Le origini tutte italiane del solare termodinamico

Dalle invenzioni di Alessandro Battagli e Giovanni Francia Pionieri all’attualità del solare termico a concentrazione

Tra i pionieri italiani degli ultimi 200 anni nel campo del solare termico a concentrazione o solare termodinamico o STC (Solare Termico a Concentrazione), spiccano le figure di Alessandro Battaglia (1942 – n.d.), il cui lavoro è stato riscoperto dal GSES nel 2008, e Giovanni Francia (1911 – 1980), conosciuto come il padre delle centrali solari termoelettriche e del quale cade quest’anno il 100mo anniversario della nascita. Le loro invenzioni sono tornate di grande attualità, come vedremo in seguito, a partire dalla metà degli anni 2000.

I sistemi STC sono riconducibili, in relazione alla configurazione specchi/ricevitori, a quattro tipologie, usualmente identificate con i termini: a) parabolici lineari o a trogolo; b) lineari fresnel; c) disco parabolici; d) a torre centrale.

Al fine di connotarne alcune importanti caratteristiche funzionali si propone di raggruparli anche in altre due tipologie, una prima, sistemi STC con specchi curvi, e una seconda, sistemi STC con specchi piani o quasi piani. Tale inquadramento dovrebbe essere di aiuto per una più facile comprensione di quanto si va ad illustrare di seguito.

Il primo vapore prodotto con il calore del sole e Alessandro Battaglia (1842 – n.d.)

Nel 1878 Augustin-Bernard Mouchot (1825-1912) espose all’Esposizione Universale di Parigi la sua macchina solare, ricordata nei libri di storia per essere la prima e la più grande a produrre vapore ad alte pressioni e temperature dal calore del sole. Si trattava di un grande specchio tronco conico di circa 20 m², che rifletteva la radiazione solare su una caldaia o ricevitore posto al centro dello stesso specchio e con questo solidale nell’inseguire il sole.

Questa macchina, che al tempo attrasse l’attenzione di tutto il mondo per il sibilo del vapore solare in uscita dalla caldaia, fu oggetto di puntuali critiche di Alessandro Battaglia (1842 – n.d.), un pioniere italiano del solare, ingegnere, riscoperto nel 2008 dal GSES.

Nel 1884 le critiche di Battaglia a Mouchot, esposte nella relazione “Sul modo e sulla convenienza di utilizzare il calore solare per le macchine a vapore”, furono presentate dal fisico Eugenio Semmola durante una riunione accademica dell’Istituto di Incoraggiamento di Napoli.

Secondo Battaglia l’invenzione di Mouchot non avrebbe portato grandi risultati. A causa del movimento solidale di caldaia e specchio, sia l’uno che l’altro non potevano che avere dimensioni limitate, quindi inadeguate a raccogliere l’energia solare nelle quantità necessarie per i moderni processi industriali. Inoltre la caldaia, essendo esposta all’aria, reirraggiava verso l’esterno l’energia che lo specchio vi aveva concentrato.

Per superare questi limiti Battaglia propose di separare la caldaia dallo specchio e tradusse questa sua innovativa soluzione concettuale, per la quale ricevette il plauso dell’Istituto di Incoraggiamento di Napoli, nell’invenzione del “Collettore multiplo solare”, illustrato nei disegni del relativo brevetto, registrato nel 1886 e conservato presso l’Archivio Centrale delle Stato.

Non sappiamo se Battaglia abbia mai sperimentato un Collettore multiplo solare, come gli fu raccomandato dal fisico Semmola, né sappiamo se la sua invenzione fu notata da altri studiosi.

Giovanni Francia (1911 – 1980) e i sistemi solari a concentrazione con specchi piani o quasi piani

Nato a Torino nel 1911 e morto a Genova nel 1980, Francia, laureatosi in matematica da autodidatta, è stato l’autore di importanti invenzioni, progetti, brevetti e sperimentazioni in diversi campi, da quello automobilistico, a quelli aeronautico, spaziale, tessile, elettromeccanico ed infine, negli ultimi 20 anni della sua vita, soprattutto nel settore dell’energia solare, nel quale registrò dieci brevetti, costruì e sperimentò vari prototipi per la produzione di vapore solare ad alte pressioni e temperature.

Francia, che ci risulta non abbia mai saputo del Collettore multiplo solare, ripercorse nell’ideazione di sistemi STC una strada analoga a quella di Alessandro Battaglia, ovvero di separare lo specchio dalla caldaia.  Approccio questo proposto prima di Francia  anche dal russo Valentin Baum a metà degli anni cinquanta del Novecento.

