RICERCA ITALIANA     

SoLiDe - Solar cooLing Devices

Università degli Studi di Firenze

Abstract

La proposta di ricerca denominata “So.Li.De.”, si colloca all’interno dell’attuale sforzo europeo per lo sfruttamento di energie rinnovabili. In particolare, lo scopo del progetto è lo studio e lo sviluppo di tecnologie per la conversione dell’energia solare in energia frigorifera e termica mediante macchine ad assorbimento.
Le singole unità di ricerca, in maniera coordinata, perseguiranno l’obbiettivo comune di sviluppare le tecnologie caratteristiche degli impianti di Solar Assisted Cooling (SAC) e degli impianti di Solar Heating end Cooling (SHC), basandosi su impianti ad assorbimento (NH3/H2O, LiBr/H2O) derivabili da applicazioni industriali di taglia elevata. Quanto disponibile per utenze residenziali e commerciali è di fatto ancora oggetto di sviluppo e di ricerca. Analogamente i sistemi di captazione dell’energia solare indirizzati all’alimentazione di macchine frigorifere sono al momento caratterizzati da scarsa disponibilità commerciale.
Il progetto SoLiDe prevede l’ottimizzazione di entrambe le tecnologie attraverso la sperimentazione su due impianti dimostrativi completi e strumentati: uno di SAC a H2O-LiBr presso l’università di Bergamo e l’altro di SHC a NH3-H2O presso l’Università di Firenze

Le unità proponenti già da anni attive nella ricerca del settore solare hanno maturato esperienze sia sui chiller che sui collettori. In particolare dalle esperienze sulle macchine ad assorbimento a NH3-H2O di piccola taglia per applicazioni di trigenerazione e Solar Cooling, si adatterà l’unità frigorifera allo sfruttamento dell’energia solare come sorgente termica, sviluppando un sistema di parzializzazione della soluzione NH3 che agevoli e migliori la resa giornaliera dei collettori solari. Riguardo i sistemi a media temperatura (H2O-NH3) il contributo maggiore all’obiettivo di progetto sarà, comunque, dovuto allo sviluppo di collettori solari PTC, studiati specificatamente per lavorare tra 140 e 170°C, cercando di superare le efficienze dei sistemi attuali attraverso la ricerca su geometrie e materiali e ottimizzando la progettazione per ottenere un costo, dell’ordine di 300 €/m2, coerente con l’obbiettivo di progetto.
Per il raggiungimento degli obbiettivi dell’attività di ricerca, verrà realizzato un prototipo d’impianto SHC per la caratterizzazione sperimentale dei singoli apparati e del sistema completo SHC basato su cicli ad ammoniaca e collettori solari PTC nonche la simulazione di realizzazioni reali.

Riguardo i collettori piani caratterizzati da temperature di esercizio inferiori l’obiettivo di progetto è quello di migliorane le prestazioni ottimizzandoli per il funzionamento compatibile con i chiller a LiBr. Di rilievo infine l’attività connessa alla messa a punto di fluidi termo vettori ad alta efficienza. Raccogliendo le esperienze maturate negli ultimi anni dall’unità di Lecce nella messa a punto di nano fluidi a base acquosa verrà finalizzato il lavoro all’innalzamento della temperatura di esercizio dei collettori piani tradizionali fino a 80-90°C, cercando di non intaccare l’attuale economia e semplicità realizzativa che li contraddistingue.
Tale attività, unitamente allo studio di accorgimenti per l’aumento delle capacità di isolamento termico, sarà finalizzata alla realizzazione di un prototipo di collettore solare piano ottimizzato per le temperature tipiche dei sistemi a LiBr; tale prototipo sarà accoppiato ad un sistema frigorifero a bassa temperatura e successivamente sottoposto a sperimentazione.
Parallelamente verranno portate avanti le attività di sviluppo dei sistemi di SAC basati su macchine frigorifere ad assorbimento a Bromuro di Litio, sviluppando un software di progettazione, ottimizzato per questi impianti, in grado di dimensionare i componenti della macchina frigorifera e dell’impianto di SAC nonchè di simularne il funzionamento in condizioni di off-design, tipiche dell’abbinamento all’energia solare.
Per il raggiungimento dell’obiettivo di progetto, anche in questo caso verrà realizzeto un sistema completo di solar cooling, comprensivo di accumuli termici, macchina ad assorbimento, torri evaporative e campo solare al fine di eseguire un monitoraggio del funzionamento del sistema e di caratterizzare completamente a livello dimostrativo

Alla luce delle forti esigenze di contenimento dei consumi elettrici per la climatizzazione estiva, il progetto SoLiDe, intende sviluppare questi sistemi, ottimizzandone le prestazioni, e promuoverne la diffusione in applicazioni civili. Tali applicazioni sono caratterizzate in generale da piccole taglie, dell’ordine dei 10-100 kW, che contrariamente alle macchine di grande taglia per applicazioni industriali, necessitano di un intenso lavoro di sviluppo

Questo progetto di ricerca intende recepire tale l’esigenza e finalizza le competenze che i 3 gruppi di ricerca hanno maturato negli anni, allo scopo di sviluppare sistemi di Solar Cooling (SAC) e sistemi “Solar Heating end Cooling” (SHC). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Maurizio De Lucia Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca, in linea con quanto previsto a livello comunitario, ha come obiettivo la realizzazione di un sistema di piccola taglia ad energia rinnovabile per fornire energia frigorifera e, ove possibile, energia termica per riscaldamento domestico/H2O sanitaria (DHW), sfruttando l’energia SOLARE.

