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Salvatore LO PRESTI
Facoltà di Ingegneria di Palermo,
lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni
fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”,
 un
libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig.
1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che
riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto
se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero
imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla
rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una
possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man
mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di
trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da
secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta
cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia,
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge3.gif) malgrado
l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea
anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata
possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle
saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando
queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare
in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si
sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita
e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato
ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare
il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo
ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo
non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono
ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
 Il
fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in
continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta,
sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la
gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in
un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile.
Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si
sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i
combustibili fossili.
Questa fonte, come
è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro
prossimo
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge5.gif) un regresso
tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare
peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile,
occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione
delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel
sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle
inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da
motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i
Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei
Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree
è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la
Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un
serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare.
Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini
industriali su grande scala per la produzione d’energia
elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione
diretta;
2) Tramite
produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite
produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si
riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono
l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche
per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo
sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto
prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che
richiedono una sofisticata tecnologia al fine di
renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento
dei concentratori che devono seguire il moto apparente del
sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si
riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno
considerare con la dovuta attenzione questo sistema che
utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella
tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
 È
noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si
riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati
più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il
bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla
diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e
di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale.
Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia
ristagna sul
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge7.gif) fondo, il
calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo
per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso
l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a
concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico
mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando
opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari
possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove
l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in
movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar
pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli
stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante
una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua.
A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio
di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla
temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed
incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo,
uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è
funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata
automaticamente da dispositivi termosensori. Quando
l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la
circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è
pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la
perdita di calore durante la notte.
 Dickinson
mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig.
3) dove i collettori sono stagni modulari della
larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3
strati di plastica resistente agli agenti atmosferici.
L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di
1,33 Km2,
consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno,
pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie
orizzontale la caduta di radiazione solare
è
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge9.gif) di 250 W/m2 h.
Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali
(a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante
pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno
dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio
che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente
isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il
rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine
di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia
da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere
minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di
conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua
stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon
11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas,
viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore
ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione
nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il
Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi
di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione
pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una
produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata
realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele,
località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni
solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il
funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è
essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la
differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico
bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha
il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di
essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però
con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”.
Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una
superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in
regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità
doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più
complessi.
4. LA
PROPOSTA
La ricchezza, di
cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel
Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle
condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni
solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in
generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda,
ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti
per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere
dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le
turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto
ambientale.
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge11.gif) Attualmente
l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e
la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare
eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si
estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate
in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare
disposizione.
La
trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei
costi necessari
 per
il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il
sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare
statico, che, certamente valido in altre località, qui
comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste
dovrebbero essere scavate per una profondità
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge13.gif) non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico
grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di
energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a
stagni solari dinamici.
La
soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di
utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al
fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto
impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a
Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte
d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica
Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il
valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178
W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da
Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due
località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località
dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e
l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre
differisce il valore della radiazione al suolo su superficie
orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h
di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata
dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà
essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe
occorrerebbero a Trapani: 1,87
Km2 di
superficie contro 1,33
Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle
considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso
ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che
consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto
riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è
assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di
circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del
fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5
cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio
particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di
servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata,
qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2),
si può dire, con buona approssimazione, che la produzione
globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile:
7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica
totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di
massima si può pure prevedere una spesa d’impianto
globale di circa € 75.000.000.
5.
CONCLUSIONI
 L’idea
delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare
affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità
d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e
soprattutto
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge15.gif) alla
singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia
tecnologica che non in quello della produzione industriale.
Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato
in modo industriale attraverso la costruzione di moduli
prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia
tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche
coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente,
trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a
carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche
può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione
trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei,
 in
conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e
che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare
l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere
dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione
globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente
![Casella di testo: IMPORTIAMO IDROGENO DAL SOLE
Salvatore Lo Presti
Facoltà di Ingegneria di Palermo, lopresti@dpce.ing.unipa.it
1. PREMESSA
Circa ventitre anni fa ho pubblicato, con i tipi di “ILA PALMA”, un libretto dal titolo “Saline: fonti di energia” (Fig. 1); eravamo in piena crisi energetica e tutto ciò che riguardava la produzione di energia alternativa, soprattutto se ottenuta con fonti rinnovabili, “faceva notizia”. Mi ero imbattuto in un articolo di W.C. Dickinson, pubblicato sulla rivista “Solar Energy”, dove illustrava un suo studio su una possibile applicazione in Arizzona dei “solar ponds” e man mano che leggevo trovavo sempre più interessante l’idea di trasformare in “stagni solari” quelli che da noi in Sicilia da secoli sono “stagni salari”; le saline di Trapani. Basta cambiare la “a” in “o” ed il gioco è fatto! Tuttavia, malgrado l’abbondanza di sale e di sole e la divulgazione dell’idea anche dalla stampa nazionale, la trasformazione non è stata possibile per la levata di scudi da parte dei “fans” delle saline che purtroppo dormivano o erano in vacanza allorquando queste, in notevole parte, sono state interrate per utilizzare in qualche modo le notevoli superfici. Recentemente pare si sia risvegliata l’attenzione verso le fonti di energia pulita e, ricordandosi di quel mio libretto, qualcuno mi ha invitato ad un seminario (Agrigento – 25 ottobre 2002) per illustrare il mio progetto in merito alle saline di Trapani; rileggendo ciò che avevo scritto tanto tempo fa mi accorsi che col tempo non è cambiato molto, le considerazioni fatte nel 1980 sono ancora attuali; da qui l’interesse a questo articolo.
Il fabbisogno di energia, nei Paesi industrializzati, è in continuo aumento; se poi a questo si aggiunge la richiesta, sempre maggiore, dei Paesi in via di sviluppo che ospitano la gran parte della popolazione mondiale, si può prevedere che in un prossimo futuro la richiesta di energia sarà incontenibile. Di contro, ancora oggi, per soddisfare tale domanda si sfruttano le cosiddette fonti energetiche tradizionali, cioè i combustibili fossili.
Questa fonte, come è noto, non è inesauribile; prevedere per il futuro prossimo un regresso tecnologico per mancanza di fonti energetiche non appare peregrino. Prescindendo dal nucleare, non più proponibile, occorre ricercare lungo la via della semplice trasformazione delle energie esistenti al fine di ottimizzarne l’uso nel sostanziale rispetto dell'ambiente.
L'utilizzazione dell'energia “pulita”, rispetto a quelle inquinanti, presenta l'ulteriore vantaggio di non dipendere da motivazioni politiche, che porterebbero, inevitabilmente, i Paesi poveri di materie prime a dipendere dalla volontà dei Paesi produttori. L'energia eolica, eliotermica e delle maree è ovunque presente. Il nostro Paese, poi, ed in particolare la Sicilia, si trova nelle condizioni ideali per impostare un serio programma di sfruttamento dell'energia eolica e solare. Appare quindi attuale l'idea di utilizzare il sole ai fini industriali su grande scala per la produzione d’energia elettrica che può avvenire per:
1) Trasformazione diretta;
2) Tramite produzione di calore ad alta temperatura;
3) Tramite produzione di calore a bassa temperatura.
Il primo punto si riferisce alle “celle fotovoltaiche” che costituiscono l’optimum; tuttavia allo stato attuale, e probabilmente anche per il prossimo avvenire, non se ne prevede uno sviluppo sostanziale a causa degli alti costi di produzione.
Il secondo punto prevede l’utilizzo di collettori a concentrazione, che richiedono una sofisticata tecnologia al fine di renderli sempre normali all'insolazione tramite il movimento dei concentratori che devono seguire il moto apparente del sole. Questo sistema è pure molto oneroso.
Il terzo punto si riferisce agli stagni solari o “solar ponds” ed è opportuno considerare con la dovuta attenzione questo sistema che utilizza l’energia solare in modo alternativo a quella tradizionale e con costi accettabili.
