Progetto energetico Stem, ovvero come produrre energia dalla sabbia

Spesso nei film americani, per testare l'intelligenza di protagonisti introversi e problematici, ma geniali vengono effettuati i test psicologici, basati sulla lettura o interpretazione di disegni, ovvero si cerca di capire gli stimoli che una certa un'immagine o a volte un colore da solo o in associazione, ha sulle loro menti. Di solito, i risultati di questi test, danno l'avvio a numerosi cambiamenti nella storia ed aprono la strada al riscatto del protagonista, fino a quel momento considerato uno sfigato per la sua diversità che dipende solamente da un'elevata intelligenza. Se però parlando di sole e sabbia, la nostra mente vi associa immagini di mare, di spiagge assolate e palme, beh niente di eccezionale è una risposta corretta e ovvia, ma solo per noi. Il protagonista geniale di un ipotetico film, alla domanda avrebbe invece evitato di fare un banale accostamento vacanziero, piuttosto avrebbe risposto che può essere utilizzata come fluido conduttore e avrebbe cominciato a descrivere un nuovo tipo impianto solare termodinamico mettendo in evidenza, con orgoglio, che questa scoperta è assolutamente tutta Made in Italy. 

(Bandiera italiana)

Uno scherzo? Assolutamente no!

La storia di questa pellicola comincia a Salerno, presso il Gruppo Magaldi, una realtà nata nel 1929 e che da sempre fa parte dell'eccellenza e del genio italiano. Specializzata nella produzione di macchine ed impianti industriali per il trasporto di materiali ad alta temperatura, che vengono utilizzati in particolare per la costruzione di centrali termoelettriche a carbone, cementifici, acciaierie e fonderie.

Da alcuni anni ha una missione molto importante: ideare, produrre e commercializzare impianti di produzione elettrica da solare fotovoltaico, caratterizzati dalla massima affidabilità e qualità, in grado di fornire soluzioni industriali eco-sostenibili in tutto il mondo.

DI CHE SI TRATTA?

La trama a cui facciamo riferimento è quella del progetto energetico STEM, acronimo di Solare Termoelettrico Magaldi, sviluppato dall'azienda salernitana in partnership con il CNR e l'Università di Napoli.

Si tratta del primo impianto solare termodinamico (anche noto come impianto solare a concentrazione), in cui la sabbia funge da materiale accumulatore, cioè immagazzina l'energia termica prodotta in eccesso da un generatore ed è poi in grado di restituirla sotto forma di utilizzo quando è necessario, soprattutto di notte. Questo primo esperimento è stato realizzato in Italia, a Buccino, provincia di Salerno. 

Prima di proseguire è importante fornire qualche dettaglio.

In generale, gli impianti a concentrazione sfruttano, per il loro funzionamento, un fluido termovettore, cioè un liquido che accumula e trasporta il calore, per immagazzinare l'energia termica proveniente dal sole e portarla ad un generatore di elettricità. Storicamente i fluidi termovettori per eccellenza sono stati l'aria e l'acqua, quest'ultima sia in forma liquida che vapore. L'evoluzione della tecnologia ha evidenziato i limiti che questi fluidi presentano in particolari condizioni ed è per questa ragione che sono state individuate delle alternative in grado di risolvere le problematiche di aria ed acqua.

In sostituzione di aria e acqua furono introdotti gli oli minerali diatermici: elio liquido, freon, sali di metalli fusi, solo per fare alcuni esempi. Con il tempo, gli oli diatermici sono diventati i fluidi più utilizzati. Si tratta di olio minerale o di sintesi che presenta un'elevata temperatura di ebollizione (500°C) e quindi la possibilità di mantenere alte temperature senza dover ricorrere ad altrettanto elevate pressioni. 

Analizzando le proprietà chimico-fisiche dei fluidi diatermici, emergono inoltre numerosi altri vantaggi nel loro utilizzo:

• Assenza di pressione
• Nessuna regolamentazione rigorosa
• Assenza di corrosioni
• Assenza d'incrostazioni
• Nessun trattamento speciale del fluido
• Nessuna servitù (spurghi, ecc.)
• Nessun obbligo di personale specializzato
• Basso punto di congelamento
• Nessun rischio di rottura delle tubazioni in caso di congelamento
• Possibilità di avviamento a bassa temperatura

Ma anche con dei grossi limiti però: costano tanto, sono difficili da smaltire e, in caso di perdite, sono infiammabili e inquinanti. Questo implica la necessità di utilizzare particolari accorgimenti per gli impianti che li sfruttano sia di tipo strutturale che controlli accurati e frequenti.