Tale sistema rientra nella categoria degli impianti SAC (Solar Assisted Cooling), e prevede l’accoppiamento di collettori SOLARI con una macchina ad assorbimento.

Le problematiche energetiche sono ormai percepite da tutti come elemento di particolare criticità, ed è ben noto che in un prossimo futuro si dovrà necessariamente limitare l’utilizzo dei combustibili fossili. Sistemi come quello proposto, definibili ad “EMISSIONE ZERO” incontreranno un forte gradimento e saranno incentivati a tutti i livelli. Attualmente infatti nella maggior parte dei paesi avanzati esistono incentivi per l’utilizzo di energie rinnovabili con particolare riguardo all’energia Solare. In Italia recentemente sono stati fatti consistenti passi in avanti incentivando i sistemi PV (sistemi fotovoltaici), anche se molto resta ancora da fare per raggiungere risultati significativi, in termini energia prodotta da fonti rinnovabili. Per gli impianti come quello proposto che comporta un utilizzo di energia elettrica “EVITATO”, sono attualmente in discussione, a livello comunitario, azioni e/o direttive mirate a valorizzare il KWh elettrico evitato al pari del kWh da PV immesso in rete. A livello internazionale la IEA-SHC (International Energy Agency – Solar Heating&amp;Cooling), sta operando in tal senso cercando di individuare indicatori universalmente condivisibili per la valorizzazione dell’energia primaria risparmiata con sistemi di Solar Cooling; in tal modo si avrà una chiara indicazione per una corretta valorizzazione economica.

È infatti proprio l’aspetto economico il vero problema che ne ostacola l’ampia diffusione. Dal punto di vista energetico non ci sono dubbi sulla loro convenienza; resta tutta da verificare invece la reale redditività di questi impianti, quando rapportati a soluzioni tradizionali. Senza incentivi, con gli attuali costi impiantistici e prezzi dell’energia elettrica, infatti si è dimostrato da più parti che tali sistemi, se confrontati con i sistemi a compressione, presentano tempi di ritorno dell’investimento dell’ordine di 15-20 anni. Si tratta di periodi troppo lunghi, di fatto paragonabili alla vita degli impianti stessi. (rif. Biblio).
Oltre al problema di una corretta incentivazione, per l’affermazione di questa tecnologia risulta indispensabile lo sviluppo di un’attività di ricerca finalizzata ad un’ottimizzazione delle scelte tecniche e delle configurazioni impiantistiche; questo al fine di ottenere da un lato prestazioni complessive più elevate, e dall’altro di ridurre i costi di investimento.

Il progetto prevede lo sviluppo e la realizzazione di due sistemi di SOLAR COOLING, ottimizzati, uno basato su tecnologia ad Acqua-Ammoniaca (H2O-NH3) ed uno a Acqua-Bromuro di Litio (H2O-LiBr). Tali sistemi completi, composti da campo solare e chiller, saranno destinati a verificare la fattibilità tecnico-economica.

Il modelli di sistema di SAC proposti non intendono operare come soluzioni “aggiuntive” a impianti tradizionali operanti in parallelo a soluzioni esistenti, ma si pensa ad un sistema “sostitutivo” degli stessi. Il sistema dovrà pertanto essere capace di provvedere ad un servizio anche in condizioni di insufficiente irraggiamento, integrando soluzioni di accumulo e “backup burners”.

La scelta delle due tipologie, Acqua-Ammoniaca (H2O-NH3) e Acqua-Bromuro di Litio (H2O-LiBr), è legata al fatto che allo stato attuale si possono considerare tecnologie sufficientemente mature in applicazioni utilizzanti fiamma diretta o a vapore/H2O pressurizzata, ma che necessitano di consistenti sforzi, ricerca e sviluppo per renderli tecnicamente compatibili ed idonei per istallazioni alimentate da CAMPI SOLARI.

