Le potenzialità delle tecnologie solari termiche nei processi industriali

Un consorzio di 15 partner europei ha lanciato HyCool, progetto che mira ad aumentare l'uso del calore solare a livello industriale combinando due componenti chiave: i collettori solari Fresnel e i refrigeratori ibridi

di Andrea Frazzica

(Rinnovabili.it) – Il consumo di energia primaria in ambito industriale è per quasi il 70% imputabile alla richiesta di energia termica di processo. Sebbene spesso si consideri la fornitura di calore industriale come parte dei settori “hard-to-abate” a causa delle elevate temperature richieste (per esempio in acciaierie, cementifici e aziende metallurgiche in generale), in realtà circa la metà del consumo di fonti primarie è imputabile alla fornitura di calore a temperature inferiori ai 400°C. Al momento, la quasi totalità degli impianti industriali sfrutta combustibili fossili, sia liquidi che gassosi, per coprire tale fabbisogno, causando una quota rilevante delle emissioni di CO₂ in atmosfera a livello globale.

E’ per questo motivo che, negli ultimi anni, desta sempre maggior interesse da parte della comunità tecnico/scientifica la possibilità di utilizzare direttamente energia termica da fonte solare in processi industriali che richiedano calore. Infatti, una stima dell’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA) quantifica in 10% la quota parte del fabbisogno complessivo di energia in ambito industriale che è possibile soddisfare tramite tecnologie solari termiche entro il 2030.

L’idea di sfruttare la conversione diretta di energia solare in termica, piuttosto che produrre energia elettrica mediante impianti fotovoltaici per poi utilizzarla per la produzione di calore, è legata strettamente all’efficienza di conversione. Infatti, allo stato attuale, l’efficienza ottenibile dai collettori solari termici per applicazioni industriali può raggiungere un valore triplo rispetto a quella dei pannelli fotovoltaici (i.e. 60-70% contro 20-25%). Ciò rappresenta un aspetto particolarmente rilevante, che rende attraente lo sfruttamento dell’energia solare in impianti industriali.

E’ ben noto che uno dei limiti principali della fonte solare è rappresentato dalla bassa densità di potenza radiante disponibile (al massimo circa 1000 W/m² in condizioni ottimali), tale limite intrinseco della sorgente, accoppiato all’elevata richiesta di potenza termica ed ai ridotti spazi disponibili in ambito industriale, rappresenta un’oggettiva barriera al raggiungimento di una vasta diffusione di tale soluzione tecnologica. I collettori solari termici attualmente utilizzati per simili applicazioni appartengono quasi esclusivamente alla categoria del solare a concentrazione, ovvero sistemi che sfruttano specchi riflettenti per concentrare la radiazione incidente su ricevitori di dimensione ridotta, consentendo il raggiungimento di temperature sufficienti (i.e. 100-250°C). per una vasta gamma di processi industriali, per esempio alimentari, tessili e chimici. Nonostante le evidenti potenzialità del solare termico industriale, le installazioni effettuate fino ad ora a livello europeo risultano poche centinaia, spesso basate su tecnologia solare termica standard (i.e. collettori piani e a tubi evacuati) come preriscaldamento del fluido di processo [3]. Al fine di promuovere ulteriormente tale soluzione tecnologica, nell’ambito del programma quadro Horizon 2020, la Comunità Europea ha pubblicato bandi di finanziamento specifici, sia per lo sviluppo di soluzioni innovative a bassa maturità tecnologica (TRL) sia per la dimostrazione di tecnologie solari più mature.

Fra i progetti finanziati, attualmente in corso di svolgimento, il progetto HYCOOL – Industrial Cooling through Hybrid system based on Solar Heat – si prefigge di validare in due specifici casi studio industriali la potenzialità della tecnologia solare termica a concentrazione, basata su specchi piani di tipo Fresnel, accoppiata ad un sistema di produzione di energia frigorifera mediante pompa di calore ibrida. Il progetto è coordinato dalla società Veolia Serveis Catalunya ed è composto da un consorzio di 15 partner, dei quali tre italiani: l’Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia del CNR e le imprese R2M Solution e CiaoTech.

Nello specifico, la prima fase del progetto, è stata dedicata alla realizzazione ed al testing dei componenti principali previsti dal layout di impianto. La società austriaca Ecotherm ha provveduto ad adattare la propria tecnologia brevettata di collettori Fresnel, caratterizzata dall’utilizzo di specchi riflettenti di dimensione ridotta rispetto allo stato dell’arte. E’ stato così sviluppato un nuovo ricevitore in grado di produrre vapore da immettere direttamente nella linea dell’impianto di uno dei siti dimostrativi previsti dal progetto. La società tedesca Fahrenheit ha realizzato e testato in condizioni controllate due refrigeratori ibridi, basati su un modulo ad adsorbimento alimentato termicamente ed un modulo a compressione di vapore, impiegante fluido frigorifero naturale (R1270) e alimentato elettricamente. I risultati sperimentali ottenuti in laboratorio hanno dimostrato la capacità di produrre energia frigorifera fino a -17°C con un incremento dell’efficienza fino al 25% rispetto al sistema puramente a compressione [4]. Nel corso del progetto è stato inoltre sviluppato e realizzato un sistema di accumulo latente ad elevata temperatura, per consentire il funzionamento dell’impianto anche in condizioni di irraggiamento limitato, ed un sistema integrato di monitoraggio dell’impianto, che permette di valutare in tempo reale il funzionamento regolare dell’impianto ed ottimizzare i flussi energetici in funzione della domanda e della produzione da fonte solare. Il consorzio di progetto ha anche sviluppato uno strumento semplificato per l’analisi di pre-fattibilità di realizzazione della soluzione proposta, orientato alla futura commercializzazione del sistema HYCOOL, liberamente accessibile sul sito web.

Il progetto è attualmente nella fase finale di attività e recentemente sono state completate le due installazioni: un campo solare di 800 m² accoppiato ad un refrigeratore da circa 60 kW per la produzione di energia frigorifera a 10°C, presso uno dei siti di produzione dell’azienda Givaudan in Catalogna (produzione di essenze ed aromi); un campo solare di 400 m² accoppiato ad un refrigeratore da 20 kW per la produzione di energia frigorifera fino a -15°C, presso la sede dell’azienda alimentare BoDeDebò, sempre in Catalogna. Il monitoraggio delle performance verrà effettuato sia durante il periodo estivo che durante il periodo invernale fino alla conclusione del progetto, prevista alla fine del 2022. In ogni caso, i siti rimarranno operativi anche una volta completate le attività contrattuali, permettendo un ulteriore monitoraggio al fine di dimostrare l’affidabilità della tecnologia solare termica in ambito industriale, promuovendone una più ampia adozione.