Solare termico al servizio del teleriscaldamento

Una tecnologia che viene dal Nord

In Danimarca, parallelamente a un mercato di piccoli e medi impianti solari come nel resto d’Europa, si è sviluppato da tempo il particolare settore del solare termico a grande scala applicato a reti di teleriscaldamento. Il primo impianto del genere, realizzato nel 1988 a Saltum, è tuttora in funzione, a dimostrazione che i vent’anni comunemente assunti come vita utile siano ampiamente superabili. Da allora il teleriscaldamento solare si è diffuso in Danimarca con rapidità crescente e con realizzazioni sempre più grandi, anche abbinate a sistemi stagionali di accumulo del calore.

Il teleriscaldamento di Varese

Fig.3 CampoSolare

Varese Risorse SpA, che dal 2007 fa parte del gruppo a2a, gestisce dal 1992 la rete della città di Varese con la storica centrale di Via Ottorino Rossi. La centrale comprende una turbina a gas GE-Nuovo Pignone da 5 MWe con caldaia a recupero da 11 MW e postcombustore da ulteriori 4 MW. A questo si aggiungono cinque caldaie a gas di integrazione e riserva per ulteriori 35 MW. La rete di distribuzione del calore acqua calda (90/65°C) ha una estensione di 16 km e serve 150 grandi utenze per riscaldamento ambienti e acqua sanitaria.

In questa rete è stato integrato, per la prima volta in Italia, un impianto solare termico, realizzato da SDH Energy. L’impianto solare, è stato concepito per fornire calore sia direttamente ai serbatoi di accumulo termico (S1 e S2) e quindi alla rete di teleriscaldamento, sia per il preriscaldo dell’acqua di reintegro della rete, che viene prelevata dall’acquedotto ad una temperatura di circa 10 °C.

La rete in questione presenta una necessità di reintegro tra 7 e 12 m3 giornalieri, il che rappresenta una opportunità per il campo solare di fornire energia a temperatura più bassa dei valori caratteristici della rete, permettendo un potenziale significativo incremento della efficienza solare.

Il campo collettori è costituito da 73 pannelli piani vetrati ARCON Solar, mod. HT-HEATBoost35/10, ciascuno con superficie lorda di 13,56 m2, disposti a terra e in parte sulla copertura di un nuovo fabbricato che ospita al suo interno l’unità di scambio termico e il sistema di controllo.

La superficie captante è di 990 m2: l’aggiunta di un solo collettore avrebbe comportato, con il superamento dei 1000 m2, la perdita dell’incentivo in conto termico (Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico 28 dic. 2012).

Il fluido termovettore utilizzato nel circuito solare è una miscela al 30% di glicole propilenico e acqua.

L’unità di scambio termico “Solar Unit” è costituita da uno scambiatore del tipo scomponibile a piastre e guarnizioni, della potenza nominale di 800 kW e dimensionato per operare con salto termico ridotto (ΔT logaritmico medio < 8°C), pompe di circolazione a giri variabili, comandate da inverter, sistema di by-pass primario e secondario, organi di misura e di regolazione, contabilizzatore di calore certificato MID.

Il sistema di controllo è costituito da un sistema PLC. Che opera in base alla costante misurazione del valore di irraggiamento solare tramite 3 piranometri. I valori di radiazione solare e di temperatura ambiente vengono inseriti nella equazione di efficienza del campo solare1 determinando la potenza termica generabile dal campo solare. La velocità di rotazione delle pompe viene regolata di conseguenza, al fine di mantenere stabile la temperatura di mandata desiderata.

Nella operatività dell’impianto si distinguono 4 modi fondamentali di funzionamento e il sistema commuta automaticamente da uno all’altro al variare delle condizioni.