Si tratta di soluzioni apparentemente simili, utilizzanti cicli ad assorbimento con NH3 o H2O come fluido di lavoro, ma nel contempo profondamente diverse tra loro. Il differente fluido di lavoro, infatti, incide pesantemente sulle pressioni di esercizio dei due sistemi e quindi sulle temperature di lavoro degli stessi. Conseguenza ne è che sono molto diverse le problematiche da affrontare. Il primo richiede temperature di alimentazione medio-alte tali da richiedere sistemi di captazione a concentrazione; l’altro è caratterizzato da livelli termici più bassi che consentono l’uso di tecnologie più tradizionali per la captazione della radiazione solare; tuttavia per le macchine a LiBr va segnalata la criticità delle pressioni estremamente basse a cui devono operare.

I livelli di temperatura infatti non solo definiscono i limiti tecnologici ma nel contempo offrono molteplici altre possibilità di ottimizzazioni energetiche.

In dettaglio il sistema H2O-NH3 prevede lo sfruttamento della radiazione diretta utilizzando Collettori opportunamente ottimizzati con un’ottica di economicità e costanza delle prestazioni. Si prevede di intervenire a livello di chiller e di campo solare con l’obiettivo di realizzare un sistema di SHC completo che dimostri la fattibilità tecnologica, e dia ragione delle scelte progettuali; andrà poi verificata la persistenza delle prestazioni energetiche nel tempo per una valutazione tecnico-economica. Gli studi porteranno alla realizzazione di un campo solare capace di produrre energia termica a 140-160°C fino a 25 kW, per l’alimentazione di un Chiller che, in relazione alle condizioni di irraggiamento, fornirà 12-18 kWfr (con fluido a 5-7 °C) e contemporaneamente 30-35 kW termici (con fluido a 40-55°C).
Grazie al fatto che nelle condizioni di massimo rendimento è possibile convertire la radiazione solare con efficienze elevatissime (anche doppi rispetto ai sistemi tradizionali) si prevede di finalizzate la ricerca a successive attività di industrializzazione di sistemi di SAC e SHC capaci di competere, anche dal punto di vista economico, con i sistemi tradizionali.

I sistemi a LiBr invece sono caratterizzati da temperature massime di lavoro molto più contenute e quindi permettono l’utilizzo di collettori apparentemente meno complessi e sofisticati. Tuttavia, i collettori piani disponibili in commercio sono progettati per fornire H2O a 50-60°C e perdono efficienza alle temperature dell’ordine di 80-90°C necessarie per ottenere buone efficienze dei frigoriferi a LiBr; pertanto si rende necessario sviluppare un collettore che consenta buone prestazioni a tali temperature. A tale scopo le sedi coinvolte collaboreranno sinergicamente contribuendo con le proprie competenze: l’unità di Firenze con le esperienze sui collettori a media temperature maturate in altri progetti FP6 (in termini di coating multilayer ), l’unità di Bergamo con l’esperienza nei test di collettori piani e quella di Lecce con quelle nel campo dei nanofluidi

L’unità dell’Università di Firenze sarà responsabile delle attività connesse al sistema ad NH3 mentre l’unità di Bergamo lo sarà per quelle attività connesse con i sistemi a LiBr. Per l’unità di Lecce si prevede un impegno nello sviluppo di fluidi termovettori innovativi basati sull’utilizzo di nano-particelle di interesse trasversale; è prevista la collaborazione con l’unità di Firenze, per quanto attiene i rivestimenti/barriere dei materiali metallici assorbenti e con Bergamo per la delicata attività di ottimizzazione del “matching” dei collettori con i chiller a bassa temperatura.

In sintesi L’obiettivo del progetto SoLiDe consiste essenzialmente nello sviluppo di due impianti uno istallato presso la sede di Firenze ed uno presso la sede di Bergamo in cui le due soluzioni tecnologiche ad assorbimento potranno trovare le necessarie verifiche prestazionali mirate a definire i limiti per favorire gli sviluppi di tali sistemi nell’ottica di una prossima economica profitability. <<<

Risultati parziali attesi

La situazione energetica mondiale e la sempre maggiore richiesta di condizioni di confort non potrà che essere di stimolo ma nel contempo di traino per lo sviluppo e futura diffusione di questi sistemi che, coerentemente con la gravità del problema energetico, è subordinata ad un lavoro di sviluppo generale teso all’ottimizzazione sia delle macchine frigorifere che dei sistemi di captazione per l’esercizio in cascata. Il progetto SoLiDe, intende recepire tale l’esigenza e finalizzare le competenze che i 3 gruppi di ricerca hanno maturato negli anni in progetti di ricerca affini allo scopo di ottenere sistemi di Solar Cooling (SC/SAC) e “Solar Heating end Cooloing” (SHC).

Le attività di ricerca incluse nel progetto SoLiDe affrontano in maniera approfondita le problematiche inerenti sistemi“completi di solar cooling e sistemi di solar heating and cooling con macchine frigorifere ad assorbimento con l’obiettivo di ottenere un risultato tangibile connesso alla realizzazione di due TEST-FIELD prototipali di cui al punto successivo. Naturalmente oltre ai due sistemi prototipali completi saranno molteplici i risultati soprattutto a livello di competenze e di problematiche di dettaglio sui componenti che necessariamente dovranno trovare riscontri nell’ambito del progetto SoLiDe.

