N egli ultimi anni si è osservato un incremento significativo nell’uso del raffrescamento estivo, dapprima nel settore terziario e più di recente negli edifici residenziali.

Soprattutto nelle aree urbane, il consumo di elettricità per raffrescamento presenta un elevato fattore di contemporaneità: anche a causa dell’effetto “isola di calore”, i condizionatori tendono a essere attivati nel medesimo periodo. Il picco di carico presenta una significativa correlazione con il picco di temperatura nella medesima area, anche se la relazione tra le due grandezze è piuttosto complessa [a]; si può osservare, in ogni caso, come la diffusione di questi apparati sia il principale motivo dello spostamento nei mesi estivi della punta di fabbisogno nazionale di elettricità, che fino al 2006 era invece situata negli ultimi giorni lavorativi prima di Natale (Figura 1).

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Figura 1 - fonte: Documento di descrizione degli scenari - Edizione 2018 - Terna

Questi picchi di domanda presentano impatti sia a livello locale che generale.

A livello delle reti elettriche di distribuzione, l’effetto del carico elettrico per raffrescamento è stato particolarmente avvertito durante le ondate di caldo del 2003 e 2005, con numerosi distacchi in alcune città per sovraccarico di linee o trasformatori (es. Milano). I distributori hanno affrontato il problema, non solo sostituendo i componenti della propria rete, ma anche tramite monitoraggio e automazione delle cabine secondarie che, in ambito urbano, sono spesso interrate..[1]

Più di recente, i periodi prolungati di caldo secco hanno comportato un incremento significativo dei tassi di guasto dei giunti delle linee MT interrate (a causa della ridotta conducibilità termica del terreno). I distributori delle aree colpite da questo problema hanno dovuto avviare una campagna di sostituzione dei giunti, tuttora in corso. Tali problemi possono aggravarsi per il concomitante incremento di carico elettrico sulle reti urbane dovuto al fabbisogno di raffrescamento degli edifici.

Nei prossimi anni, per quanto riguarda il settore terziario, ci si aspetta una crescita del valore aggiunto settoriale con incrementi annui nell’ordine del 1,4%-1,5% [b]. La crescita economica del settore influenzerà la richiesta crescente di servizi di climatizzazione e in particolare di raffrescamento [c]; a questa vanno aggiunti sia l’incremento del comfort degli ambienti, sia gli effetti dell’aumento delle temperature dovuto ai cambiamenti climatici attesi. Pertanto, sulla base dell’evoluzione dei fattori driver presi in considerazione, al 2030 è attesa una crescita della domanda di raffrescamento di oltre il 50% rispetto ai valori attuali.

Tra le soluzioni tecnologiche che consentono di assicurare il raffrescamento, contribuendo nel contempo a ridurre gli inconvenienti sul sistema elettrico sopra citati, si può citare il solar cooling.

 

Cosa s’intende per solar cooling?

Il solar cooling è la conversione diretta dell’energia solare in energia frigorifera.

Un impianto di solar cooling è costituito da collettori solari abbinati a una macchina frigorifera. I collettori solari trasformano l’energia solare in energia termica e riscaldano l’acqua del circuito fino a 90-160°C. Una particolare tipologia di macchina frigorifera detta “ad assorbimento” utilizza questa acqua riscaldata per produrre acqua refrigerata. In questa tipologia di macchina, il classico compressore alimentato da energia elettrica presente, ad esempio, nei frigoriferi domestici è sostituito da un processo chimico-fisico alimentato dal calore solare. In questo modo è possibile utilizzare fonti diverse dall’energia elettrica per raffrescare gli ambienti. Gli impianti di solar cooling di tipo termico sono progettati per coprire la maggior parte del fabbisogno di raffrescamento impiegando principalmente la fonte solare (70-80%). La quota mancante è coperta con un vettore energetico differente dall’energia elettrica. Tipicamente, è presente un bruciatore a gas naturale di backup, che fornisce l’energia termica richiesta dal chiller quando non è presente la fonte solare, ma c’è comunque richiesta di raffrescamento da parte dell’utenza (es. giornate estive nuvolose molto umide etc.). 

