SM 4008 — Dalla storia il solare che vorremmo — 2018

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 Prometeo, 36, (141), 112, 114-116 (marzo 2018)

Giorgio Nebbia  nebbia@quipo.it

L’energia solare si presenta sulla Terra come fonte di calore e come radiazione elettromagnetica, in quantità grandissime, di circa tre milioni di esajoule all’anno; il milione di esajoule che arriva sulle terre emerse corrisponde a circa 2000 volte la quantità totale di energia “usata” dagli esseri umani in un anno. L’energia solare è stata “la” fonte di energia per gli esseri umani fin dall’inizio della comparsa dell’Homo sapiens, un paio di centinaia di migliaia di anni fa, e ancora più dopo la rivoluzione agricola di circa diecimila anni fa.

In tutto questo lungo cammino l’energia solare ha fornito la biomassa vegetale necessaria per l’alimentazione degli umani e degli animali, che hanno rappresentato le prime forme di “lavoro” economico, in ragione di circa 150 chilowattore all’anno per un lavoratore umano e di circa 1000 chilowattore all’anno per un animale da lavoro. La biomassa vegetale ha fornito il legno per il riscaldamento e l’illuminazione notturna; i venti, generati dal differente riscaldamento solare di grandi superfici di terre emerse e di mari, hanno spinto le navi e, in tempi molto più vicini a noi, mezzo millennio fa, sono stati utilizzati per far girare le ruote di “macchine”; il moto dell’acqua nei fiumi, assicurato dal ciclo di evaporazioni e condensazioni dell’acqua provocato dal Sole, da oltre un millennio è stato utilizzato per azionare ruote meccaniche.

In tempi recenti sono state “inventate” macchine per utilizzare meglio l’energia solare come fonte di lavoro e di calore utile, è stato un lungo cammino pieno di successi ed errori e invenzioni dimenticate; alcune possono essere riscoperte per cercare soluzioni “solari” adatte oggi sia ai paesi industrializzati sia a quelli poveri, alla luce della disponibilità di nuove conoscenze chimiche e fisiche sui materiali.

Una analisi delle prospettive dell’energia solare per i paesi industrializzati come l’Italia e per i paesi in via di industrializzazione o arretrati è stata l’oggetto di un incontro che si è tenuto il 10 ottobre 2014 a Rodengo Saiano (Brescia) presso il Museo dell’Industria e del Lavoro MusIL, della Fondazione Luigi Micheletti di Brescia, in collaborazione con il Gruppo per la Storia dell’Energia Solare (GSES).

Tanto per cominciare, oggi i più grandi collettori solari sono le saline, grandi vasche poco profonde nelle quali il Sole fa evaporare l’acqua di mare fino a far precipitare il cloruro di sodio, il sale comune. Nel mondo la loro superficie è di circa 2000 milioni di metri quadrati, circa venti volte la superficie di tutti i pannelli solari termici e fotovoltaici e centrali a concentrazione in funzione nel mondo, e producono circa 70 milioni di tonnellate all’anno di cloruro di sodio. La stessa tecnologia viene adesso utilizzata nei salar degli altopiani di Cile, Bolivia e Argentina, per concentrare le soluzioni di sali di litio e recuperare il cloruro di litio, materia strategica per la produzione di batterie elettriche.

Qualsiasi corpo esposto alla radiazione solare si scalda di alcuni gradi al di sopra della temperatura ambiente, pochi perché perde gran parte del suo calore per conduzione e convezione verso l’aria esterna e per irraggiamento verso il cielo “freddo”. Nel 1767 fu scoperto che un corpo, per esempio acqua, posto in una scatola coperta con una lastra di vetro ed esposta al Sole, poteva raggiungere una temperatura di molte diecine di gradi Celsius perché il vetro non lasciava passare la radiazione infrarossa di lunghezza d’onda di circa 10 micrometri, emessa da un corpo a 30-60 gradi Celsius di temperatura, e tratteneva al suo interno l’aria scaldata, limitando le perdite di calore per convezione e conduzione.

Un’osservazione che ha dato origine alla diffusissima tecnologia degli scaldacqua solari, un ingegnoso sistema di accumulo del calore solare basato su un semplice fenomeno fisico: l’acqua scaldata nel collettore solare “sale” in un serbatoio posto in alto e sposta la più pesante acqua fredda che entra dal basso nel collettore. L’acqua calda nella caldaia sovrastante è disponibile anche quando il Sole non c’è più. Inoltre al riscaldamento contribuisce la radiazione solare sia diretta (col Sole nel cielo sereno), sia diffusa, quando il cielo è coperto. Con simili semplici dispositivi è possibile inoltre essiccare molti prodotti agricoli, una evoluzione più igienica dell’antichissima pratica di essiccazione per esposizione al Sole.