  • Modo preriscaldo. È la condizione tipica di avvio a freddo, all’inizio di una giornata soleggiata. In questa condizione è attiva la sola pompa di circolazione primaria, e lo scambiatore di calore è escluso dal by-pass primario. Il liquido del circuito solare viene gradualmente portato a temperatura tale da poter cedere energia allo scambiatore.
  • Modo bassa temperatura. È la modalità che segue quella di preriscaldo. Il set-point di mandata del circuito solare è di 70°C. Questo set-point viene mantenuto fintanto che la radiazione solare sulla superficie dei collettori rimane modesta. Sul lato secondario, il calore viene utilizzato per riscaldare il serbatoio dell’acqua di reintegro della rete. Durante la stagione invernale, questa è la modalità prevalente.
  • Modo alta temperatura. Viene attivato quando la radiazione solare sulla superficie inclinata dei collettori supera i 600 W/m2. Il set-point del circuito solare viene portato a 90 °C. Questo porta in breve tempo ad un aumento di temperatura anche al lato secondario dello scambiatore solare e, al superamento degli 80°C, porta a trasmettere l’energia prodotta dal campo solare agli accumuli di rete S1 ed S2 e solo in successione all’acqua di reintegro.
  • Modo protezione antigelo. La miscela al 30% di glicole presente nei collettori protegge dal gelo notturno invernale fino a circa -12°C. Temperature inferiori sono raggiungibili solo eccezionalmente: è in questo caso che le pompe vengono attivate per evitare possibili danni da gelo, prelevando minime quantità di energia dai serbatoi di accumulo.

Risultati attesi

Fig.4 InstallazCollTetto

La resa energetica attesa del campo solare è di 450 MWh/anno, in relazione ad un irraggiamento annuo di 1438 kWh/m2, riferiti alla superficie inclinata di 35° e con una temperatura media di ritorno al secondario dello scambiatore non superiore a 65 °C.

A tale resa energetica corrisponde un risparmio di energia da combustibile fossile (gas metano) di 43 TEP/anno e una riduzione delle emissioni di CO2 pari a 108 t/anno.

L’utilizzo per riscaldamento dell’acqua di reintegro poi, può impegnare una quota significativa della produzione energetica dell’impianto solare, incrementandone l’efficienza e di conseguenza tutti i valori di resa energetica e ambientale. Tale incremento dipenderà dalle modalità di conduzione dell’impianto, ma ci si aspetta inciderà tra il 10 ed il 20%.

I costi di esercizio, legati principalmente all’assorbimento elettrico delle pompe di circolazione, sono stimati inferiori a 2 €/MWh prodotto.

Aspetti economici

Fig.6 MisurazRadiazSolare

L’investimento complessivo da parte di Varese Risorse è stato di 400.000 €, comprensivo delle opere accessorie civili, di scavo e di modifica dell’impianto esistente. Dal Conto Energia termico, secondo la attuale formulazione, è atteso un incentivo pari a 54.450 €/anno, per 5 anni.

Con un tasso di sconto pari al 6%, e una vita utile stimata, cautelativamente, in 20 anni, la utility ha definito un tempo di rientro di 9 anni, un Tasso Interno di Rendimento del 8,43% e un Valore Netto Attualizzato di 48.676 €.

Conclusioni

Fig.5 SolarUnit

In relazione al bilancio energetico della rete di teleriscaldamento il contributo solare è molto limitato, pari allo 0,6% su base annua. Nonostante la ridotta frazione solare, questo impianto è significativo quale dimostrazione della fattibilità tecnico-economica del teleriscaldamento solare, replicabile anche su scala maggiore.

Esiste ancora un sensibile effetto di scala da sfruttare, che consentirà, per impianti di dimensioni maggiori, una riduzione dei costi specifici di realizzazione.

Abbiamo poi una speranza – non del tutto priva di fondamento – che il decreto Conto Energia Termico, la cui revisione è attualmente al vaglio del Ministero dello Sviluppo Economico, innalzi presto il limite massimo della taglia incentivabile.

Il solare termico ha già ampiamente dimostrato la capacità di contribuire significativamente alla realizzazione di singoli edifici energeticamente virtuosi. Ora si apre un nuovo capitolo per questa tecnologia, dato dalla possibilità di integrarsi nella infrastruttura del teleriscaldamento, per rendere più efficienti intere città, riducendo le emissioni e la dipendenza dai combustibili fossili.

Il beneficio ambientale – che è beneficio per tutti i cittadini – è rilevante e rafforza la nostra convinzione che la strada oggi intrapresa meriti di essere percorsa.

