Vico Canavese (Torino), società d’avanguardia nelle tecnologie laser; dall’Università di Cagliari, Dipartimenti di Ingegneria meccanica e di Ingegneria elettrica ed elettronica; da Sardegna Ricerche e dalla filiale Sapio Industrie srl di Porto Torres.
«Il progetto Laboratorio – spiega Bruno D’Aguanno, capo del dipartimento Energia del Crs4 – sarà incentrato su attività di ricerca e sviluppo in grado di dimostrare la fattibilità della produzione – efficiente, pulita e competitiva – di energia elettrica dalla fonte energetica solare. Una produzione derivata dalla gestione termodinamica ad alta temperatura (550° C) dell’energia solare raccolta, concentrata e immagazzinata». L’obiettivo finale è quello di individuare i fattori tecnologici chiave per arrivare ad una riduzione del costo del kWh prodotto e allo sviluppo di modelli accurati per le proiezioni economiche da utilizzare ai fini dell’elaborazione di business plan di progetti industriali e commerciali.
Il progetto contiene una dettagliata descrizione delle motivazioni a sostegno della proposta, che possono essere così sintetizzate:
– parametri ambientali (irraggiamento solare, rapporti di insolazione-nuvolosità, basso contenuto di particolato nell’aria, disponibilità di area piana e industrialmente attrezzata etc.) particolarmente favorevoli;
– presenza di una struttura come il Crs4 che, per statuto, attua attività di trasferimento tecnologico dei risultati più innovativi della ricerca nei settori dell’Energia, dell’Ambiente, delle Scien­ze bio-informatiche e dell’Ict;
– presenza del Parco tecnologico Polaris, gestito da Sardegna Ricerche, con una sua attività di filiera interamente dedicata alle problematiche energetiche;
– presenza, nel Por Sardegna 2000-2006, del Cluster innovativo territoriale “Fonti energia rinnovabili (Fer), in particolare solare termodinamico e idro­geno”, che integra i Cluster innovativi territoriali già previsti dalla strategia regionale dell’innovazione elaborata dalla Regione in accordo con il Ministero finanziatore del progetto;
– presenza attiva dell’Università di Cagliari, che vanta una lunga tradizione di ricerca sperimentale nell’ambito dei sistemi energetici e dei loro componenti;
– presenza di una consistente serie di progetti energetici che vede coinvolti l’Università di Cagliari, il Crs4, Sardegna Ricerche e una rete di imprese sarde;
– volontà di tutti i partner del progetto Laboratorio di integrarsi nel progetto stesso.
Bruno D'Aguanno, capo  del
Dipartimento Energia del
Crs4 in visita a un impianto
solare  a specchi parabolici
nel Nevada (Stati Uniti)«La realizzazione in Sardegna del Laboratorio, con le sue specifiche attività di ricerca, sviluppo e formazione – aggiunge D’Aguanno – permetterà ai partner coinvolti e alla Regione, che ha elargito un proprio rilevante contributo economico, di acquisire un ruolo di eccellenza nell’innovazione e nella gestione delle tecnologie solari termiche, con la creazione di un punto di riferimento della ricerca aperto al bacino del Mediterraneo e ai paesi extra-comunitari. L’obiettivo strategico è quello di costituire un gruppo di competenze altamente qualificate, concentrate su un progetto di altissima qualità e di valenza universale che, nell’ambito delle tecnologie del solare, sia in grado di affermarsi a livello internazionale. Quanto alla ricerca, poi, sarà possibile creare una facility italiana di riferimento in grado di attrarre progetti e sperimentazioni di soggetti terzi, sia italiani che stranieri».
Ne deriva la possibilità di un forte richiamo per le imprese ad alto tasso innovativo e interessate a utilizzare i servizi proposti dai Parchi tecnologici della Sardegna. Un contributo altrettanto significativo potrà essere dato all’occupazione, diretta e indiretta, potendosi prevedere il coinvolgimento e la nascita di imprese locali (spin-off) per la produzione della componentistica relativa e l’impiego di personale per le operazioni di manutenzione e gestione dei sistemi.
Cercando di tradurre in termini semplici il linguaggio tecnico del progetto Laboratorio, proviamo a descrivere come verrà realizzato questo prototipo (“dimostratore”) di impianto.
Sarà composto da due linee di specchi parabolici della lunghezza di 100 metri ciascuna, con fluidi termovettori gassosi; da un sistema di accumulo termico ad elementi solidi accoppiati a termovettori gassosi; da un generatore di vapore in grado di utilizzare il calore accumulato (sia direttamente prodotto dal sistema di captazione della radiazione solare che dal sistema di riscaldatori del gas) per la produzione di vapore ad alta pressione e ad alta temperatura da utilizzare per la generazione di energia elettrica.
