Il primo impianto italiano di teleriscaldamento solare

E’ stato inaugurato a Varese il primo impianto solare termico per il teleriscaldamento. Si tratta anche del primo esempio di integrazione di rete tra solare e teleriscaldamento nei paesi mediterranei.

Il campo solare prevede 8 file di pannelli solari collegate in parallelo, di cui una (suddivisa in tre parti) disposta sul tetto del magazzino.

Il campo solare prevede 8 file di pannelli solari collegate in parallelo, di cui una (suddivisa in tre parti) disposta sul tetto del magazzino.

La città di Varese si è dotata di una rete di teleriscaldamento urbano nel 1992 quando è stato realizzato un impianto di cogenerazione costituito da una turbina a gas, in grado di produrre un potenza elettrica nominale di circa 5 MWe, una caldaia a recupero che permette di ricavare circa 11,5 MWt dai fumi esausti della turbina a 540 °C, postcombustore, cinque caldaie di riserva e integrazione, due serbatoi di accumulo per una capacità di 430 m3 e un SCR per l’abbattimento degli NOx.

La potenza elettrica prodotta dalla turbina a gas viene poi trasformata in tensione ed immessa nella rete a 132 kV.

L’investimento iniziale è stato di 15 milioni di euro e il tempo di rientro è risultato inferiore ai 7 anni.

La logica di controllo dell’impianto prevede che primariamente sia assicurata la produzione di calore e dopo l’erogazione di energia elettrica.

La rete di teleriscaldamento si estende per oltre 16 km e utilizza come fluido termovettore l’acqua calda in pressione a 90 °C (ritorno 65 °C) che trasferisce calore a 150 utenze tra cui privati condomini (56.6%), aziende (19%), l’ospedale cittadino (24.4%) e si raffredda fino a 60/65 °C. Gli abitanti raggiunti sono circa 20.000 per una volumetria complessiva di circa 2 milioni di m3.

Grazie alle cinque caldaie di riserva l’impianto riesce ad integrare totalmente le richieste della rete anche nel caso del mancato funzionamento della turbina a gas.

I due serbatoi di accumulo poi, con un interazione sulle linea dell’acqua calda, consentono di modulare la richiesta di calore in funzione dei picchi della domanda dalle utenze.

Il circuito primario della rete, con una portata d’acqua di 1141 m3/h, cede calore tramite appositi scambiatori ai circuiti secondari posti nelle sottocentrali d’utenza, e queste lo trasferiscono all’impianto di riscaldamento e/o di produzione dell’acqua calda sanitaria.

Vista l’estensione non elevata della rete la perdita della portata d’acqua è stata misurata attorno all’8/9 % di quella complessiva.

Questa perdita di portata d’acqua della rete viene controbilanciata dal serbatoio coibentato di stoccaggio dell’acqua di reintegro di 75 m3 a sua volta alimentato con acqua dell’acquedotto trattata alla temperatura media di 10°C, operazione questa che comporta mediamente un fabbisogno di calore pari a circa 15 MWh/mese.

L’impianto solare termico

La crescente consapevolezza e volontà di estendere il campo delle forniture energetiche anche al settore delle rinnovabili ha aperto la strada al progetto e alla realizzazione del primo impianto solare termico per teleriscaldamento costruito in Italia, su l’iniziativa della società milanese A2A attraverso la controllata Varese Risorse.

Naturalmente vista la novità costruttiva e l’estensione dell’impegno, si è proceduto preliminarmente a verificare che il progetto potesse risultare economicamente sostenibile e garantire ritorni economici in tempi certi o almeno verificabili. In questo caso sono state due le variabili che hanno contribuito positivamente all’avvio dell’impianto: l’incentivo economico attraverso il cosiddetto Conto Termico messo in campo dal legislatore, e l’individuazione dell’area d’insediamento rientrante nella disponibilità (diritto di superficie) di Varese Risorse.

L’iniziativa ha poi avuto la fortuna di nascere in un momento in cui veniva ridisegnata la programmazione urbanistica della città di Varese attraverso l’adozione del nuovo Piano di Governo del Territorio).

L’iter è stato cosi di per se molto veloce, con la presentazione del progetto il 17 aprile 2014 e il rilascio del permesso di costruire il 27 ottobre 2014. L’impianto è stato poi realizzato e consegnato in soli 8 mesi, il 18 maggio 2015.

Come detto la proprietà dell’area da parte del gestore di rete è risultata discriminate in quanto ha permesso di insediare l’impianto nello spazio di 2.600 m2 antistante alla centrale di cogenerazione. Si avuto cosi buon gioco nel prevedere l’inserimento di circa 990 m2 (superfice captante lorda) di pannelli solari, anche se, vista la folta vegetazione arborea, è stato necessario richiedere uno sfoltimento anche all’area confinante (che fortunatamente è di proprietà dell’Università dell’Insubria, istituzione già di per se sensibile alle tematiche del risparmio energetico).