Le diverse applicazioni del solar cooling si distinguono per la temperatura di lavoro. Parliamo, quindi, di impianti di solar cooling per refrigerazione nel caso di basse temperature, che possono arrivare a -30°C. In linea generale, per processi industriali si considerano temperature dell’ordine di 3°C, ed infine, per il condizionamento degli ambienti si considerano temperature del fluido termovettore di 5°C o superiori. Quest’ultima applicazione, oggetto di questo dossier, presenta sicuramente il più alto potenziale d’impiego.

 

L’importanza e i vantaggi del Solar cooling (e heating) per gli edifici

Il quadro attuale in materia di efficienza energetica spinge nella direzione della riduzione dei consumi energetici degli edifici, che sono responsabili del 40% del consumo globale di energia nell’Unione Europea, verso l’obiettivo NZEB (Nearly Zero Energy Building). 

L’impiego dell’energia solare per il raffrescamento degli ambienti (solar cooling) rappresenta una soluzione particolarmente interessante nell'ambito del condizionamento degli edifici e del risparmio di energia primaria, poiché consente di:

  • utilizzare una fonte energetica gratuita e rinnovabile, come quella solare, con importanti benefici ambientali;
  • impiegare tale fonte solare sia per il condizionamento estivo (con modalità molto vantaggiose, in quanto la radiazione solare è più elevata in corrispondenza di un maggior fabbisogno di condizionamento), sia per la produzione di acqua calda sanitaria, sia come integrazione per il riscaldamento invernale degli edifici;
  • ridurre le punte di carico elettriche estive prodotte dagli impianti di condizionamento tradizionali, consentendo un minor impegno delle reti di trasmissione e distribuzione elettrica e una riduzione dei consumi proprio in corrispondenza del picco estivo di domanda. Tali riduzioni di carico sono normalmente assorbite da riduzioni della produzione termoelettrica, generando in particolare un minor consumo di gas naturale.

 

Impianti di solar heating and cooling in Italia ed Europa?

Nel caso di impianti installati in Italia e in Europa si parla tipicamente di impianti di “solar heating and cooling” (SHC). L’impianto termico viene, infatti, dimensionato e impiegato per il soddisfacimento di tutti i fabbisogni termici dell’edificio, sia estivi sia invernali. I collettori solari in inverno vengono impiegati direttamente per la produzione di acqua calda sanitaria e/o riscaldamento.

Il potenziale tecnico globale per il raffreddamento solare è piuttosto ampio. Le vendite dei condizionatori d'aria (principalmente unità split) stanno crescendo. Parallelamente, anche il mercato globale dei sistemi di raffreddamento a energia solare si sta sviluppando, anche se a un ritmo molto più lento: 150 nel 2006, 750 nel 2011, 1200 nel 2014 (di cui circa la metà in Europa). Per confronto, il numero di condizionatori d'aria tipo split venduti in tutto il mondo è di circa 100 milioni all'anno.

 

Barriere per il solar cooling

Il raffrescamento solare è ancora un mercato di piccole dimensioni. La causa principale risiede nei costi di investimento, che sono superiori (da due volte fino a cinque volte) rispetto ai sistemi di raffreddamento tradizionali. Questi costi si sono però ridotti significativamente nel corso degli anni.

Il costo per i kit di raffreddamento solare di piccola taglia con capacità fino a 35 kWf è infatti sceso da 6.000 EUR/kWf a 3.500 EUR/kWf dal 2007 al 2013 (dove kWf esprime la potenza frigorifera; per confronto, una abitazione da 100 m2 richiede circa 5 kWf).

A seconda della regione e delle sue specifiche condizioni (costi energetici e tempi di funzionamento annuali), il tempo di rientro dell’investimento in assenza di incentivi dei sistemi di raffreddamento solare è tra 10 e 18 anni, quasi uguale alla vita dell’impianto, stimabile in 15-20 anni. Per i sistemi di taglia più grande (100 kWf), la situazione è migliore e si possono valutare costi di circa 2000 €/kWf con un tempo di rientro di poco superiore ai 10 anni.

 

Situazione Italiana: potenzialità? Dove conviene?