Le tecnologie prese in considerazione in questo progetto sono senza dubbio le più mature tra quelle emergenti per convertire l’energia solare in energia frigorifera e termica.
Una loro diffusione coerente con gli indirizzi mondiali con l’opportunità strategica dell’utilizzo di energia solare per il raffrescamento di edifici residenziali, nonché per applicazioni di “light commercial”, è subordinata ad uno sviluppo generale, di ogni singolo componente coinvolto per queste applicazioni.

Tra i vari risultati della ricerca è da rimarcare l’importanza connessa allo sviluppo di strumenti software per la progettazione e la simulazione numerica dei componenti, dei collettori solari ed in generale dei sistemi di SC/SAC e SHC, ottimizzati specificatamente per queste applicazioni. Si tratta di un risultato di una certa importanza che spesso passa in secondo piano quando si possono esporre prototipi funzionanti ma fondamentale per la progettazione ed ottimizzazione dei sistemi sia a livello di componente che di sistema completo.

Non è da trascurare tra i risultati di rilievo la tipica vocazione “export-oriented” dei risultati del progetto che pone così le basi per un’imprenditoria orientata all’innovazione tecnologica nel settore energetico attraverso un trasferimento di competenze, soprattutto tecnologiche, al tessuto imprenditoriale nazionale finalizzate alla produzione di impianti di solar cooling: sia per quanto attiene ai campi solari a bassa e media temperatura che per quanto attiene i sistemi ad assorbimento (LiBr e NH3).
Tale risultato, come sottolineato in precedenza, potrebbe apparire troppo ambizioso ma appare raggiungibile in ragione del fatto che lo sviluppo di tali sistemi sarà frutto di competenze maturate in anni di attività e nell’ambito di altri progetti di ricerca condotti e/o in corso dalle 3 sedi proponenti. In tali progetti, come evidenziato nei dettagli dei FORM B delle sedi sono in essere collaborazioni con partner sia nazionali ma soprattutto internazionali di rilievo come la DLR (agenzia aerospaziale tedesca), Solitem (attuale leader sui collettori parabolici), SHAP (importante azienda italiana del settore), (ISE-Fraunhofer Institute (D), AEE INTEC (A), Tecsol (F), Ikerlan (E), CRES (GR)) CREAR (I), DLR (D), ENEA (I)

Ulteriore risultato che può giocare un ruolo fondamentale nello sviluppo di tali tecnologie è da individuarsi in materiali divulgativi e strumenti SW che, oltre alle classiche pubblicazioni scientifiche del caso, avranno un taglio divulgativo/formativo e potranno essere resi disponibili per operatori e non che potranno farne uso in sede di progetto guida per studi di fattibilità tecnica ed economica.

Resta infine da considerare che tale progetto favorirà lo sviluppo di competenze progettuali ed anche industriali di rilievo internazionale, con importanti ricadute, sia a livello di impianti dimostrativi, atti a favorire il trasferimento al mondo industriale, che di competenze di ingegneria mirata al supporto e/o formazione di progettisti o formatori a più basso livello.

A livello di dettaglio i risultati connessi al sistema di SHC di media Temperatura consiste in:

1. risultati individuati sia nelle competenze che vanno dall’ottica connessa ai concentratori, alla tecnologia per la loro realizzazione fino allo sviluppo di dettaglio dei componenti di chiller nonchè dei sistemi prototipali completi.

2. Un importante risultato è connesso allo sviluppo di collettori solari PTC, studiati specificatamente per lavorare tra 140 e 170°C, cercando di superare le efficienze dei sistemi attuali attraverso la ricerca su geometrie e materiali e ottimizzando la progettazione per contenere il costo, intorno a valori dell’ordine di 300 €/m2, coerente con l’obbiettivo di progetto. Si tratta di risultati che consentiranno di colmare il gap tecnologico che il nostro paese ha accumulato in questo settore.

3. A livello di chiller ad ammoniaca un importante risultato, che potrebbe essere oggetto di brevetto, riguarda il sistema di parzializzazione della soluzione NH3 che consente di migliorare la resa giornaliera dei collettori solari.

4. un prototipo d’impianto completo SHC per la caratterizzazione sperimentale dei singoli apparati e del sistema completo SHC basato su cicli ad ammoniaca e collettori solari PTC nonche la simulazione di realizzazioni reali.

Analogamente i risultati attinenti al sistema di SC/SAC a bassa temperatura riguardano:

1. Sviluppo collettori piani caratterizzati da elevata competitività economica ma anche da efficienze bassissime a temperature di esercizio di 90-100°C. L’obiettivo di progetto è quello di migliorane le prestazioni ottimizzandoli per il funzionamento compatibile con i chiller a LiBr.