Grazie al Centro Prealpino Lombardo e al JRC di Ispra (VA) è stato possibile stimare con buona precisione l’irraggiamento solare per la città di Varese pari a 1.332 kWh/m2, che diventano circa 1.600 kWh/m2 quando i pannelli vengono disposti in opera con l’inclinazione prevista di 35° sul piano orizzontale e direzione sud.

Sul campo solare di 990 m2 sono stati disposti 73 pannelli (di 13,57 m2 cadauno) su 8 file (da 7-11 pannelli) collegate in parallelo. Di queste, 7 file sono state disposte direttamente sul terreno, mentre un’ultima fila è stata collocata sul tetto del nuovo magazzino.

L’installazione dei 73 pannelli solari stima una produzione annuale di calore nell’intervallo dei 450/550 MWh.

Il campo solare cosi insediato consente di coprire una frazione del teleriscaldamento fino al 3,3 % nella stagione estiva (meno dell’1% in quella invernale), valori questi che rendono flessibile l’utilizzo dell’impianto stesso.

Il risparmio annuo delle emissioni di CO2 rispetto all’impianto tradizionale è di 108 tonnellate.

La tecnologia solare

Operare con temperature di mandata di 90 °C e di ritorno di 65 °C influenza in maniera marcata la scelta dei pannelli solari in funzione della propria curva di efficienza in quanto si deve poterne ottimizzare la resa alle nostre latitudini in presenza di temperature stagionali mediamente più elevate rispetto al Nord Europa. Difatti la resa di un pannello solare termico varia in funzione della differenza tra la temperatura media operativa dei collettori solari e la temperatura ambiente, diminuendo in modo sensibile all’aumentare di questa differenza. Questo spiega come sorprendentemente, pur avendo un miglior irraggiamento solare, le regioni meridionali dell’Europa scontano temperatura operative maggiori che diminuiscono la resa del campo solare, obbligando verso una selezione (più costosa) di pannelli solari termici ad elevata efficienza ottica unitamente a basse perdite convettive che influiscono sulla dinamica della curva di prestazione.

Il serbatoio di stoccaggio dell’acqua di reintegro. La logica di funzionamento del campo solare prevede che per determinate condizioni si preriscaldi l’acqua a bassa temperatura (10 °C) prelevata dal serbatoio di reintegro. Questo aumenta l’efficienza dei pannelli solari che possono così operare con temperature medie minori.

Il serbatoio di stoccaggio dell’acqua di reintegro. La logica di funzionamento del campo solare prevede che per determinate condizioni si preriscaldi l’acqua a bassa temperatura (10 °C) prelevata dal serbatoio di reintegro. Questo aumenta l’efficienza dei pannelli solari che possono così operare con temperature medie minori.

Le logiche di funzionamento

A differenza di altri impianti di teleriscaldamento solare termici, l’impianto di Varese interviene, anche e soprattutto, sul riscaldamento dell’acqua di reintegro e sull’accumulo di questa stoccato nei serbatoi di 215 m3 cadauno.

L’impianto di cogenerazione, in caso di diminuzione della domanda di calore, mantiene infatti inalterato il funzionamento della turbina a gas, per garantire la massima efficienza, e invia il calore generato in eccesso ai serbatoi di accumulo, in modo che questi possano restituire il contenuto energetico immagazzinato nei momenti di picchi della domanda di riscaldamento.

Il serbatoio di reintegro da 75 m3 invece raccoglie l’acqua già demineralizzata prelevata dall’acquedotto prima di essere immessa nella rete di teleriscaldamento. Nel 2013 è stato necessario introdurre 3473 m3 di acqua con una temperatura media stagionale dell’acqua prelevata dall’acquedotto di 10 °C. Questo ha comportato, considerando una temperatura media del teleriscaldamento di 70 °C, un fabbisogno energetico di circa 200 MWh, che è grosso modo pari al 40% della potenzialità termica del campo solare.

In aggiunta, conviene ricordare invece che l’utilizzo dell’acqua di reintegro a bassa temperatura permette di abbassare la temperatura media annuale dei collettori solari, innalzando il conseguente rendimento medio annuale del campo solare.

Il sistema di controllo adottato utilizza una logica fondata, oltre che sulle temperature, anche sulla misura dell’irraggiamento solare, proprio come avviene nei grandi impianti europei, che vantano superfici captanti di diverse migliaia di metri quadrati di collettori.

La strategia di utilizzo del campo solare viene così definita dalle condizioni limite “or” e di “recupero”. Nel primo caso il contributo termico del campo solare è destinato alternativamente al serbatoio di reintegro o di stoccaggio. Nel secondo caso invece viene prevista in alternativa l’opzione che l’acqua di ritorno dalla rete del teleriscaldamento possa essere prima utilizzata per riscaldare l’acqua del serbatoio di reintegro e dopo essere inviata a minor temperatura verso il campo solare. In questo modo l’effetto ottenuto è quello di massimizzare l’efficienza attraverso l’abbassamento della temperatura media annuale dei collettori solari.