Tra il 1960 e il 1965 Francia progettò, costruì e sperimentò i primi prototipi al mondo di sistemi STC lineare e puntuale fresnel (vale a dire con campi di specchi risultanti dal “frazionamento” di un grande specchio parabolico lineare o di un grande specchio parabolico sferico in tanti specchi piani, vedi arrivando a dimostrare, primo al mondo, la possibilità di produrre con tali sistemi vapore ad alte pressioni e temperature e con la convinzione che “Solo con gli specchi piani è possibile costruire grandi centrali solari”.

I risultati di queste prime sperimentazioni e di quelle che le seguirono richiamarono l’attenzione di tutto il mondo su Giovanni Francia, sulla stazione solare di S.Ilario e sull’Italia ed ispirarono la costruzione ad Adrano (Catania) di Eurelios, il primo e più grande impianto dimostrativo STC a torre centrale al mondo per la produzione di energia elettrica dal calore del sole, della potenza di 1 MWe, inaugurato e collegato alla rete elettrica nazionale nella primavera del 1981 .

All’inizio del 2011, a trenta anni dall’ inaugurazione, Eurelios è stato smantellato e i resti della caldaia solare donati dall’ENEL al Museo dell’Industria e del Lavoro di Brescia (www.musil.bs.it).

Attualità dei sistemi STC con specchi piani o quasi piani

Al momento i sistemi STC per la produzione di vapore ed elettricità più diffusi sono i parabolici lineari o a trogolo Fig. 8 e Tab. 1.

Tab. 1: Impianti STC nel 2010

Tuttavia dagli inizi degli anni 2000 è andato crescendo l’interesse anche per i sistemi STC con specchi piani o quasi piani. Da parte di più esperti va maturando quindi la convinzione che presto le quote di mercato del STC si ribalteranno a favore degli impianti fresnel lineari e puntuali (o a torre). Un ribaltamento praticamente in atto se si considera che appena due anni fa il giro di affari in impianti STC con gli specchi piani si misurava in milioni di Euro, oggi in miliardi.

Inoltre nella competizione tra fotovoltaico e STC, negli ultimi mesi, solo negli Stati Uniti, progetti STC per 3.200 MW sono stati convertiti in progetti fotovoltaici. Le conversioni più eclatanti hanno riguardato proprio i progetti con concentratori parabolici lineari, vale a dire quelli più affermati e diffusi.

Altri punti a favore del STC con gli specchi piani sono tre notizie degli ultimi dodici mesi.

L’avvio della costruzione del più grande impianto a torre nel deserto californiano del Mojave da parte della BrightSource Energy, l’Ivanpah Solar Electric Generating System (ISEGS), costituito da 3 distinte unità, per un totale di 392 MWe e 840 MWt e per un investimento superiore a  2 miliardi di dollari.

La seconda notizia è la rinascita degli ambiziosi progetti di Ausra del 2007. Venduta nel 2010 ad AREVA, il gigante francese per la costruzione di impianti nucleari, Ausra è diventata AREVA Solar, la quale negli ultimi mesi ha acquisito contratti in Australia per la costruzione di due impianti CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector) di 44 MW e 250 MW del valore di oltre 1,4 miliardi di dollari. Il contratto per l’impianto da 250 MW è stato acquisito in una gara internazionale alla quale hanno partecipato 50 aziende.

Infine, all’inizio del corrente mese di luglio, in Spagna, per la prima volta al mondo, l’impianto a torre Gemasolar di 19,9 MWe di Torresol Energy, ubicato vicino Siviglia, ha funzionato per 24 ore continuative grazie all’immagazzinamento del calore del sole con sali fusi. Queste tre notizie ci inducono a concludere che per il STC con specchi piani o quasi piani, inventato e sperimentato per la prima volta al mondo in Italia, un futuro, almeno per il momento, è fuori discussione.

È infatti evidente che esiste la possibilità di costruire impianti STC di grande potenza capaci di funzionare anche quando non c’è il sole. Una prospettiva questa la cui materializzazione si è fatta ancora più urgente dopo l’incidente nucleare di Fukujima e sulla quale governi e imprese pare continuino a investire miliardi di dollari. La posta in gioco è ovviamente alta!

di Ing. Cesare Silvi – Gruppo per la storia dell’energia solare (GSES)