Sulla base dello stesso principio, se si pone dell’acqua salmastra in una simile “scatola” o vasca, chiusa da una lastra di vetro (o di qualsiasi altro materiale trasparente) inclinata, una parte dell’acqua evapora e il vapore si condensa come acqua liquida, priva di sali, sulla superficie interna del tetto e può essere raccolta. Un tale distillatore solare riproduce, in piccolo, il ciclo di evaporazione e condensazione dell’acqua che il Sole svolge su scala molto più grande nell’intero pianeta. I primi distillatori solari sono stati costruiti nella seconda metà dell’Ottocento sull’altipiano cileno per assicurare un po’ di acqua potabile ai minatori in una zona dove esisteva soltanto acqua salina. Da allora sono stati costruiti migliaia di distillatori solari, progettati soprattutto per dare acqua nelle zone aride e assolate della Terra, capaci di fornire, d’estate, quando è maggiore la richiesta di acqua, circa sei litri al giorno per ogni m2 di superficie della vasca.

Col calore solare a bassa temperatura è possibile scaldare abitazioni, con soluzioni architettoniche anche eleganti, sperimentate oltre mezzo secolo fa dal francese Felix Trombe e dall’americana Maria Telkes. Quest’ultima ha progettato un sistema di accumulo del calore solare diurno, per renderlo disponibile di notte, basato sulla fusione di una massa di solfato sodico decaidrato; di giorno il sale fonde, assorbendo il calore del Sole; di notte il sale passa dallo stato fuso a quello solido restituendo il calore latente di fusione all’ambiente circostante.

Col calore solare a bassa temperatura, raccolto da speciali fluidi posti entro tubi o piastre coperti da una lastra di vetro, cioè con dispositivi relativamente semplici e costruibili con un gran numero di diversi materiali e accorgimenti tecnici, è possibile azionare motori con il ciclo di evaporazione e condensazione di un fluido: l’ammoniaca nei motori costruiti dal francese Tellier nel 1889, l’anidride solforosa nei motori costruiti negli anni quaranta del Novecento dalla ditta italiana Somor, i più moderni fluidi frigoriferi oggi.

Sempre col ciclo di evaporazione e condensazione, il calore solare a bassa temperatura può azionare frigoriferi ad assorbimento, inventati negli anni venti del Novecento. Un brevetto del 1923 porta, niente meno, il nome di Albert Einstein e di Leo Szilard.

Se si vuole ottenere calore a temperatura superiore a circa 100°C bisogna procedere alla concentrazione della radiazione solare; per usi specialissimi si possono usare delle sfere di materiale trasparente, come avevano capito i matematici greci e arabi che hanno studiato i fenomeni di rifrazione della luce proprio per capire come funzionavano le sfere “ustorie”, con cui accendere fuochi mediante la luce del Sole.

Normalmente per ottenere temperature superiori bisogna concentrare l’energia solare mediante specchi. Con semplici specchi, fatti di lamiere di metalli riflettenti, è possibile realizzare delle cucine solari con cui cuocere in maniera pulita, proprio nelle ore di massima insolazione, i cibi a temperature fra 150 e 250°C, un problema molto sentito nei paesi poveri dove il cibo è spesso scaldato bruciando, con sgradevoli fumi, legna o sterco essiccato. La conoscenza di fornelli solari, costruibili anche con soluzioni molto semplici, usando come specchi dei pezzi di lamiera, è diffusa da associazioni che si occupano di tecnologie appropriate per i paesi in via di sviluppo.

Se invece con il Sole si vogliono ottenere temperature più elevate, capaci di far funzionare macchine e turbine per la produzione di energia elettrica, occorrono dispositivi a specchi più complicati. Intanto gli specchi riflettono soltanto la radiazione solare diretta, quella disponibile quando il cielo è sereno; poi gli specchi devono essere orientati continuamente per “seguire” il Sole nel suo moto apparente nel cielo; infine gli specchi perdono parte del loro potere riflettente se sono sporchi di polvere e richiedono quindi una periodica pulizia.