Ad ogni modo, gli studi e le scoperte non si sono fermati qui, purtroppo anche le prime idee alternative in particolare quella dei sali fusi, nitrati di sodio e potassio, ambientalmente innocui e che raggiungono anche i 550 °C, proposta dal premio Nobel Carlo Rubbia, presentano caratteristiche penalizzanti, ad esempio se si raffreddano solidificano, bloccando le tubature, e caratteristica da non dimenticare, appartenendo alla famiglia degli energici ossidanti, devono essere maneggiati con cautela. 

Con il progetto STEM tutti questi limiti sono stati superati, e siamo andati oltre ottenendo anche ulteriori vantaggi.  

Vediamo come leggendo la spiegazione di Gennaro De Michele, direttore scientifico del progetto STEM del Gruppo Magaldi, << la nostra idea è stata quella di prestare al solare termodinamico la tecnologia dei "letti fluidi", largamente usata nell'industria chimica e nelle combustioni industriali, in cui un solido polverizzato viene mantenuto sospeso da una corrente d'aria, comportandosi così come una sorta di liquido. Nel nostro caso, dopo vari studi ed esperimenti, condotti anche con il gruppo del professor Piero Salatino dell'Università di Napoli, un esperto del settore, come fluido termovettore abbiamo scelto la sabbia sospesa in aria>>. 

L'impianto del progetto Stem utilizza quindi una miscela di sabbia e aria che, oltre a comportarsi a tutti gli effetti come un fluido, è in grado di stoccare l'energia per 5 o 6 ore. La sabbia, inoltre, fonde solo a 1600 gradi e  non dimentichiamo che può essere riutilizzata a fine ciclo, magari in edilizia.

La sabbia impiegata, però, non è quella comune, che ha una pessima conduttività perché fortemente abrasiva, ma la sabbia silicea di fiume, nota anche come sabbia di quarzo, e quella del Ticino sembra particolarmente adatta. Le sabbie silicee sono le più adoperate in assoluto in diversi campi d'applicazione: ad esempio nell'edilizia per dar vita a malte a grana molto fine utili per stuccare pavimentazioni di alto pregio. 

(Raccolta di sabbia di silicio)

Le sabbie silicee, prima di essere commercializzate, generalmente vengono vagliate attentamente per mezzo di appositi dispositivi meccanici in modo da garantire un'elevata uniformità di granulometria e da togliere tutte le eventuali impurità. 

Nell'impianto Stem, la sabbia viene utilizzata in particelle di dimensioni media di 150 micron (che corrisponde ad 1 milionesimo di metro), che sospesa in un flusso d'aria aumenta la sua capacità di condurre calore di oltre cento volte, diventando termicamente più conduttiva dei metalli e dopo  vari studi e verifiche, è emerso che proprio la piccolezza delle dimensioni della sabbia e la conseguente ridotta velocità necessaria per sollevarla, elimina anche il problema dell'erosione dell'impianto, dovuto a questi movimenti.

COME FUNZIONA

Il principio di funzionamento alla base del sistema Stem è molto semplice, ma assolutamente geniale. È stata adottata una tecnologia detta a torre, dove una serie di specchi sono montati su telai eliostati, ovvero che seguono il percorso del sole durante l'arco dell'intera giornata. In questo modo un'alta concentrazione di radiazioni raggiunge il ricevitore di calore, facendo raggiungere alla finissima sabbia temperature prossime ai mille gradi e, contemporaneamente, viene incanalata verso il letto fluidizzato, ovvero dove le particelle di sabbia sono sospese in aria, dove si raggiungono alte temperature (siamo intorno ai 1000 gradi) come nelle centrali a combustili fossili. Questo meccanismo è in grado di assorbire in modo molto efficiente l'energia solare, la accumula e la immagazzina anche quando il sole non c'è conservandola per 5 o 6 ore. Oppure la trasferisce ad un generatore di vapore che la trasforma in corrente elettrica.