2. STAGNI SOLARI
È noto che nei bacini d'acqua, a forte concentrazione salina, si riscontra un’inversione di temperatura; l'acqua degli strati più bassi risulta più calda di quella in superficie. Il bacino funziona quindi da accumulatore di calore grazie alla diversa concentrazione salina dei suoi strati, superficiale e di fondo dove è contenuta una quantità superiore di sale. Essendo evitati i moti convettivi, dal momento che la salamoia ristagna sul fondo, il calore accumulato dagli strati inferiori può propagarsi solo per conduzione quindi la perdita di calore può avvenire verso l'alto e verso il basso. Gli strati superiori, a concentrazione salina più bassa, fungono da isolante termico mentre la perdita di calore verso il basso è evitata trattando opportunamente il fondo con adeguati materiali isolanti.
Gli stagni solari possono essere distinti in due tipi: quello “statico” ove l’acqua è stagnante e quello “dinamico” dove l’acqua è in movimento; lo schema di funzionamento di un impianto a “solar pond” del secondo tipo, è quello illustrato in Fig. 2. Gli stagni, suddivisi in moduli, sono collegati tra loro mediante una rete di tubi e valvole che regolano il flusso dell'acqua. A loro volta i moduli sono in comunicazione con un serbatoio di stoccaggio interrato contenente acqua calda alla temperatura di 70 °C; essa è mandata a ciascun modulo ed incrementa la propria temperatura di 50 °C nell'attraversarlo, uscendo quindi a 75 °C. La velocità d'attraversamento è funzione dell'intensità della radiazione solare ed è regolata automaticamente da dispositivi termosensori. Quando l'intensità radiante scende al di sotto di un dato valore, la circolazione cessa; quando poi il sole tramonta l'acqua è pompata nel serbatoio di stoccaggio al fine d’eliminare la perdita di calore durante la notte.
Dickinson mostra una possibilità di sistemazione dei solar ponds (Fig. 3) dove i collettori sono stagni modulari della larghezza di ml 4 per una lunghezza di ml 200 coperti da 2 o 3 strati di plastica resistente agli agenti atmosferici. L'impianto composto da 1.600 moduli, per una superficie di 1,33 Km2, consente una produzione di 10 Mwe/h, 24 ore al giorno, pensando di realizzarlo in Arizona, dove su una superficie orizzontale la caduta di radiazione solare è di 250 W/m2 h. Si nota il serbatoio centrale dal quale si dipartono i canali (a) di distribuzione dell'acqua sollevata mediante pompe, ed al quale affluiscono i canali (r) di ritorno dagli stagni che perdono acqua per gravità. Sia il serbatoio che i canali di andata e di ritorno devono essere ottimamente isolati su tutta la superficie e sulla copertura. Il rendimento totale del sistema è del 3 %.
Dickinson, al fine di ottimizzare il rendimento durante le conversioni di energia da termica a meccanica e da meccanica a elettrica, per rendere minima l'area dei collettori suggerisce lo schema di conversione con un ciclo di Rankine. In tale sistema l'acqua stoccata viene utilizzata per portare ad ebollizione il Freon 11 in un evaporatore. Il fluido, espanso in una turbina a gas, viene successivamente fatto passare attraverso un condensatore ad acqua fredda e quindi nuovamente pompato a pressione nell’evaporatore per un nuovo ciclo. È stato preferito il Freon 11 ad altri 10 fluidi studiati perchè presenta vantaggi di tipo ecologico, meccanico, termodinamico ed economico.