2. Messa a punto di fluidi termovettori ad alta efficienza. Raccogliendo le esperienze maturate negli ultimi anni dall’unità di Lecce nella messa a punto di nano fluidi a base acquosa verrà finalizzato il lavoro all’innalzamento della temperatura di esercizio dei collettori piani tradizionali fino a 80-90°C, cercando di non intaccare l’attuale economia e semplicità realizzativa che li contraddistingue.

3. Prototipo di collettore solare piano ottimizzato per le temperature dei sistemi LiBr da utilizzarsi, previa messa a punto, per l’accoppiamento sistema frigorifero a bassa temperatura e successiva sperimentale delle tecnologie di solar Cooling a basa temperatura proposte nonché per la validazione dei modelli teorici e numerici.

4. Parallelamente verranno portate avanti le attività di sviluppo dei sistemi di SAC basati su macchine frigorifere ad assorbimento a Bromuro di Litio, sviluppando un software di progettazione, ottimizzato per questi impianti, in grado di dimensionare i componenti della macchina frigorifera e dell’impianto di SAC nonchè di simularne il funzionamento in condizioni di off-design, tipiche dell’abbinamento all’energia solare.

5. un sistema completo di solar cooling BRLi-H2O, comprensivo di accumuli termici, macchina ad assorbimento, torri evaporative e campo solare al fine di eseguire un monitoraggio del funzionamento del sistema e di caratterizzare completamente a livello dimostrativo

A livello di interesse ed avanzamento complessivo della conoscenza appare evidente che l’oggetto del progetto al momento riveste interesse ma soprattutto importanza strategica a livello mondiale, in particolar modo per i paesi più industrializzati. Ne è testimonianza il fatto che gli attuali leader mondiali sono proprio gli USA e Germania.

A livello applicativo si pensi che al momento l’aziende Leader mondiale di sistemi ad assorbimento di piccola taglia ad NH3 è una ditta italiana che ha avviato un programma di ricerca mirato arra realizzazione di assorbitori ottimizzati per applicazioni solari. Si tratta della Robur con la quale esistono collaborazioni tra le unità coinvolte al progetto di ricerca proprio in tal senso. Analogamente altri importanti gruppi di ricerca (si veda Riello) hanno avviato importanti attività di sviluppo con ingenti investimenti nel settore delle energie rinnovabili (sono stati annunciati a breve l’immissione sul mercato di sistemi a LiBr da 5 e 10 kW).
Al momento a livello nazionale saremmo quindi in grado di proporre chiller sia a media che bassa temperatura, anche se questi ultimi appaiono ancora non del tutto industrializzati, ma non siamo in grado di proporre sistemi completi di campo solare, sistema di controllo, accumuli/backup burnus.

Appare quindi evidente che gli interessi sono indubbiamente notevoli, come confermato dall’interesse nazionale dei gruppi industriali impegnati ed ulteriormente confermato dalle indicazioni emerse dalla prima analisi delle idee progettuali raccolte in seno al recente bando nazionale “INDUSTRIA 2015” bandito dall’IPE (istituto per la Promozione Industriale)
Sono numerose le conferme dell’interesse internazionale ne è esempio il recente l’articolo “Global Hero of the Environment 2007” pubblicato su TIME Magazine di ottobre 2007 riporta di un importante award riconosciuto al Dr Lokurlu (fondatore della SOLITEM) per il suo lavoro sullo sviluppo di collettori PTC per alimentazione di un assorbitore speciale (si tratta dell’assorbitore sviluppato dall’unità di Firenze in seno al progetto REACt - http://www.time.com/time/specials/2007/article/0,28804,1663317_1663322_1669933,00.html) <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La crescente domanda di potenza elettrica per il condizionamento, soprattutto nelle ore estive più calde, è ormai un problema critico per tutti i paesi più avanzati. La ricerca in ambito internazionale si sta occupando da tempo dello sviluppo di tecnologie per la generazione del freddo, utilizzando fonti energetiche rinnovabili. L’energia solare appare la più attraente, in quanto dotata di buon sincronismo tra la disponibilità di radiazione solare e domanda energetica per il condizionamento, oltre al fatto di essere una risorsa ampiamente disponibile nelle fasce climatiche in cui è maggiore la richiesta di climatizzazione, inoltre offre la possibilità di generare calore per il riscaldamento in inverno, in modo da sfruttare i collettori per molte più ore/anno.
A livello europeo si stanno investendo ingenti risorse per lo sviluppo delle tecnologie di Solar Cooling e “Solar Heating&amp;Cooling”, ritenute una scelta strategica per il contenimento dei consumi di energia primaria negli edifici.
In particolare i vari programmi di ricerca proposti della Commissione Europea, nonché dalla IEA (International Energy Agency) hanno attivato su tale tematica un confronto e in qualche caso collaborazioni tra i gruppi di lavoro, nei quali sono coinvolti i più importanti enti di ricerca europei DLR (agenzia aerospaziale tedesca), Solitem (attuale leader sui collettori parabolici), ISE-Fraunhofer Institute (D), AEE INTEC (A), Tecsol (F), Ikerlan (E), Rotartika (E), CRES (GR)) CREAR (I), ENEA (I).
Dal punto di vista termodinamico i sistemi utilizzabili per lo sfruttamento dell’energia solare per la produzione di energia frigorifera si distinguono in due famiglie. La prima costituita dai sistemi che utilizzano l’energia termica fornita dai collettori solari, alla quale appartengono i sistemi DEC (Desiccant Evaporative Cooling), i sistemi basati su cicli ad adsorbimento e quelli che utilizzano cicli ad assorbimento. La seconda famiglia include i sistemi che sfruttano l’energia elettrica prodotta da collettori fotovoltaici e comprende i cicli frigoriferi tradizionali a compressione di vapore.

