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La tecnologia del solare termico

Il solare termico
Lo sfruttamento dell’energia solare per usi termici, per la produzione di acqua calda sanitaria o per il riscaldamento degli ambienti, si basa sulla captazione della luce del Sole e successiva trasformazione in calore, attraverso determinati processi che si verificano all’interno degli impianti solari.
Esistono due tipologie di dispositivi di sistemi solari termici sulla base della temperatura raggiungibile dal fluido termovettore.
Lo spartiacque è la temperatura di 100 °C.:
•   i dispositivi a bassa temperatura lavorano al di sotto di questa temperatura;
•   i dispositivi ad alta temperatura lavorano al di sopra di questa temperatura.
I dispositivi a bassa temperatura sono tra quelli più diffusi e utilizzano come fluido termovettore l’acqua o l’aria.  Questi servono essenzialmente per il riscaldamento di certi ambienti e per la produzione di acqua calda sanitaria.
I dispositivi ad alta temperatura fanno uso, invece, di particolari sistemi di captazione e concentrazione della radiazione solare, in grado di elevare il livello di irraggiamento sull’assorbitore. Essi sono finalizzati alla produzione di energia termica o, più spesso, di energia elettrica (attraverso turbine alimentate dal vapore prodotto dall’impianto) e trovano impiego soprattutto nelle industrie per la produzione di vapore da impiegare in lavoro meccanico.
Un impianto solare termico tipico è composto da un circuito primario costituito da una tubazione che assorbe l’energia solare nella forma termica, all’interno del collettore esposto alla radiazione, e da un circuito secondario a cui il calore viene trasferito tramite uno scambiatore posto nel sistema di accumulo.
Il sistema consta normalmente di soli quattro elementi principali che possiamo così elencare:
•   un pannello o collettore solare
•   un serbatoio di accumulo
•   una centralina di regolazione
•   un sistema di tubazioni e una pompa di circolazione (assente nel caso di impianti a circolazione naturale).
La trasformazione dell’energia è attuata dal collettore o pannello solare che capta l’energia solare e la converte in calore.
L’energia viene poi trasmessa al fluido termovettore che scorre all’interno del collettore e deputato, a sua volta, alla trasmissione del calore all’acqua contenuta nel serbatoio d’accumulo. Il calore trasferito dal sole alla terra può essere sfruttato a bassa temperatura, a media temperatura e ad alta temperatura.
Tecnologie dei collettori solari
Il solare termico a bassa temperatura si avvale di tre tecnologie di base:
•   pannelli in materiale plastico: questo tipo di collettori è caratterizzato da costi più bassi ed è adatto all'impiego estivo, in quanto l'assenza di copertura vetrata comporta perdite per convezione troppo elevate per un uso con basse temperature esterne. In questi collettori solitamente l’acqua passa direttamente all’interno dei tubi del pannello, dove viene riscaldata dai raggi solari ed è pronta per essere usata. Il limite di questi pannelli è che, non essendo coibentati, necessitano per poter fornire potenza termica utile di temperature ambiente di almeno 20 °C, al di sotto della quale il bilancio tra energia assorbita dal sole ed energia dispersa è sfavorevole, e con temperature massime dell’acqua non superiori ai 50 °C; proprio per questo motivo il loro impiego ideale è per le utenze stagionali.
•   collettori piani vetrati: è la tecnologia più diffusa e più flessibile. Il collettore è costituito da una piastra metallica trattata in maniera tale da assicurare il massimo assorbimento della radiazione incidente, percorsa dal fluido da riscaldare. Da un punto di vista costruttivo sono disponibili varie soluzioni che si distinguono per la selettività della piastra assorbente, per i materiali (rame, acciaio inox e alluminio anodizzato) e per l'essere idonee all'uso in impianti a circolazione forzata o naturale. • collettori a tubi evacuati: sono costituiti da elementi captanti in rame inseriti in tubi di vetro temperato sotto vuoto. All’interno di tali tubi viene inserito un liquido (solitamente un etere) che nel ciclo di evaporazione/condensazione, cede il calore ad un fluido termovettore che lambisce la superficie dell’evaporatore. Questo tipo di collettori presenta il rendimento migliore in tutte le stagioni (circa un 15-20% di aumento di produzione energetica rispetto al collettore piano), grazie al sostanziale annullamento delle perdite per convezione. Il costo maggiore rispetto alla soluzione piana, comunque, ne consiglia l'adozione solo in casi particolari come quelli in cui si ha l’esigenza di temperature dell'acqua più elevate (ad esempio per la tecnologia del solar cooling) e/o presenza di clima rigido
Gli utilizzi
L’impiego dell’energia solare termica negli edifici sta diventando sempre più comune e le sue applicazioni si vanno estendendo.
Accanto al semplice utilizzo dell’energia solare per la produzione di acqua calda sanitaria, largamente impiegato negli ultimi anni, si stanno diffondendo sia i sistemi ad aria per il preriscaldamento dell’aria di ventilazione di grandi spazi, che l’accoppiamento dei sistemi solari con sistemi a pompa di calore per il riscaldamento a bassa temperatura degli edifici.
Questo tipo di impianti impiega sistemi a pavimento o a pannelli radianti.