3. LA PRIMA REALIZZAZIONE
Un'applicazione pienamente riuscita, del tipo statico, che ha consentito una produzione di energia elettrica di 150 KWe/h, è stata realizzata alla fine degli anni ’70 ad Ein Bokek, in Israele, località che, prima nel mondo, ospita un impianto a stagni solari per la produzione di energia elettrica (Fig. 4). Il funzionamento dell'impianto, a parte l’acqua stagnante, è essenzialmente analogo a quello descritto da Dickinson; la differenza sostanziale è che qui siamo in presenza di un unico bacino. L'impianto, costato all’epoca due miliardi di lire, ha il vantaggio, rispetto a quello proposto da Dickinson, di essere più facilmente realizzabile ed a più bassi costi, però con un rendimento dimezzato rispetto al sistema “dinamico”. Per raggiungere gli stessi risultati occorre dunque una superficie di terra pari al doppio; ciò è proponibile in regioni in cui sia più conveniente acquistare una quantità doppia di terreno piuttosto che ricorrere ad impianti più complessi.
4. LA PROPOSTA
La ricchezza, di cui gode Israele, non è comunque esclusiva di quel Paese; l'Italia, in special modo la Sicilia, è nelle condizioni ottimali per la realizzazione di impianti a stagni solari. Occorre pertanto rivolgersi alle fonti alternative in generale, al sole in particolare, di cui la Sicilia abbonda, ed al quale gli isolani, già in tempi passati, si sono rivolti per sottrarre al mare il sale: le saline di Trapani.
Potrebbero essere dunque le saline, già in crisi di produzione, a muovere le turbine del futuro, lasciando inalterato l'aspetto ambientale. Attualmente l'area interessata dalle saline è di circa 7,8 Km2 e la loro trasformazione in stagni solari non sembra presentare eccessive difficoltà. Come mostra la Fig. 5, le saline si estendono a sud della città di Trapani e sono state realizzate in forme geometriche semplici, pur non avendo una regolare disposizione.
La trasformazione delle saline in stagni solari comporta dei costi necessari per il migliore utilizzo delle superfici e non appare opportuno il sistema adottato dal Bronicki in Israele, stagno solare statico, che, certamente valido in altre località, qui comporterebbe la distruzione definitiva delle saline. Queste dovrebbero essere scavate per una profondità non inferiore ai tre metri, per ottenere un unico grande lago salato, che renderebbe possibile una produzione di energia elettrica inferiore a quella ottenibile col sistema a stagni solari dinamici.
La soluzione, dunque, che si mostra più conveniente è quella di utilizzare i bacini esistenti dopo un intervento “leggero” al fine di realizzare i moduli, comunque orientati, e soltanto impermeabilizzati e coibentati.
L'insolazione a Trapani, su superficie orizzontale, è tra le più alte d'Italia, come risulta dai rilevamenti dell'Aeronautica Militare che a Trapani ha una stazione eliofanografica. Il valore dell'insolazione, mediamente nell'arco dell'anno, è 178 W/h mq.
Confrontando le condizioni ipotizzate da Dickinson con quelle reali di Trapani, si osserva che le due località si trovano quasi alla stessa latitudine (la località dell'Arizona presa in esame si trova a 400 latitudine nord, e l'area interessata dalle saline a 380 latitudine nord), mentre differisce il valore della radiazione al suolo su superficie orizzontale che è 250 W/mq.h per l'Arizona contro 178 W/mq.h di Trapani. Se ne deduce che a parità di potenza erogata dall'impianto, la superficie interessata dalle saline dovrà essere maggiore. Volendo realizzare un impianto da 10 MWe occorrerebbero a Trapani: 1,87 Km2 di superficie contro 1,33 Km2 dell’Arizzona.
Sulla scorta delle considerazioni precedenti, ciò non costituisce un grosso ostacolo avendo a disposizione una superficie di 7,8 Km2 che consentirebbero la produzione teorica di 40 MWe/h. Per quanto riguarda la profondità dei moduli, la situazione trapanese è assai conveniente poichè la profondità media delle saline è di circa 50 cm (Fig. 6) e prevedendo un'adeguata sistemazione del fondo, peraltro necessaria, si perviene a quello spessore di 5 cm previsto per l'acqua circolante nei collettori piani.