L’Italia a oggi rappresenta la parte più cospicua del mercato del raffrescamento in Europa (circa il 25% dell’area totale raffrescata in tutta l’Unione Europea). Il mercato dei piccoli condizionatori (<7 kWf) ha preso piede a partire dal 2001, con il raggiungimento di 14 milioni di unità vendute fino al 2011. Per quanto concerne il mercato dei sistemi di condizionamento centralizzati, il settore commerciale/uffici rappresenta sicuramente quello di maggior interesse, con 300 milioni di m2 di superficie totale già raffrescata su un totale di 400 milioni. Attualmente circa il 50% della domanda di raffrescamento del settore terziario è soddisfatta con chiller tradizionali centralizzati: la potenza media installata per utenza è di 75 kWf con una capacità specifica di 200 W/m2 e si stimano circa 11.000 impianti centralizzati tradizionali realizzati ogni anno.

Per quanto concerne gli impianti di solar cooling in Italia, si tratta principalmente di impianti di grande taglia: ridurre l’incidenza dei costi fissi dei componenti d’impianto (sistemi di controllo, controlli di sicurezza, pompe di circolazione, sistemi di inseguimento, pratiche autorizzative e strumentazione) porta, infatti, a considerare una taglia minima di 100 kWf. Si parla quindi di utenze da migliaia di m2 da raffrescare.

Potenzialmente un impianto di raffrescamento di questa taglia può trovare applicazione sia nel settore residenziale, sia nel settore terziario, quali uffici, centri commerciali e GDO. Tuttavia, affinché si verifichi un rientro dell’investimento in tempi ragionevoli (<10 anni), è necessario che l’utenza abbia un fabbisogno specifico di energia sufficientemente alto da generare i risparmi economici annuali richiesti.

Considerando un costo di investimento come quello indicato in precedenza (circa 2000 € per kWf), e una installazione nel centro-sud Italia, in assenza di incentivo è necessario che l’utenza abbia un fabbisogno specifico di energia frigorifera superiore a 100 kWhf/m2, valore tipico del solo settore terziario. Il settore residenziale in Italia è invece caratterizzato da un fabbisogno specifico troppo basso (~50 kWh/m2) che non permette un adeguato sfruttamento dell’impianto.

Per installazioni in edifici adibiti al settore residenziale, invece, la potenza di picco e quindi la taglia dell’impianto rimangono la medesima, ma, essendo i fabbisogni specifici inferiori, i tempi di ritorno dell’investimento si allungano in maniera tale da rendere l’investimento non redditizio.

 

Quali incentivi ci sono ad oggi in Italia?

L’incentivazione degli impianti di solar cooling avviene tramite il Conto Termico (previsto dal Decreto ministeriale del 16 febbraio 2016), dove si parla esplicitamente di ’installazione di “collettori solari termici, anche abbinati a sistemi di solar cooling” cui possono accedere soggetti privati e le amministrazioni pubbliche. L’incentivazione è commisurata alle potenzialità dal campo solare. Mediamente, grazie all’incentivo, si ottiene una riduzione del costo di investimento fino al 30% in funzione della tipologia di solar cooling adottata, che porta il tempo di rientro a valori interessanti (<10 anni) solo però per il caso del settore terziario in Italia.

 

Potenzialità in Europa?

Nonostante le restrizioni relative alla destinazione d’uso e alla località prima chiarite, le potenzialità di diffusione sul mercato europeo sono comunque promettenti. Il numero degli edifici ancora da raffrescare, e che soddisfano i vincoli già indicati di fabbisogno/radiazione, ammonta almeno a 250 milioni di m2 (ad esempio, fabbisogno specifico del terziario in Italia: 114 kWh/m2, Grecia: 146 kWh/m2, Spagna: 130 kWh/m2, Ungheria: 103 kWh/m2). Se si considera anche la possibilità di sostituire parte degli impianti esistenti, la superficie potenzialmente condizionabile mediante il solar cooling supera complessivamente i 950 milioni di m2, che potrebbero corrispondere ad un numero di impianti dell’ordine delle centinaia di migliaia.