Una tecnologia che viene dal Nord In Danimarca, parallelamente a un mercato di piccoli e medi impianti solari come nel resto d’Europa, si è sviluppato da tempo il particolare settore del solare termico a grande scala applicato a reti di teleriscaldamento. Il primo impianto del genere, realizzato nel 1988 a Saltum, è tuttora in funzione, a dimostrazione che i vent'anni comunemente assunti come vita utile siano ampiamente superabili. Da allora il teleriscaldamento solare si è diffuso in Danimarca con rapidità crescente e con realizzazioni sempre più grandi, anche abbinate a sistemi stagionali di accumulo del calore. Il teleriscaldamento di Varese Varese Risorse SpA, che dal 2007 fa parte del gruppo a2a, gestisce dal 1992 la rete della città di Varese con la storica centrale di Via Ottorino Rossi. La centrale comprende una turbina a gas GE-Nuovo Pignone da 5 MWe con caldaia a recupero da 11 MW e postcombustore da ulteriori 4 MW. A questo si aggiungono cinque caldaie a gas di integrazione e riserva per ulteriori 35 MW. La rete di distribuzione del calore acqua calda (90/65°C) ha una estensione di 16 km e serve 150 grandi utenze per riscaldamento ambienti e acqua sanitaria. In questa rete è stato integrato, per la prima volta in Italia, un impianto solare termico, realizzato da SDH Energy. L’impianto solare, è stato concepito per fornire calore sia direttamente ai serbatoi di accumulo termico (S1 e S2) e quindi alla rete di teleriscaldamento, sia per il preriscaldo dell’acqua di reintegro della rete, che viene prelevata dall’acquedotto ad una temperatura di circa 10 °C. La rete in questione presenta una necessità di reintegro tra 7 e 12 m3 giornalieri, il che rappresenta una opportunità per il campo solare di fornire energia a temperatura più bassa dei valori caratteristici della rete, permettendo un potenziale significativo incremento della efficienza solare. Il campo collettori è costituito da 73 pannelli piani vetrati ARCON Solar, mod. HT-HEATBoost35/10, ciascuno con superficie lorda di 13,56 m2, disposti a terra e in parte sulla copertura di un nuovo fabbricato che ospita al suo interno l’unità di scambio termico e il sistema di controllo. La superficie captante è di 990 m2: l’aggiunta di un solo collettore avrebbe comportato, con il superamento dei 1000 m2, la perdita dell’incentivo in conto termico (Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico 28 dic. 2012). Il fluido termovettore utilizzato nel circuito solare è una miscela al 30% di glicole propilenico e acqua. L’unità di scambio termico “Solar Unit” è costituita da uno scambiatore del tipo scomponibile a piastre e guarnizioni, della potenza nominale di 800 kW e dimensionato per operare con salto termico ridotto (ΔT logaritmico medio < 8°C), pompe di circolazione a giri variabili, comandate da inverter, sistema di by-pass primario e secondario, organi di misura e di regolazione, contabilizzatore di calore certificato MID. Il sistema di controllo è costituito da un sistema PLC. Che opera in base alla costante misurazione del valore di irraggiamento solare tramite 3 piranometri. I valori di radiazione solare e di temperatura ambiente vengono…

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Zeno Benciolini

About Zeno Benciolini

Laureato in Ingegneria Meccanica con indirizzo Energia presso il Politecnico di Milano. Esperto in Gestione dell’Energia (EGE) certificato UNI-CEI 11339. Direttore tecnico di Sonnenkraft Italia. Nel 2014, insieme a Sonnenkraft Italia, ho fondato SDH Energy srl, con l’intento di portare in Italia il modello nordeuropeo del teleriscaldamento solare. SDH Energy è distributore per l’Italia del marchio danese Arcon-Sunmark e propone soluzioni chiavi in mano di impianti solari termici a grande scala.

  1. Pg = Ac ·[η0 · G – a1 · (Tm – Ta) – a2 · (Tm – Ta)2] · fP · fU · fO
    Dove:
    Pg [W] = la potenza di output
    Ac [m2] = Area di riferimento dei collettori cui sono riferiti i parametri η0, a1 e a2
    η0 [-] = Efficienza ottica dei collettori
    a1 [W/(K·m²)] = Coefficiente di perdita termica del primo ordine
    a2 [W/(K²·m²)] = Coefficiente di perdita termica del secondo ordine
    G [W/m²] = radiazione solare sulla superficie dei collettori
    Ta [°C] = temperatura ambiente
    Tm [°C] = (Tc,in + Tc,out) / 2 = temperatura media del fluido circolante nei collettori solari, dove:
    Tc,out [°C] = temperatura del fluido in uscita dal campo collettori
    Tc,in [°C] = temperatura del fluido in ingresso nel campo collettori
    fP, fU, fO sono fattori correttivi che tengono conto delle dispersioni di calore delle tubazioni e di eventuali imperfezioni nella distribuzione delle portate. 

Autore: Zeno Benciolini
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