Questa alternanza di impiego rende possibile gestire vantaggiosamente le due situazioni in cui si viene a trovare la temperatura dell’acqua in uscita dal campo solare: quando questa è superiore a 70 °C si invia unicamente al circuito del preriscaldo dell’acqua contenuta nel serbatoio di reintegro, mentre viceversa quando è superiore agli 80 °C si opta per la logica di recupero attraverso il circuito di scambio campo solare – rete teleriscaldamento.

I piranometri posti direttamente in prossimità dei pannelli solari misurano la radiazione diretta e diffusa sulla superficie. La lettura in tempo reale adatta e modifica le logiche di funzionamento del campo solare.

I piranometri posti direttamente in prossimità dei pannelli solari misurano la radiazione diretta e diffusa sulla superficie. La lettura in tempo reale adatta e modifica le logiche di funzionamento del campo solare.

Analisi economica

Di norma la produzione di calore attraverso un campo solare ha un costo maggiore rispetto alle tradizionali fonti di energia.

È così dunque chiaro che, oltre al necessario approfondimento delle competenze tecniche, lo sviluppo di impianti di grandi dimensioni richiedono anche un adeguato strumento di incentivazione e supporto finanziario.

In questo caso, le agevolazioni fiscali messe in campo dal cosiddetto Conto Termico sono state un fondamentale asset affinché il progetto potesse concretizzarsi attraverso un business plan sostenibile e commerciale.

Nel caso esaminato il valore dell’investimento è stato previsto in 400.000 euro, coperti dalle agevolazioni del Conto Termico attraverso la quota di 54.450 euro per 5 anni, per un incentivo complessivo di 272.250 euro. Considerando una vita utile dell’impianto di 20 anni, con un tasso di attualizzazione al 6 %, è stato previsto un tempo di recupero 9 anni, assolutamente in linea con analoghi investimenti in campo energetico.

La centrale di controllo posta nel magazzino, monitorando in real time le condizioni del campo solare, permette di inviare l’acqua in uscita alternativamente al serbatoi di accumulo o quello di reintegro.

La centrale di controllo posta nel magazzino, monitorando in real time le condizioni del campo solare, permette di inviare l’acqua in uscita alternativamente al serbatoi di accumulo o quello di reintegro.

Conclusioni

Nonostante le dimensioni del campo solare termico di Varese sfiorino i 1.000 m2, si tratta ancora di una installazione di modesta dimensione rispetto agli analoghi sistemi del nord Europa.

Risulta inoltre ancora troppo marginale la frazione energetica (3%) attribuibile al solo campo solare sull’intero quota dell’impianto di teleriscaldamento, indicando che gli sforzi per aumentare la diffusione di questa tecnologia devono ancora essenzialmente essere fatti.

Un’altra semplice valutazione tecnica viene inoltre imposta dalla temperatura di mandata di 90 °C della rete di teleriscaldamento, valore questo frutto di scelte energetiche del passato quando i terminali di diffusione del calore erano quasi esclusivamente di un solo tipo e che rende oggi problematico, oltre che inefficiente, l’impiego di nuove soluzioni rinnovabili come quella dei pannelli solari termici che operano con temperature minori. Viene quindi necessario intervenire anche sull’utenza finale per emanciparla verso soluzioni più efficienti e meno penalizzanti nello sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili.

Un ultima considerazione: va da se che in un paese come il nostro, privo per la quasi totalità di riserve fossili, non si dovrebbe neanche più porre il problema di dove e come investire per cercare di aumentare la nostra indipendenza energetica, peraltro in modo pulito e rinnovabile. E questo a prescindere anche dai flussi finanziari non esaltanti che alcune di queste tecnologie possono nel breve periodo presentare.

 

Si ringraziano l’ing. Fabio Fidanza, direttore di Varese Risorse, per l’ampia disponibilità e le preziose informazioni trasmesse, e il dottor Zeno Benciolini di SDH Energy.

 

I protagonisti dell’impianto

Studio previsionale

Varese Risorse, SDH plus

Progetto e Direzione Lavori

Varese Risorse

Realizzazione

Varese Risorse, SDH Energy

Subfornitori per la messa in opera

Arcon Solar, Vibotech, Archetti RX

I fornitori

Scambiatore di calore: Sondex, Alfa Laval

Collettori solari: Arcon solar

Valvole a sfera a 2 e 3 vie: Giacomini

Valvole a sfera: Broen

Valvole di sicurezza e valvole motorizzate: Belimo

Circolatori primari e secondari: Grundfos

Disareatore: Spirotop

Valvole di non ritorno: Armatec

Sensori di pressione, misuratori di flusso: Siemens

Termostato di sicurezza: Jumo

Valvole di regolazione: TA-Hydronics

Vasi di espansione: PHJ, Acquasystem

Serbatoio glicole: KN-beholder

Tubazioni preisolate: Ecoline

Turbina a gas: GE Nuovo Pignone

Controllore PLC: Omron

Luca Ferrari

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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