Le macchine termiche hanno bisogno di un apporto di calore continuo a temperatura abbastanza costante; il calore solare, la cui intensità varia continuamente nelle varie ore del giorno e nelle varie stagioni dell’anno, deve quindi essere trasferito ad un fluido che deve a sua volta essere immagazzinato. Benché il calore solare non sia proprio adatto a sostituire quello che può essere fornito dai combustibili, sono state costruite numerose ingegnose centrali termoelettriche solari, anche di potenze di molte migliaia di chilowatt, di costosa e non facile gestione, capaci di produrre anche 1000 chilowattore all’anno con circa 6-10 metri quadrati di specchi, usando come fluidi vapore acqueo, oli diatermici, sali fusi.

L’unica ingegnosa proposta di “cattura” del calore solare ad alta temperatura con strutture stazionarie a nido d’ape trasparenti, capaci di evitare le perdite di calore per irraggiamento, conduzione e convezione, è stata fatta nel 1961 dall’italiano Giovanni Francia; una idea che merita di essere perfezionata. Al di fuori dei progetti di centrali termoelettriche commerciali, adatti specchi solari consentono di scaldare, a fini scientifici, ad altissima temperatura, in uno spazio chiuso, materiali di cui si vogliono studiare le proprietà, evitando la contaminazione dovuta all’uso di combustibili fossili e al contatto con l’esterno.

molto maggiore successo hanno invece le utilizzazioni della radiazione solare basate su alcune strane proprietà della materia. Fin dagli inizi dell’Ottocento è stato scoperto che si genera elettricità se le “saldature” fra certe coppie di metalli sono esposte alla radiazione solare (fotoelettricità) e al calore solare (termoelettricità). Le applicazioni commerciali si sono però avute soltanto dopo la scoperta, nel 1952, dei semiconduttori a base di silicio. Le celle fotovoltaiche attuali utilizzano soltanto la parte ultravioletta e visibile della radiazione elettromagnetica solare, circa la metà di quella totale disponibile; “si perde” quindi circa la metà, quella infrarossa di tale radiazione. Con le celle fotovoltaiche è comunque possibile ottenere direttamente elettricità in ragione di circa 1200 chilowattore all’anno per ogni chilowatt di potenza nominale che richiede una superficie di circa 10 metri quadrati di fotocelle. Non tutto è facile, comunque; la fabbricazione dei semiconduttori richiede tecnologie chimiche sofisticate; le celle fotovoltaiche devono essere dotate di un sistema di dispersione del calore, forniscono elettricità a basso voltaggio e richiedono sistemi di conversione da circa un volt alle diecine e centinaia di volt richieste dalla maggior parte dei macchinari elettrici.

Ormai con pannelli fotovoltaici vengono costruite centrali della potenza di migliaia di chilowatt; poiché, però, l’elettricità che viene prodotta in alcune ore del giorno e diversamente nelle varie stagioni, per essere disponibile quando occorre, deve essere accumulata in speciali batterie oppure deve essere integrata con l’elettricità di origine fossile in speciali reti di distribuzione, “intelligenti” ma di scomoda gestione.

Gli impianti fotovoltaici trovano invece utile applicazione in piccole unità adatte ai paesi poveri e capaci di risolvere, con modesti accumulatori, problemi come l’alimentazione di frigoriferi per conservare cibo e medicinali, di sistemi locali di telecomunicazioni e di illuminazione, dove finora non sono arrivate le reti di distribuzione dell’elettricità.

L’altra forma della “forza” del Sole adatta a fini pratici è quella del vento, il movimento di grandi masse di aria provocato dal fatto che l’energia solare scalda diversamente vaste zone di continenti e di mari. Anche qui sono state proposte centinaia di soluzioni, che vanno dai motori eolici utilizzati in moltissime zone agricole, soprattutto per sollevare l’acqua dai pozzi, fino alle grandi macchine eoliche a pale rotanti, con potenze fino a centinaia o anche migliaia di chilowatt, con produzione di circa 1200-1800 chilowattore all’anno per ogni chilowatt di potenza nominale; anche in questo caso si tratta di elettricità disponibile con imprevedibili discontinuità.

Il vento genera anche il moto ondoso, disponibile soprattutto lungo le coste degli oceani, proprio dove abitano tante popolazioni finora prive di elettricità. Lo “sfruttamento” del moto ondoso per ottenere energia meccanica o elettrica ha stimolato moltissime invenzioni che possono ora essere “riscoperte” e utilizzate, ma solo in particolari condizioni geografiche, come sulle coste lungo i grandi oceani, grazie anche ai nuovi materiali divenuti disponibili.