La soluzione in cui pannelli fotovoltaici alimentano gruppi frigoriferi tradizionali, presenta oggi prestazioni energetiche in termini di COP-PE e costi non adeguati ad un potenziale sviluppo su larga scala.

Più interessanti risultano i sistemi che possono essere alimentati con l’energia termica ottenuta dai collettori solari: per primi i sistemi DEC, caratterizzati da una notevole semplicità costruttiva in quanto costituiti da semplici scambiatori di calore, umidificatori e da un rotore desiccante. Si tratta di un sistema che può operare anche in presenza di una sorgente termica a bassa temperatura, ma mostra ancora limitate capacità di raffreddamento, soprattutto nei climi umidi. L'attenzione della ricerca è rivolta soprattutto all’efficacia e alla rigenerazione del materiale desiccante [1,2,3,4] dove si utilizza l’energia termica.
I sistemi di solar cooling ad adsorbimento appaiono promettenti perché la macchina frigorifera non ha parti in movimento e, soprattutto, può essere alimentata da sorgenti termiche a temperature basse (fino a 50°C): ciò consente di impiegare collettori solari piani nel range in cui sono più alte le efficienze. Per contro, presentano lo svantaggio di un funzionamento di norma intermittente, che male si presta a soddisfare esigenze di condizionamento. Sono Inoltre sistemi poco diffusi con forte carenza di dati relativi al loro funzionamento. [5] riporta di diversi cicli frigoriferi ad adsorbimento, ha sviluppato e testato alcuni prototipi. Comincia ora ad essere piu consistente la letteratura finalizzata allo studio delle proprietà dei materiali adsorbenti. [6]. I pochi lavori pubblicati, inerenti test condotti su sistemi completi di solar cooling con chiller ad adsorbimento [7,8], mostrano che si tratta di una tecnologia ancora lontana dal garantire buone rese (i COP reali rilevati variano tipicamente tra 0.15-0.3 anche se molti autori parlano di valori teorici potenzialmente paragonabili se non superiori ai sistemi ad assorbimento).
Le soluzioni, basate sullo sfruttamento del solare termico che prevedono l’utilizzo di macchine ad assorbimento, al momento sembrano essere decisamente più interessanti in termini di COP-PE e costi [26,27,28] e maggiormente mature per un’applicabilità immediata.
Tali sistemi, introdotti a fine ‘800 e sviluppati negli anni ‘60 [29,30] possono essere alimentati con l’energia termica ottenuta dai collettori solari e si basano sulla capacità di fluidi di evaporare (cooling) e condensare (heating) a opportune temperature agendo sulla pressione degli stessi.
I cicli ad assorbimento che sembrano essere ormai maturi per l’utilizzo anche in applicazioni solari sono basati su miscele; H20-LiBr e a NH3-H2O. Sono indubbiamente i più diffusi e sono normalmente di derivazione industriale. Accettano fluidi termovettore (acqua, vapore, olio diatermico) a temperature tra 80°C e 200°C, in funzione del tipo di ciclo e della complicazione impiantistica.
In base alla letteratura [27,30] su macchine commerciali da 10-20kW a NH3-H2O [31] e macchine a H20-LiBr di media taglia (50-100 kW) [27,32], risultano tuttora necessari sviluppi mirati all’accoppiamento ed ottimizzazione con campi solari.
La possibilità oggi di collettori solari capaci di coprire le medie temperature (150-200°C), rende possibile l’uso di cicli basati su NH3-H2O che offrono una potenziale possibilità di utilizzo per il raffrescamento-riscaldamento anche contemporaneo nel settore residenziale e “light-commercial”.
Il comportamento dei sistemi ad assorbimento può essere riassunto schematicamente con la figura seguente, fig.3 [33],

Essa mostra che determinate prestazioni (? T) sono ottenibili solo con una certa tecnologia e fornendo al chiller fluidi a temperature tra 100 e 200°C.
In detta fascia il confronto fra le due soluzioni mostra che, a fronte di COP leggermente inferiori, le macchine a NH3-H2O offrono una complicazione impiantistica inferiore oltre a una minore esigenza di manutenzione.

