Solare termodinamico a sabbia, una innovazione made in Italy

Il primo impianto solare termodinamico italiano, dopo quello sperimentale Enel di Priolo, dovrebbe sorgere, su iniziativa di una società spagnola, vicino a Banzi, in Basilicata, e avere una potenza di 50 MW. Dovrebbe, diciamo, perché con l’approvazione del progetto sono immediatamente arrivate le proteste di vari comitati del “No”. A preoccupare i comitati, fra le altre cose, il pericolo di inquinamento dovuto all’uso di oli minerali come fluido per trasportare il calore dagli specchi parabolici al serbatoio di sali fusi che dovrebbe accumulare quel calore per produrre il vapore.

Un nuovo tipo di solare termodinamico, chiamato STEM (Solare Termodinamico Magaldi), inventato tutto in Italia, dovrebbe però superare completamente ogni rischio ambientale usando una sostanza che a ben pochi sarebbe venuta in mente: la sabbia. Un primo impianto dimostrativo da 100 kW è in funzione da un anno nello stabilimento Magaldi di Buccino, vicino a Salerno. Ci siamo fatti spiegare le caratteristiche di questa nuova tecnologia dall’ingegner Gennaro De Michele, direttore scientifico del progetto STEM del Gruppo Magaldi.

Ingegnere, cosa c’entra la sabbia con il solare termodinamico?

Nel solare termodinamico, com’è noto, si usano o specchi piani che concentrano la luce su uno scambiatore di calore posto su una torre centrale, oppure lunghe file di specchi parabolici, che concentrano la luce su tubi pieni di liquido, posti nel loro fuoco. In entrambi i casi, però, il problema principale è come trasportare il calore solare al generatore di vapore, raggiungendo temperature abbastanza elevate da ottenere buoni rendimenti nel ciclo termodinamico. Per molti anni si sono usati come fluidi di trasporto oli minerali diatermici, che però si deteriorano sopra i 400 °C, che è una temperatura buona ma non ancora ottimale per l’uso termoelettrico, e, in caso di perdite, sono infiammabili e inquinanti. Il premio Nobel Carlo Rubbia ebbe l’idea di usare al loro posto sali minerali fusi, nitrati di sodio e potassio, che sono ambientalmente innocui e permettono di raggiungere anche i 550 °C, ma che hanno due svantaggi: se si raffreddano solidificano, bloccando le tubature, ed, essendo energici ossidanti, devono essere maneggiati con cautela. La nostra idea per superare questi limiti, ottenendo anche ulteriori vantaggi, è stata quella di prestare al solare termodinamico la tecnologia dei “letti fluidi”, largamente usata nell’industria chimica e nelle combustioni industriali, in cui un solido polverizzato viene mantenuto sospeso da una corrente d’aria, comportandosi così come una sorta di liquido. Nel nostro caso, dopo vari studi ed esperimenti, condotti anche con il gruppo del professor Piero Salatino dell’Università di Napoli, un esperto del settore,  come fluido termovettore abbiamo scelto la sabbia sospesa in aria.

Ma la sabbia ha una pessima conduttività termica e poi è abrasiva?

La sabbia convenzionale, in mucchio compatto, è un pessimo conduttore, è vero. Ma noi usiamo sabbia silicea di fiume, quella del Ticino sembra particolarmente adatta, in particelle di dimensioni media di 150 micron, che sospesa in un flusso d’aria aumenta la sua capacità di condurre calore di oltre cento volte, diventando termicamente più conduttiva dei metalli. Quanto all’erosione, lo stesso titolare dell’azienda, Mario Magaldi, che più di ogni altra cosa vuole che i suoi prodotti siano affidabili, aveva dei dubbi. Per questo ha convocato un super esperto tedesco dell’Università di Stoccarda, perché si esprimesse sulla durata dell’impianto. L’esperto ha considerato le piccole dimensioni della sabbia e il fatto che per sollevarla bastasse una corrente d’aria con una velocità di pochi centimetri al secondo, contro le velocità di alcuni metri al secondo usati nelle tipiche applicazioni industriali dei letti fluidi, concludendo che la vita media di questo impianto sarà circa di 200 anni. Direi che l’erosione non è un problema.

Va bene, la sabbia in letto fluido funziona, ma come si fa a scaldarla con il Sole?

Il nostro impianto standard da 500 kW consisterà in una torre centrale alta 36 metri, circondata da una crociera di specchi leggermente concavi, che rifletteranno la luce solare su specchi piani secondari posti in cima alla torre che la concentreranno in una cavità metallica progettata in modo che la luce si rifletta al suo interno senza poter scappare, scaldandola fino a 500-600°C (vedi immagine con rendering, ndr). Esternamente alla cavità ci sarà il letto fluido di sabbia, alimentato da un semplice ventilatore, che preleverà il calore dalle pareti della cavità, trasportandolo verso uno scambiatore di calore posto anch’esso nel letto fluido producendo vapore surriscaldato, di qualità identica a quella delle migliori centrali alimentate a gas o carbone.  Il sistema ottico e il ricevitore sono stati progettati con l’aiuto dell’Istituto di Ottica, con il contributo fondamentale dell’Istituto Ricerche sulla Combustione diretto dall’ingegner Riccardo Chirone e dell’Istituto di Ricerca sui Materiali Ceramici, tutti del Cnr. Con loro il Gruppo Magaldi e gli esperti dell’Università di Napoli si sono aggiudicati per il progetto STEM un finanziamento PON di circa 9 milioni di euro del MIUR, costituendo un ottimo esempio di interazione positiva fra Stato, Ricerca e Industria.