Il punto di partenza della tecnologia del solare termodinamico proposta dal Laboratorio è rappresentato dalle realizzazioni Enea che si basano sull’uso dei sali fusi sia come fluido termo-vettore sia come materiale per l’accumulo termico. Però, rispetto alla tecnologia sinora sviluppata, il Laboratorio propone una serie di rilevanti innovazioni, che possono essere così riassunte:
– il passaggio dai fluidi attualmente utilizzati, e basati principalmente su miscele di sali fusi e oli minerali, a fluidi termovettori di tipo gassoso, più sicuri e di facile gestione;
– un più ampio intervallo termico di utilizzo del calore accumulato, con aumento del rendimento globale dell’impianto;
– l’impiego di più efficienti tecniche di fabbricazione del collettore parabolico lineare;
– l’introduzione di un innovativo sistema di accumulo termico basato su elementi solidi a basso costo.
«Questi miglioramenti – spiega il research manager D’Aguanno – comporteranno un costo inferiore e più alte efficienze di conversione della radiazione solare in elettricità. Inoltre, la disponibilità di un sistema d’accumulo termico modulare e sufficientemente flessibile consentirà di condurre in modo concomitante e disaccoppiato le due operazioni di accumulo dell’energia e di utilizzo dell’energia accumulata per la produzione d’elettricità. In questo modo, viene superato il problema della discontinuità, tipico della stragrande maggioranza delle fonti energetiche rinnovabili».
«Il progetto di ricerca – rivela Andrea Mameli, ricercatore Crs4 – sarà attuato, nella sua interezza, presso le strutture del Laboratorio, che verrà rea­lizzato nella zona industriale di Macchiareddu. Nella stessa località verrà costruito e messo in funzione il sistema dimostrativo». Allo stesso Mameli, organizzatore di master universitari e docente in scuole e corsi di formazione, sarà affidata la gestione della formazione associata al progetto, struttura permanente in cui dovrebbero essere impegnate trenta unità, fra laureati e diplomati. L’impatto occupazionale della ricerca, di notevole livello innovativo, comporterà un elevato livello professionale degli addetti.
Riproduzione digitale del dimostratore solare
termodinamico a concentrazione, da realizzare
nell'area industriale di Cagliari«Il progetto Laboratorio – sottolinea D’Aguanno – si inquadra pienamente nelle attività strategiche del Crs4, volte sia a sviluppare tecniche avanzate di simulazione al computer, applicabili alla soluzione di problemi di calcolo scientifico particolarmente impegnativi nelle filiere dell’energia, dell’ambiente e della bio-medicina computazionale, sia a ricercare applicazioni innovative nel campo delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione».
Anche le attività di ricerca del Laboratorio, peraltro, si caratterizzano come prossime allo stato dell’arte più avanzato e di avanguardia a livello mondiale, e rappresentano un passo fondamentale per il mantenimento della competitività italiana nel settore della simulazione avanzata nei sistemi di produzione di energia.
«Sicuramente lo studio per la produzione efficiente, pulita ed economicamente vantaggiosa di energia elettrica a partire dalla fonte energetica solare – aggiunge Mameli – aprirà al Crs4 la strada per la ricerca futura nel campo della produzione di energia alternativa. Infatti, dato il forte carattere innovativo della tecnologia proposta nel Progetto, gli strumenti di simulazione e la letteratura scientifica specialistica in merito sono scarsi e difficilmente reperibili. La realizzazione in Sardegna del Laboratorio permetterà ai partner coinvolti e alla Regione Sardegna di acquisire un ruolo di eccellenza nell’innovazione e nella gestione delle tecnologie solari termiche».
A questi vantaggi vanno aggiunte le consuete ricadute attese da progetti di ricerca di questo tipo, quantificabili in termini di ampliamento del know-how e del personale collaborante alla ricerca; di produzione di pubblicazioni scientifiche ed opportunità di confronto con la comunità scientifica internazionale; di produzione brevettuale.
Il progetto presenta aspetti rilevanti anche come ricadute occupazionali, sia nella fase di svolgimento, con l’occupazione di diverse unità operative, sia soprattutto successivamente, con la diffusione sul mercato dei risultati della ricerca. L’esito derivante dal progetto permetterà ai partners di conquistare nuove posizioni di leadership attraverso l’introduzione sul mercato, a medio-lungo termine, delle innovative soluzioni derivanti dalla ricerca effettuata e darà un contributo all’occupazione, diretta e indiretta, potendosi prevedere il coinvolgimento e la nascita di imprese locali (spin-off) per la produzione della componentistica relativa, e l’impiego di personale per le operazioni di manutenzione e gestione dei sistemi.
Altra occupazione deriverà dall’acquisizione, da parte del Laboratorio, di progetti di ricerca e sviluppo sia a livello nazionale che europeo, e dalla vendita di servizi connessi all’utilizzo dell’attrezzatura realizzata nel Laboratorio stesso.
«Siamo orgogliosi – conclude D’Aguanno – per questo progetto che ci colloca di diritto fra i maggiori attori che operano nel settore delle energie rinnovabili. Credo di non esagerare se dico che ormai possiamo ambire a proporci come la struttura trainante per la creazione del network italiano in materia di solare termodinamico».

Le foto, in ordine di posizione, sono di: Solucar Energia s.a.; foto Randy Montoya (fototeca Sandia); Solucar Energia s.a.; Alberto Varone (Crs4, Cagliari); fotoriproduzione Area Progetti