L’intervallo tra 80 e 250°C, indicato per l’accoppiamento con le macchine frigorifere sopra elencate, è ottenibile da collettori a bassa e media temperatura [9,10], tra cui: i collettori piani con doppia vetratura antiriflesso (VDG) per temperature tra 80 e 150°C; i collettori stazionari ad alta efficienza con tubi sottovuoto (ETC), o i Compound Parabolic Collectors (CPC), per un range 80-120°C, infine i collettori a media concentrazione ad inseguimento; ovvero i sistemi FRESNEL piani o i più diffusi parabolici lineari, Parabolic Trough Collectors (PTC), adatti a temperature tra i 100 e i 300°C.
Questi ultimi sfruttano la radiazione diretta e necessitano di un sistema di tracking per seguire l’evoluzione giornaliera e stagionale del sole [11]. Gli sviluppi e le esperienze su PTC a media temperatura di modeste dimensioni sono attualmente limitate, mentre esiste una vasta esperienza relativa a collettori più grandi (6m di apertura) [12], sviluppati per la produzione di energia elettrica che operano a 400-500°C [12].
Il trasferimento tecnologico da questa realtà è già in corso ma si tratta di apparati di grandi dimensioni, progettati per lavorare in regioni desertiche con condizioni atmosferiche avverse, quindi caratterizzati da materiali, soluzioni tecniche e costruttive economicamente non compatibili con la realtà degli impianti di SC/SAC o SHC per applicazioni residenziali o commericali[12].
Per quanto riguarda i collettori PTC a media temperatura, si opera normalmente ereditando knowhow dai PTC per alte temperature. In particolare le superfici riflettenti vengono di norma realizzate con specchi curvati di spessore ridotto (fino a 0.5-0.8mm), rivestiti posteriormente con materiali isolanti atti a proteggere gli strati riflettenti in argento o alluminio, altrimenti ossidabili [13].
Tutta da sviluppare è un’economica gestione delle problematiche riguardanti le strettissime tolleranze sulla geometria delle superfici paraboliche, grossa fonte di perdite di efficienza già manifeste proprio nei PTC per alte temperature.
Per i PTC per media temperatura,comunque, le ricerche in corso a livello mondiale attribuiscono oltre che ai problemi geometrici, all’efficienza dell’assorbitore e dello scambio termico la responsabilità di circa il 30% della radiazione non convertita in calore.

Attualmente, sono reperibili in letteratura casi in cui, applicando la tecnologia del vuoto al vetro del tubo assorbitore, sono stati ottenuti miglioramenti fino al 10% ma con costi ancora non adeguati per impianti di piccola taglia[9]. Sono possibili miglioramenti mettendo a punto coating con elevati coefficienti di assorbimento nello spettro visibile, e bassa emissione nella regione infrarossa alla temperatura di lavoro (fino a 200°C).
In questo campo, si opera su metodi di trattamento economici ed efficaci per la deposizione, chimica o fisica, come la cromatura, l’anodizzazione o lo sputtering[14], con cui applicare sul tubo ricevitore coating sia mono che multistrato di ossidi o nitruri metallici, combinati con metalli quali Mo, Ni, Al e SS (acciaio inox) [14].
D’altra parte i collettori dotati di una maggiore competitività economica e già largamente diffusi per il funzionamento a basse temperature sono i collettori piani, a singola e a doppia vetratura antiriflesso(VDG), caratterizzati mediamente da temperature di lavoro inferiori ad 80°C, subiscono notevoli perdite di efficienza alle temperature più alte.
L’obiettivo delle comunità scientifiche è quello d’innalzare le temperature di esercizio di questi collettori fino ai 100 °C cercando di minimizzare le perdite di efficienza.
Per tali scopi sono aperte le possibilità a trattamenti che aumentano la capacità di assorbimento della radiazione solare diretta e diffusa delle superfici assorbenti come trattamenti sol-gel o dip-coating.
Altre fonti di perdita, proporzionali alla temperatura di esercizio sono, la convezione e la conduzione per la quale sono necessari specifici materiali coibentanti.
Anche a livello dei fluidi termovettori che operano la conversione dell’energia solare e il trasporto dell’energia termica si rendono necessari sviluppi atti a migliorare lo scambio termico.
Un metodo possibile è la sospensione di particelle convettive in un liquido (nanofluidi). Tale metodo, proposto da Maxwell nel 1881[in “A Treatise on Electricity and Magnetism” nel 1881], consiste nel disperdere in un fluido termovettore tradizionale delle particelle solide, con diametro inferiore ai 40 nm, che generalmente presentano una conducibilità termica maggiore dei liquidi. Recentemente si è passati alle nano particelle, più performanti perché rimangono in sospensione nel liquido in quiete per un tempo maggiore e la loro superficie specifica (riferita al volume) è circa 1000 volte superiore. Quanto minore è la dimensione delle particelle, tanto migliore è la capacità di scambio termico con il fluido. Le campagne sperimentali condotte fino ad oggi indicano che già con basse concentrazioni di nanoparticelle (1-5% in volume), la conducibilità termica dei fluidi può essere migliorata di oltre il 20%. Tale miglioramento dipende da molteplici fattori: la geometria, la dimensione, la concentrazione, le proprietà termofisiche delle nanoparticelle.
Se paragonate alle tecniche tradizionali di ottimizzazione dello scambio termico esistenti, i nanofluidi mostrano un notevole potenziale nel miglioramento delle prestazioni, in un’ampia varietà di applicazioni, con trascurabili conseguenze sulle perdite di carico nei condotti. Pur avendo grandi potenzialità di impiego, l’uso dei nanofluidi è ancora molto limitato, infatti, esistono poche pubblicazioni in letteratura ed un numero ridotto di ricercatori coinvolti in questo argomento specifico.
E’ necessaria una comprensione completa delle performance di miglioramento di scambio termico dei nanofluidi affinché si possa sfruttarli al meglio nelle applicazioni pratiche di ottimizzazione dello scambio termico.