Ma tenere in sospensione la sabbia consumerà parte dell’energia prodotta …

Nelle prove fatte finora il letto fluido assorbe circa il 10% della produzione. Non è molto, considerata anche l’aumento di efficienza consentito dalle temperature più alte, e siamo sicuri che perfezionando la tecnologia si possa scendere ancora.

La sabbia fa anche da accumulo termico?

Certamente, durante la notte o quando ci sono nuvole davanti al Sole, la sabbia continua a circolare intorno agli scambiatori, cedendo via via il suo calore. L’impianto standard garantisce fino a 7 ore di accumulo a piena potenza, ma si può facilmente aumentare la durata dell’accumulo, usando più sabbia e più specchi. Da notare che questo sistema consente anche di compensare la mancanza di sole bruciando metano. Questo lo fanno anche gli altri sistemi solari termodinamici, ma nel nostro caso il metano lo si può bruciare direttamente nel flusso di aria e sabbia, senza caldaie o componenti aggiuntive. In pratica l’impianto può passare automaticamente da un 100% di funzionamento solare a un 100% di funzionamento a metano, senza soluzione di continuità, arrivando a tassi di funzionamento di 8000 o più ore annue. 

500 kW di impianto, però, sono un po’ pochi per fare un grande impianto elettrico?

In realtà il modulo da 500 kW è uno dei punti di forza dell’idea. Noi non progettiamo ad hoc per le varie esigenze: forniamo un modulo standard, costruito in serie, quindi molto economico, con cui si possono poi creare impianti di ogni tipo. Hai un’industria a cui servono calore ed elettricità? Installi solo uno dei nostri moduli. Vuoi creare una centrale elettrica per una comunità isolata? Ne installi 2 o 3. Vuoi fare una centrale di molti MW per la rete? Usi 10 moduli o più. E si può usare anche come fonte di calore, per esempio per dissalare l’acqua, oppure, si possono anche immaginare moduli che raggiungano per via solare temperature altissime, la sabbia silicea fonde a circa 1600°C, da impiegare in usi speciali industriali, come la fusione dei metalli, la distruzione di rifiuti tossici o la produzione di idrogeno per scomposizione termica dell’acqua, con enormi risparmi di energia fossile.

Ma anche con tutti questi vantaggi, pensate di farcela a battere il fotovoltaico, con la sua semplicità, estrema scalabilità e crollo verticale di prezzi?

Il confronto, in realtà, va fatto con il fotovoltaico che ha un sistema di accumulo a batterie in grado di conservare molte ore della sua produzione, come fa il nostro STEM, e che lo renderebbe molto, molto caro. Ripristinato il giusto confronto, la risposta è sì: vista la costruzione in serie del nostro modulo, siamo certi che nelle condizioni climatiche giuste, ancora per molti anni, e forse per sempre, il solare termodinamico potrà produrre energia competitiva con il fotovoltaico. E in più, come si diceva, produrrà anche calore ad alta temperatura, non dimentichiamolo.

Resta anche per voi però il tallone d’Achille del solare termodinamico: l’occupazione di grandi spazi di terreno piano e la necessità di un clima “sahariano”, stabilmente soleggiato.

Il nostro modulo base da 500 kW richiede 2-3 ettari di terreno; per impianti maggiori diminuisce l’uso del suolo per unità di potenza, incastrando i vari campi di specchi l’uno nell’altro, ma certo l’occupazione di 4-5 ettari a megawatt sommato alle esigenze climatiche, rende questa fonte più adatta alle zone desertiche o semidesertiche dal Medio Oriente all’Australia, dalle Americhe al Nord Africa.

Però volete costruire il primo vero impianto in Italia?

Certo, con gli incentivi oggi a disposizione, (fino al 2015 e fino a 250 MW installati, sono 0,20-0,30 euro/kWh, a secondo della frazione di metano integrativo, ndr), un nostro impianto è redditizio anche da noi. Il suo scopo principale, però, sarebbe quello di creare uno “showcase”, un impianto di taglia commerciale operativo, dove portare possibili clienti provenienti da aree del mondo più vocate dell’Italia per questa tecnologia e convincerli a comprare la nostra soluzione. Stiamo valutando in varie regioni del sud possibili luoghi dove impiantarlo. Sarebbe una vetrina per uno straordinario prodotto del Made in Italy, che porterebbe reddito e lavoro al nostro paese, perché è in Italia che lo vogliamo produrre, niente fughe in Cina per lo STEM. La delocalizzazione si batte con l’innovazione, non diminuendo i costi a livello asiatico.

Comitati del No permettendo …

Se un nostro impianto si dovesse rompere, spanderebbe intorno solo un mucchio di sabbia di fiume, spero che questo li rassicuri…