Dallo studio particolareggiato di un’area campione è emerso che le aree di servizio impegneranno circa il 10% della superficie trattata, qundi utilizzando l'intera estensione delle saline (7,8 Km2), si può dire, con buona approssimazione, che la produzione globale di energia elettrica potrebbe essere di:
- superficie utile: 7.800.000 x 0,9 = 7.020.000 m2;
- energia elettrica totale prodotta: 7.020.000 x 3% x 178 = circa 37,5 MWe/h.
Ancora in linea di massima si può pure prevedere una spesa d’impianto globale di circa € 75.000.000.
5. CONCLUSIONI
L’idea delle saline di Trapani come fonte energetica può sembrare affascinante ed è indubbiamente simbolica, ma la quantità d’energia prodotta in relazione alla vastità dell’intervento e soprattutto alla singolarità tipologica la confina più nel mondo della poesia tecnologica che non in quello della produzione industriale. Tuttavia in sé ha l’embrione di ciò che può essere sviluppato in modo industriale attraverso la costruzione di moduli prefabbricati collocabili ovunque. Ciò è proponibile sia tecnologicamente, essendo possibile costruire vasche coibentate ed impermeabilizzate, sia industrialmente, trattandosi di produzione quantitativamente cospicua ed a carattere ripetitivo. Una possibile soluzione per le vasche può essere quella di Fig. 7 che rappresenta la sezione trasversale di un modulo prefabbricato.
Vorrei, in conclusione, introdurre un aspetto che ritengo innovativo e che possa prendersi in considerazione, è quello di utilizzare l’energia elettrica prodotta dalle saline non per essere dispersa, come goccia nel mare, nella rete di distribuzione globale dell’energia elettrica, ma molto più proficuamente per produrre altra fonte di energia che sia questa stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in idrogeno?
Anche questa è un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole – energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e poco cari. Considerando che attraverso il processo di elettrolisi si può ottenere 1 m3/h di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H. Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2] A:Rabl , Nielsen C.E., Solar ponds for space heating, Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C. Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET (1976)
[4] W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani, Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 – 1980
[6] Salvatore Lo Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma – 1980
[7] Aurelio C. Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET (1982)](images/idroge17.gif) per produrre altra fonte di energia che sia questa
stoccabile ed utilizzabile in atro tempo. L’energia del futuro
sarà l’idrogeno; perché dunque non trasformare l’energia
prodotta dalle saline o da altro tipo di stagno solare in
idrogeno?
Anche questa è
un’idea, ritengo, affascinante, si può, infatti, pensare il
sistema descritto come un sistema di teletrasporto che spilla
con continuità l’idrogeno dal Sole per portarlo sulla Terra
secondo lo schema di Fig. 8:
idrogeno sul sole –
energia solare – radiazione solare - stagno solare – energia
elettrica – elettrolisi - idrogeno sulla terra.
Il processo di
teletrasporto può essere continuo, ecologico ed economico
soprattutto se pensato in località dove il sole abbonda, i
terreni sono vasti, in prossimità del mare, pianeggianti e
poco cari. Considerando che attraverso il processo di
elettrolisi si può ottenere 1 m3/h
di idrogeno ogni 5 Kwe/h forniti, si può affermare che le
saline di Trapani potrebbero fornire 7.400 m3/h
di idrogeno a costi bassissimi e con continuità. Se l’idea
venisse poi applicata in quei Paesi del terzo mondo non
produttori di petrolio ma molto ricchi di sole si potrebbe
riequilibrare l’aspetto economico-sociale di quei diseredati
rendendoli produttori del carburante del futuro.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] H.
Tabor, Solar ponds, Solar Energy, 7, 189 (1963)
[2]
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Solar Energy, n. 1, vol. 17, April, 1975
[3] Aurelio C.
Robotti, Impieghi dell’energia solare, UTET
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[4]
W.C. Dickinson et al., The shallow solar pond energy
conversion system, Solar Energy, vol. 18 (1976)
[5] Aldo Patellani,
Impariamo ad imprigionare il sole, Oggi n. 5 –
1980
[6] Salvatore Lo
Presti, Saline: fonti di energia, Ila Palma –
1980
[7] Aurelio C.
Robotti, L’energia solare e l’idrogeno, UTET
(1982)
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