A livello di specificità dei chiller a LiBr si può affermare che le unità di taglia medio grande (oltre i 100 kWfr), prodotte attualmente, si basano su tecnologia matura e consolidata; sono di solito unità a fiamma diretta o alimentate con fluidi ad alta temperatura. Gli sforzi della ricerca sono attualmente orientati allo sviluppo di macchine di piccola taglia, adatte al condizionamento di ambienti nel settore civile, per lo più alimentabili con acqua calda a temperature relativamente basse per l’accoppiamento con collettori solari piani (F. Ziegler, Perugia 2006;[15]). L’impiego di sorgenti di calore a bassa temperatura riduce significativamente la capacità frigorifera e abbassa il COP della macchina: ciò ha un forte impatto negativo sul dimensionamento e quindi sui costi dell’impianto. Per superare tale criticità è richiesta un’ottimizzazione dei componenti della macchina frigorifera (i.e. generatore, assorbitore, rigeneratore), che può essere ottenuta solo a seguito di un’adeguata e dettagliata modellazione del funzionamento della macchina stessa al variare delle condizioni operative [16,17,19,20,21].
In particolare, la progettazione ottimizzata degli scambiatori di cui è costituito il chiller a LiBr passa attraverso la minimizzazione delle superfici di scambio e lo studio di soluzioni che consentano di garantire elevati coefficienti di scambio e adeguati livelli di bagnabilità delle superfici di contatto
Un altro aspetto di particolare criticità nelle macchine ad assorbimento ad acqua-bromuro di litio è lo smaltimento di calore: le temperature a cui è resa disponibile l’acqua di raffreddamento, nel caso di smaltimento del calore per mezzo di una torre evaporativa, o l’aria ambiente, nel caso di impiego di torri a secco, influiscono pesantemente sull’efficienza del chiller

Per giungere ad una progettazione ottimizzata di sistemi si SC/SAC, oltre alla modellazione della macchina frigorifera è necessaria la disponibilità di un modello dinamico dell’intero impianto. In letteratura sono molto pochi i lavori che affiancano ad una modellazione anche risultati sperimentali su impianti dimostrativi di piccola taglia. Tra i centri di ricerca più attivi in Europa c’è l’Università di Berlino dove si sta lavorando da diversi anni all’industrializzazione di macchine di piccola taglia ad elevata efficienza per applicazioni di solar cooling (S. Petersen, at all Proceedings of CIERTA, pp. 42-47, Almeria 2006). Altri contributi nel campo della modellazione, supportati da confronti con dati sperimentali sono: [22,23,24,25].

Bibliografia
Non essendo prevista una bibliografia di riferimento per il FORM A si faccia riferimento alla bibliografia dei FORM B delle Unita partecipanti al progetto di ricerca secondo la corrispondenza sotto riportata.

prot. 2007S2L5PA_002
[1], rif. 1
[2], rif .2
[3], rif. 3
[4], rif. 4
[5], rif. 5
[6], rif. 6
[7], rif. 7
[8], rif. 8
[15], rif. 19
[16], rif. 9
[17], rif. 10
[18], rif. 11
[19], rif. 12
[20], rif. 13
[21], rif. 14
[22], rif. 15
[23], rif. 16
[24], rif. 17
[25], rif. 18
prot. 2007S2L5PA_001
[9], rif. 9
[10], rif. 10
[11], rif. 12
[12], rif. 13
[13], rif. 16
[14], rif. 17
[26], rif. 5
[27], rif. 8
[28], rif. 21
[29], rif. 6
[30], rif. 7
[31], rif. 29
[32], rif. 28
[33], rif. 4 <<<