Quali fluidi termovettori vengono utilizzati nei sistemi solari termici Demax?

Opzioni principali per i fluidi termovettori nei sistemi solari termici Demax

Acqua: ideale per installazioni Demax a bassa temperatura e pressurizzate

Per le applicazioni solari termiche che operano a temperature inferiori a 100 gradi Celsius, l'acqua rimane una delle opzioni più economiche ed efficienti disponibili come fluido termovettore. Le proprietà vantaggiose dell'acqua derivano dalla sua relativamente elevata capacità termica specifica (circa 4,18 kJ per kg K), pur richiedendo poca potenza di pompaggio. Quando si utilizza un sistema Demax pressurizzato per il raffreddamento, l'acqua è ideale perché non può bollire ed è sicura e rispettosa dell'ambiente. Tuttavia, l'acqua gela a 0 gradi Celsius e, di conseguenza, questi sistemi possono funzionare esclusivamente in regioni prive di gelo. Quando i sistemi sono a rischio di congelamento a causa delle condizioni invernali, gli operatori devono svuotare completamente l'acqua per evitare danni. I dati sulle prestazioni provenienti da abitazioni mediterranee continentali dimostrano che nel 2023 l'ESTIF (Federazione Europea dell'Industria Solare Termica) ha confermato come gli impianti basati sull'acqua abbiano raggiunto un'efficienza stagionale pari a circa il 60%.

Soluzioni focalizzate sulla sicurezza e sulla protezione dal gelo

Per quanto riguarda la protezione dal congelamento, le miscele di propilenglicole e acqua mostrano grandi potenzialità. Continuano a funzionare efficacemente fino a meno 30 gradi Celsius e sono meno pericolose rispetto alle altre opzioni disponibili, che utilizzano etilenglicole e possono risultare pericolose in caso di perdite. Queste miscele prevengono inoltre la corrosione quando gli impianti vengono realizzati seguendo le opportune linee guida, ad esempio impiegando acciaio inossidabile e determinate plastiche. Come svantaggio, le miscele di propilenglicole/acqua possono essere dal 30 al 50 percento più viscose dell’acqua a 20 gradi Celsius, pertanto le pompe devono compiere un lavoro molto maggiore. Tuttavia, grazie alle loro eccellenti prestazioni a basse temperature, esse rappresentano il fluido termovettore di scelta per la maggior parte delle località del Nord America e dell’Europa settentrionale. Recentemente, i produttori hanno ottenuto ulteriori miglioramenti aggiungendo specifici additivi chimici brevettati ai fluidi, riducendone così il tasso di degradazione. Quando i fluidi vengono sottoposti a prova in sistemi chiusi Demax secondo gli standard industriali prescritti, si stima che abbiano una durata compresa tra 5 e 7 anni.

Fluidi siliconici termicamente stabili e aria: usi specializzati nelle applicazioni solari termiche senza pressione e a temperature elevate

I fluidi siliconici per il trasferimento di calore sono gli unici fluidi che rimangono operativi per lunghi periodi di tempo nei sistemi solari termici concentrati a circuito aperto non pressurizzati, che funzionano a temperature elevate comprese tra 200 e 400 °C. I fluidi siliconici possiedono inoltre la capacità di trasferimento termico necessaria per l’impiego nella fascia di alte temperature dei sistemi solari termici concentrati. Tuttavia, i fluidi per il trasferimento di calore non vengono utilizzati nei sistemi in cui l’aria è il fluido di lavoro. L’aria, in combinazione con i sistemi a circuito aperto, garantisce affidabilità operativa e facilità di manutenzione nei sistemi solari termici non pressurizzati. La combinazione di questi fluidi specializzati, anche se ottimizzata, rappresenta meno del 15 percento del totale globale delle installazioni solari termiche.

Questo numero proviene dall'analisi di mercato più recente dell'iniziativa SolarPACES 2024 dell'Agenzia Internazionale per l'Energia.

Criteri chiave di selezione per i fluidi termovettori solari a concentrazione

Stabilità termica e resistenza alla degradazione

Nei sistemi solari termici che utilizzano fluidi termovettori (HTF), questi devono garantire una stabilità chimica a lungo termine, essendo esposti per periodi prolungati (in alcuni casi anche anni) a temperature prossime ai 200 gradi Celsius. Quando i fluidi sono chimicamente instabili, ciò comporta ripercussioni negative sull’intero sistema, inclusa una riduzione delle prestazioni termiche. In alcuni casi documentati, i fluidi hanno subito una diminuzione delle prestazioni termiche pari al 22% nel giro di cinque anni. Ciò è spesso dovuto all’aumento della viscosità causato dall’ossidazione del fluido e dalla successiva formazione di fanghi. Tali condizioni provocano inoltre un aumento della manutenzione richiesta e un peggioramento delle prestazioni degli scambiatori di calore. Sebbene gli inibitori dell’ossidazione possano attenuare alcuni dei problemi sopra menzionati, è necessario porre maggiore attenzione alla compatibilità del fluido con i materiali del sistema nel tempo. Materiali del sistema quali rame e alluminio, e persino la gomma presenti in alcune guarnizioni delle valvole, possono subire nel tempo diverse reazioni chimiche con il fluido. In particolare, nei sistemi pressurizzati Demax, si stima che la velocità di corrosione sia circa il 30% superiore con fluidi stabili rispetto a quelli instabili.

Questo tipo di usura non riduce semplicemente la vita utile delle attrezzature, ma aumenta inoltre in modo significativo i budget per la manutenzione nel lungo periodo.

Selezione dei fluidi in base alle zone climatiche nel mercato del solare termico in Nord America ed Europa

La selezione del fluido deve essere rigorosamente rispettata in relazione agli estremi climatici della zona di installazione.