Sempre legata al Sole, che tiene in moto il grande ciclo di evaporazioni e precipitazioni delle acque sul pianeta, è l’energia che può essere ricavata dal flusso delle acque sulla superficie dei continenti, in ragione di 40.000 miliardi di metri cubi all’anno che scendono dalle montagne e colline verso il mare. Il “contenuto energetico” di tale acqua in continuo movimento è circa 15-20 volte superiore all’energia idroelettrica prodotta nel mondo, circa 3.300 miliardi di chilowattore all’anno. Dei potenziali 200 miliardi di chilowattore “contenuti” nel moto di un anno delle acque dei fiumi italiani, soltanto appena 45 miliardi di chilowattore all’anno sono trasformati in elettricità nelle grandi centrali idroelettriche. Almeno altrettanti potrebbero essere ottenuti con impianti ad acqua corrente, con limitato effetto sull’ambiente, localizzati nelle valli dove motori ad acqua hanno funzionato per secoli, anzi sono stati la fonte di energia per l’avvio dell’industrializzazione italiana, spesso poi abbandonati.

Il Museo dell’Industria e del Lavoro MusIL di Brescia ha in corso una inventario delle risorse di energia idrica di molte valli e delle centrali e macchine a energia idrica suscettibili, con nuove tecnologie, di risolvere molti problemi energetici locali.

Infine della biomassa vegetale, “fabbricata” ogni anno dalla fotosintesi solare, la parte che non ha uso alimentare, costituita dagli scarti e residui agricoli e forestali, stimabile nel mondo in alcuni miliardi di tonnellate all’anno, in Italia in alcune diecine di milioni di tonnellate all’anno, può essere trasformata in carburanti per autoveicoli o motori, meno inquinanti, le cui emissioni di anidride carbonica, durante il funzionamento, corrispondono, più o meno alla quantità di anidride carbonica assorbita durante la fotosintesi dalla biomassa vegetale da cui sono stati tratti i carburanti.

Le fonti di energia fossili hanno alta densità energetica, disponibilità in qualsiasi momento, ma le loro riserve non si estendono al di là di decenni o secoli, e il loro uso immette nell’ambiente agenti inquinanti, anche quelli gassosi responsabili delle modificazioni climatiche.

La tecnologia è destinata a cambiare a favore delle attuali e soprattutto delle nuove soluzioni “solari”, a condizione che al Sole si chieda di fare quello che sa fare sulla base dei suoi caratteri fisici: variazione durante le ore del giorno e i giorni dell’anno, variazione a seconda delle condizioni meteorologiche, bassa densità energetica per unità di superficie. E se ne considerino i vantaggi consistenti nel ritorno, ogni anno, nelle stesse quantità e con gli stessi caratteri, per sempre, “pulizia” nei confronti dell’ambiente. Tenendo conto che il Sole sa fare molte altre cose, oltre a quelle che gli chiediamo oggi, cose studiate in passato e dimenticate e che possono essere riscoperte e migliorate con i progressi delle conoscenze scientifiche e con la disponibilità di nuovi materiali.

D’altra parte le varie forme in cui il Sole si manifesta sulla Terra, come calore, radiazione, moto del vento e delle acque, anche nella loro semplicità e lentezza, si prestano a soddisfare molti bisogni umani e attendono nuove invenzioni e nuove imprese. Essenziali soprattutto per aiutare nel loro sviluppo i paesi oggi afflitti dalla miseria per mancanza non solo di alimenti e di acqua di buona qualità, ma anche di energia, pur avendo a disposizione grandi spazi, una elevata intensità dell’energia solare, risorse naturali che proprio le forze del Sole possono valorizzare. Si tratta di un potenziale “mercato” di un miliardo di persone, centinaia di migliaia di famiglie.

Il professor Giacomo Ciamician, oltre un secolo fa, scrisse che un giorno la “civiltà”, grazie all’energia solare e alle conoscenze della chimica e della biologia, sarebbe tornata nei paesi africani dove era nata, in alternativa alle fumose e inquinate città industriali. Una alternativa alla pressione che milioni di persone, per sfuggire alla miseria e alla mancanza di servizi e di energia dei loro paesi, esercitano, spesso respinte, alle porte dei paesi oggi opulenti.