 

La ricerca di RSE

Dal 2009 RSE svolge attività di ricerca a 360° nel settore del solar cooling, studiando soluzioni per lo sfruttamento della risorsa solare, sia nella piccola taglia (piccoli edifici, residenziale, edifici monofamiliari), sia nella media-grande taglia (terziario, centri commerciali). Le attività in corso sono concentrate sia sulla ricerca a livello di sistema di solar cooling, che sullo sviluppo di componenti, grazie anche a numerose collaborazioni con aziende del settore. Le attività di studio e simulazione si sono concretizzate nella realizzazione di alcuni esemplari prototipali.

Ad esempio, all’interno della sede di Milano è stato realizzato un dimostrativo destinato a utenze di taglia medio-grande (centri commerciali, uffici, terziario) che unisce le più avanzate tecniche di controllo e automazione alla tecnologia solare a concentrazione. Tale soluzione ha dimostrato un’elevata efficienza di conversione dell’energia solare, riduzione degli spazi occupati e il raggiungimento di un risparmio di energia primaria da “fonte fossile” rispetto ai sistemi tradizionali di condizionamento (fino al 60%). (Figura 2) [d].

 

impianto solar cooling rse

 

Figura 2 - L’impianto solar cooling a “media temperatura” METESCO realizzato nella sede RSE

 

Attualmente le attività di ricerca sono focalizzate sul miglioramento degli aspetti di automazione e sulla valutazione puntuale degli impatti di scenario a lungo termine [e].

 

Gli effetti sul sistema elettrico nazionale

L’attuale, molto limitata, presenza del solar cooling suggerisce di valutare gli effetti di questa tecnologia sul sistema elettrico, facendo riferimento a uno scenario di sviluppo a medio termine (2030).

RSE ha, quindi, analizzato, con opportuni modelli di simulazione del sistema elettrico, gli effetti del possibile impiego degli impianti di raffrescamento a solar cooling per il settore terziario. L’analisi parte da uno scenario di riferimento del sistema energetico italiano al 2030. Lo scenario valuta l’evoluzione del sistema energetico in base alle regole attuali e si basa sulle ipotesi e dati di input dello scenario di riferimento pubblicato dalla Commissione Europea a luglio 2016 [f].

Nell’ipotesi che al 2030 il 15% dei consumi per raffrescamento del settore terziario possa essere soddisfatto da solar cooling, sono stati ottenuti i seguenti impatti:

  1. si riduce di quasi 4 miliardi di kWh la produzione elettrica da combustibile fossile con un risparmio di quasi 1 miliardo di m3 di gas naturale. Il risparmio si concentra principalmente su questa fonte perché l'effetto del solar cooling è sostanzialmente quello di ridurre la domanda elettrica in ore con carico elevato, ore nelle quali gli impianti marginali sono i termoelettrici a gas naturale;
  2. si evita l’emissione di 1,8 milioni di tonnellate di CO2;
  3. si aumenta la quota di consumi finali da fonti rinnovabili nel settore civile di una quantità di energia equivalente a circa 1 milione di tonnellate di petrolio;
  4. si riduce il picco di carico, complessivamente anche di 3000 MW, con significativi benefici per le reti di distribuzione soprattutto nei contesti urbani.

 

Note

[1]  In alcuni casi, la ventilazione delle cabine secondarie è ostacolata dai tappeti che vengono posizionati dai negozianti sulle grate antistanti le vetrine.

 

Bibliografia

[a] A2A, RSE, “Management and control of the interaction between small active customers and the LV grid: a metropolitan case study”,  CIGRE Session 42, Parigi, 2008

[b] European Commission, "EU Reference scenario 2016. Energy, transport and GHG emissions

Trends to 2050”, 15 July 2016.

[c] RSE e altri “Decarbonizzazione dell’economia italiana - Scenari di sviluppo del sistema energetico nazionale”, Colloquia RSE Volume IV, 2017

[d] Rossetti, A., Paci, E., Alimonti, G., Experimental analysis of the performance of a medium temperature solar cooling plant, International Journal of Refrigeration, Volume 80, August 2017, Pages 264-273

[e] RSE, “Impianti di solar cooling a media temperatura: sviluppo di un sistema di controllo avanzato e prove sperimentali di caratterizzazione”, report RDS 16002201

[f] Scenario EURef2016