Possibili impieghi del solare termico
1. Sostituzione dello scaldabagno elettrico con un sistema integrato solare/gas (interessa molte utenze domestiche e pubbliche, di piccola taglia, che non hanno ancora affrontato la questione e, di conseguenza, potrebbero essere incentivate ad una sostituzione dello scaldabagno elettrico);
2. Integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare (prevede un costo di integrazione ridotto al minimo; si tratta di fatto di utenze che hanno già scelto il gas e potrebbero, con sistemi solari termici, risparmiare il 60% annuo di gas combusto);
3. Integrazione del sistema elettrico con impianto solare (è relativo a realtà in cui il sistema di riscaldamento non può che essere elettrico, per ragioni urbanistiche o per la particolarità dell'utente; per esempio campi nomadi o altre strutture di accoglienza).
4. Integrazione di un sistema a pompa di calore (elettrica o ad assorbimento) con impianto solare (affinché un sistema solare termico vada ad integrare il sistema di riscaldamento di una casa, è necessario che l’abitazione sia dotata di un impianto realizzato tramite superfici radianti a bassa temperatura, ad esempio tubi sotto il pavimento, nelle pareti o con termostrisce a soffitto in cui scorre acqua a 30-35 °C.)
La piscina è uno dei campi di impiego nel quale il riscaldamento solare ha avuto maggiore diffusione. Ciò è dovuto al periodo di utilizzo corrispondente al periodo di massimo soleggiamento, al fatto che non sono necessari sistemi di accumulo, al basso salto termico richiesto, nonché alla possibilità di impiego di pannelli in materiali plastici o gommosi di basso costo, rapido montaggio e smontaggio per usi stagionali.
Dove e come collocare i pannelli
I pannelli devono essere posizionati in modo tale da essere esposti al Sole per il maggior numero di ore possibili. Questo significa che non devono finire nelle zone d'ombra generate da edifici, alberi o altro, né devono farsi ombra tra di loro.
L’orientamento ideale è quello verso Sud o, in alternativa, verso Sud-Est o Sud-Ovest. L'inclinazione rispetto all'orizzontale, invece, dipende dalla latitudine; in Italia, i valori ottimali per un impiego esteso a tutto l’anno sono compresi fra 35° nel Meridione e 45° al Settentrione.
Generalmente, per avere il minor ingombro possibile, è consigliabile installare i pannelli sul tetto, sopra le tegole, o in sostituzione di esse, oppure anche su terrazzi, cortili e giardini.
Costi e benefici
L’opportunità di installare un impianto solare termico deriva da considerazioni non soltanto ambientali, ma anche economiche.
Un impianto solare termico permette di far risparmiare dal 40% al 70% dell’energia necessaria, ad esempio, per produrre l'acqua calda sanitaria, naturalmente senza l’utilizzo di combustibili inquinanti. In particolare, il risparmio associabile all’uso di un impianto solare termico è legato al costo dell’energia sostituita e varia in ragione del tipo di energia utilizzato (elettrica, metano, gasolio, carbone, altro), delle politiche energetiche del governo, dell’evoluzione del prezzo dei combustibili.
Un impianto a circolazione forzata che utilizza pannelli vetrati piani costa mediamente 750 € al metro quadrato, compresa installazione e Iva. Questa cifra si riduce sensibilmente se intervengono forme di finanziamento statale come la detrazione fiscale prevista dalla Legge Finanziaria 2008 nella misura del 55% del costo d’acquisto. Dalla tabella si possono desumere tutti i dati energetici ed economici utili al fine di operare una scelta sulla convenienza a dotare la propria casa di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria.
Considerazioni analoghe possono essere tratte per le altre applicazioni di questa importante fonte rinnovabile.
Dal caso in esame (il piccolo impianto familiare) si desume, con i vigenti incentivi fiscali del 55% del costo, un tempo di recupero del piccolo investimento fatto di pochi anni. Infatti, se l’impianto va a sostituire uno scaldacqua elettrico la spesa dell'impianto sarebbe ammortizzata dopo meno di 3 anni e avremmo, da quel momento, a disposizione acqua calda quasi gratuita per tutto il tempo di vita dell'impianto, che è di circa 20 anni; sostituendo, invece, uno scaldacqua a gas, il tempo di ritorno dell'investimento sarebbe di meno di 7 anni, dopodichè, anche in questo caso, avremmo a disposizione acqua calda quasi gratuita.
Il mercato
Relativamente alla tecnologia è interessante notare come il mercato italiano abbia premiato le tecnologie più evolute che sono in grado di assicurare una migliore integrabilità architettonica, fattore di grande importanza in un paese come l’Italia, ricco di comuni nei quali i vincoli paesaggistici sono spesso insormontabili.
Nel corso del 2011 infatti in Italia è aumentata la percentuale di impianti solari termici a circolazione forzata, ben l’89% delle nuove installazioni, rispetto a quelli a circolazione naturale (solo l’11% delle nuove installazioni). I collettori sottovuoto hanno ancora una quota di mercato decisamente inferiore (pari all’8% delle installazioni) rispetto ai sistemi piani vetrati, poiché, nonostante in inverno garantiscano rese più elevate hanno un costo più alto e richiedono una maggiore manutenzione.
Anche nel 2011 (come nell’anno precedente) l’Italia si è confermata il secondo più grande mercato in Europa, con 400.000 m2 di collettori solari e le proiezioni vedono l’Italia nel 2020 come il mercato più grande. Si può stimare un volume d'affari complessivo generato dal mercato del solare termico nel corso del 2011 pari a circa 500 milioni di €.