1. Paesi nordici e Europa centrale: è necessario garantire protezione fino a –30 °C. A tale scopo, una miscela di glicole propilenico e acqua nel rapporto 50:50 costituisce lo standard di fatto per le installazioni Demax in climi freddi, poiché mantiene oltre l’85% dell’efficienza di trasferimento termico dell’acqua.

2. Il Mediterraneo e il Sud-Ovest degli Stati Uniti: le temperature di stazionamento superano regolarmente i 300 °C. Le temperature di stazionamento richiedono quindi stabilità ad alte temperature abbinata a una bassa pressione di vapore. A tale riguardo, i siliconi offrono prestazioni superiori rispetto ai glicoli, poiché la loro pressione di vapore è del 40% inferiore rispetto a quella dei glicoli alle temperature massime di esercizio, riducendo così la frequenza degli interventi della valvola di sicurezza e, di conseguenza, la perdita di fluido.

3. Il Nord-Est degli Stati Uniti, come esempio di clima ibrido: è necessario un design a doppia protezione. L’ultima generazione di schiume a base di idrocarburi ha la capacità di rimanere pompabile a temperature inferiori a –25 °C e di resistere alla degradazione termica a temperature fino a 290 °C. Ciò consente un funzionamento sicuro annuale senza compromettere l’efficienza.

Sebbene il loro utilizzo aumenti la viscosità del 12–15%, causando un maggiore sforzo di pompaggio e diametri maggiori per i cilindri delle pompe, è evidente una tendenza all’impiego di liquidi con maggiore stabilità termica, nonostante i vincoli aggiuntivi in termini di sicurezza che essi comportano.

Confronto delle prestazioni in termini di efficienza, sicurezza e compatibilità del sistema nelle applicazioni solari termiche

Compromessi termofisici relativi al calore specifico, alla viscosità e all’energia richiesta per il pompaggio del flusso, in relazione al rendimento termico solare

Le prestazioni termiche complessive di ciascun fluido sono state analizzate in relazione a tre delle caratteristiche fisico-chimiche del fluido: la capacità di accumulo di energia termica del fluido (calore specifico), lo spessore del fluido (viscosità) e la degradazione termica del fluido (stabilità termica). L'acqua è un eccellente assorbitore di energia termica (il calore specifico è pari a circa 4,18 kJ per kg per grado K). Tuttavia, sorgono problemi nell’uso dell’acqua in questi sistemi poiché le temperature possono scendere al di sotto del punto di congelamento. In tali casi, è necessario ricorrere a miscele di glicole, sebbene tali fluidi presentino una viscosità superiore del 30–50 % rispetto all’acqua. Questa maggiore resistenza dovuta alla viscosità richiede che le pompe compiano un lavoro aggiuntivo, determinando generalmente un aumento del consumo energetico del 15–30 % nei grandi sistemi industriali e riducendo l’energia solare netta raccolta. Sebbene i fluidi siliconici non diventino altrettanto viscosi al riscaldamento, il loro calore specifico è limitato a un intervallo compreso tra 1,5 e 1,8 kJ. Di conseguenza, un operatore che utilizza fluidi siliconici deve garantire una portata di fluido pari al doppio rispetto a quella necessaria con l’acqua. Questa gestione del fluido comporta la necessità di pompe di dimensioni maggiori, incrementa le spese associate all’energia elettrica e accresce il carico di manutenzione.

È stato confermato tramite test sul campo effettuati in impianti solari a parabola che l’uso di fluidi e pompe non compatibili può ridurre la resa termica del 12–18 percento nel tempo. In particolare, i fluidi di qualità scadente si degradano più rapidamente e possono diventare dal 50 al 80 percento più viscosi già dopo soli 5 anni, con conseguenti problemi di flusso. Di conseguenza, gli ingegneri devono valutare attentamente ogni nuovo fluido in relazione a tutti i componenti del sistema con cui verrà a contatto, inclusi i serbatoi di espansione, le valvole e, in particolare, gli scambiatori di calore a piastre brasate.

Domande frequenti

Qual è il principale vantaggio dell’uso dell’acqua come fluido termovettore nei sistemi Demax?

L’acqua è più efficiente nel trasferire calore perché possiede una capacità termica specifica superiore rispetto ad altri fluidi. Le sue applicazioni a basse temperature in regioni prive di gelo e le ridotte perdite energetiche legate al pompaggio ne fanno un fluido fortemente preferito.

Quali sono i vantaggi dell’uso di miscele di glicole propilenico/acqua in climi freddi?

Queste miscele sono più viscose dell'acqua e più sicure rispetto alle opzioni a base di glicole etilenico. Sono la scelta preferita nelle regioni fredde grazie alla loro resistenza a basse temperature e alla maggiore viscosità, in particolare in Nord America e nell'Europa settentrionale.

Quali sono le caratteristiche dei fluidi al silicone che ne consentono l'impiego in applicazioni ad alta temperatura?

I fluidi al silicone possiedono un’eccezionale stabilità termica, che ne consente l’uso in applicazioni ad alta temperatura, come nei sistemi solari termici a concentrazione. Inoltre, i fluidi al silicone presentano basse pressioni di vapore, riducendo al minimo la probabilità di attivazione delle valvole di sfogo della pressione alle temperature massime.

Quali sono le implicazioni dei criteri di selezione sul clima della regione nella scelta di un fluido per il trasferimento di calore?

Per massimizzare l'affidabilità e l'efficienza del sistema, nei climi freddi si devono utilizzare fluidi per il trasferimento di calore con protezione dal congelamento, mentre nelle regioni calde si devono impiegare fluidi dotati di elevata stabilità termica.