(Esempio di impianto solare con torre di concentrazione)

Si tratta, davvero, di un'idea innovativa perché riesce a sfruttare un materiale che è considerato un solido eccellente per incamerare energia termica e poi non è ritenuto un materiale strategico. Infatti, la sabbia è dappertutto, non si degrada e non perde mai le sue caratteristiche: fonde solo a 1600 gradi. E i suoi vantaggi non son ancora finiti, perché non inquina e non dà problemi di fine vita: terminato il ciclo di vita si può usare ad esempio in edilizia. 

E non dimentichiamo un aspetto assolutamente non trascurabile: la sabbia non costa nulla.

L'impianto di prova è stato realizzato a Buccino, Salerno ed è considerato un impianto standard da 500 kW forse poco per un grande impianto industriale, in appena duemila ore di funzionamento, è stato in grado di produrre quasi 150 Kilowatt. Ma l'idea geniale è proprio quella di produrre moduli standard da pochi Kw, a cui possono essere collegati numerosi altri impianti con un'operazione di assemblaggio fino a arrivare a potenze di alcuni megawatt. 

Inoltre è un metodo totalmente eco-compatibile e ibrido, in grado di usare anche combustibili liquidi e gassosi, senza l'aggiunta di altre apparecchiature. Stem permette di avere tutta l'energia necessaria in ogni posto e dove si vuole. Anche se piove, perché la sua capacità di accumulo è pressoché illimitata.

L'idea è quindi sicuramente interessante, perché permette il suo utilizzo sia in realtà domestiche che industriali, in quanto il modulo standard viene costruito in serie, favorendo l'abbattimento dei costi. Inoltre questo tipo di impostazione é anche ideale soprattutto per le località più distanti dalla rete, come ad esempio le isole. 

C'è da precisare che, come dimensione, un modulo occupa all'incirca 2-3 ettari di terreno, ma se si vuole raggiungere la produzione di megawatt la situazione cambia e le zone più adatte risultano quelle desertiche o semi-desertiche dal Medio Oriente all'Australia, dalle Americhe al Nord Africa.

QUALCHE INFORMAZIONE TECNICA IN PIU'

Il modulo standard impiegato nello STEM è composto, quindi, da una torre centrale alta 36 metri che diventa ricevitore di luce, perché è circondata da una crociera di specchi

(Serie si specchi concavi standard collegati in serie)

leggermente concavi, << che rifletteranno la luce solare su specchi piani secondari posti in cima alla torre (tecnologia beam down) che la concentreranno in una cavità metallica progettata in modo che la luce si rifletta al suo interno senza poter scappare, scaldandola fino a 500-600°C. Esternamente alla cavità ci sarà il letto fluido di sabbia, alimentato da un semplice ventilatore, che preleverà il calore dalle pareti della cavità, trasportandolo verso uno scambiatore di calore posto anch'esso nel letto fluido producendo vapore surriscaldato, di qualità identica a quella delle migliori centrali alimentate a gas o carbone>>, spiega sempre l'ingegner De Michele.

È IN GRADO DI FARCELA A BATTERE IL FOTOVOLTAICO?

A questo riguardo è d‘obbligo fare una precisazione. Il sistema STEM è l'alternativa agli impianti fotovoltaici con sistema di accumulo a batteria, in grado di conservare il calore e utilizzarlo durante l'arco della giornata in caso di bisogno. Infatti, le particelle di sabbia di Stem catturano l'energia solare e sono in grado d'immagazzinarla per 5-6 ore, ovvero anche quando il sole non c'è, oppure di trasferirla a un generatore di vapore, che a sua volta fa girare una turbina e poi un alternatore, per trasformarla in corrente elettrica. Il letto fluidizzato funziona anche con il gas naturale al posto dell'aria, rendendo l'impianto ibrido, in caso di necessità.

Sicuramente un passo in avanti, come soluzione industriale o impianti di grandi dimensioni sicuramente potrà inserirsi nel mercato e sconvolgerlo un po'. 

Per quanto riguarda invece gli impianti fotovoltaici con accumulo a batteria di tipo domestico assolutamente no. Si stanno presentando sul mercato nuove tecnologie acquistabili anche senza  il supporto degli incentivi statali che aiutano ad ottimizzare l'utilizzo casalingo di energia in una casa con impianto fotovoltaico dando addirittura indicazioni per migliorare lo stile di vita al fine di consumare meno e arrivare ad utilizzare solo l'energia che si produce, monitorare il consumo giornaliero..e quindi a ridurre il conto energetico.

E di fronte a queste novità, la sabbia può davvero poco.