Una delle tecnologie di risparmio energetico ed economico più utilizzate, in Europa e nel mondo, è rappresentato dall'utilizzo dei pannelli solari per la produzione di acqua calda. Il principio di funzionamento è il medesimo di quello che si verifica in una serra: infatti dei raggi solari incidenti la superficie vetrata, solo una piccola parte viene riflessa, mentre la parte restante attraversa il vetro e viene assorbita da una piastra captante di colore nero, la quale, scaldandosi, riemette energia sotto forma di radiazione infrarossa, rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). In questo modo la temperatura del fluido vettore primario tende ad aumentare.

Un po' di storia. Il primo pannello di questo tipo fu costruito nel XVIII sec. dallo scienziato svizzero Horace Benedict de Saussure. Esso altro non era che una scatola di legno ricoperta con un vetro che però permetteva di ottenere acqua fino a 87°C. In tempi moderni la prima grande diffusione su larga scala di questi impianti avviene attorno agli anni '50 (soprattutto in Giappone, Stati Uniti e Israele), per poi ottenere un forte impulso all'utilizzo nei primi anni '70, a causa della crisi petrolifera, e a metà degli anni '80, a causa del disastro nucleare di Chernobyl.

Caratteristiche tecniche. I moderni pannelli solari sono costituiti da una superficie trasparente (di vetro o materiale polimerico), una piastra captante (alluminio o rame) all’interno della quale è inserito un fascio di tubi in cui scorre il liquido del circuito primario che viene riscaldato (addizionato con un liquido antigelo), uno strato isolante (in genere lana di roccia) e un fondo in lamiera zincata o vetroresina. Il tutto è tenuto assieme da una struttura portante, abitualmente realizzata in alluminio, che assembla le parti e conferisce al pannello robustezza e stabilità. L'impianto è poi completato da un serbatoio termicamente isolato destinato all'accumulo di acqua calda che al suo interno contiene uno scambiatore di calore ad intercapedine nel quale circola il liquido del circuito primario del pannello che, cedendo il calore ricevuto dal sole, riscalda l’acqua contenuta nel serbatoio. Quindi nel serbatoio si trovano due circuiti idraulici separati: quello primario del pannello, che conduce il liquido riscaldato dal sole e quello dell’acqua, collegato all’impianto idraulico di casa, che permette l’utilizzo dell’acqua calda per i servizi domestici in ogni ora del giorno e della notte. Completano l'impianto i diversi circuiti di collegamento e i dispositivi di regolazione e controllo. La circolazione del fluido primario può essere ottenuta attraverso una circolazione naturale (sfruttando le differenze di temperatura nei diversi rami) oppure tramite l'ausilio di una pompa. I rendimenti raggiungibili, in funzione delle temperature i giuoco e dell’utilizzo di componenti più o meno sofisticati, sono dell’ordine del 50-80%. Con pannelli piani senza concentrazione la temperatura massima raggiungibile si aggira intorno agli 80°C e sarà di poco superiore con superfici di tipo selettivo. Con tecnologie più avanzate è anche possibile ottenere vapore. Per poter disporre sempre di acqua calda, anche in caso di giorni di minore insolazione o ad aumenti della richiesta di acqua calda, è indispensabile ricorrere a soluzioni integrative. Ciò può essere realizzato in due modi. Se nella casa già esiste una caldaia istantanea a gas a controllo elettronico per la produzione dell’acqua calda sanitaria, è possibile collegare il sistema solare all’impianto termico esistente. L’acqua scaldata nel pannello passerà attraverso una elettrovalvola che, in base alla sua temperatura, la invierà direttamente all’utenza domestica. Nel caso in cui tale temperatura fosse inferiore ai 40-50°C, l’acqua preriscaldata sarà inviata alla caldaia che comunque fornirà ad essa un apporto energetico ridotto. Questa soluzione permette di risparmiare sulla bolletta del gas, di allungare la vita della caldaia e di disporre di acqua calda senza limiti di consumo, utilizzando al massimo le capacità del pannello solare. Se invece non è possibile collegarsi alla caldaia a gas, occorre inserire nel serbatoio una resistenza elettrica di almeno 1 kW con termostato tarato a circa 45°C.

Utilizzi. L'utilizzo cui questi impianti sono attualmente destinati sono gli usi domestici di singole famiglie. In genere si tratta, a seconda dell'entità del gruppo familiare e del tipo di clima, di impianti di 3-5 m² di superficie captante (sistemata in terrazzo, sul tetto o in giardino) con un serbatoio di accumulo di 150-300 m³ che consentono di produrre acqua calda a temperature di 55-65 °C adatta all'utilizzo in cucina, in bagno o per il riscaldamento. Se la nostra famiglia installa un sistema solare, potrà coprire con esso mediamente il 70% del suo fabbisogno totale annuale di acqua calda. Nei paesi più avanzati sono stati realizzati anche impianti solari centralizzati, utilizzati, con sistemi di distribuzione e conteggio del calore, per il riscaldamento di appartamenti, hotels ed impianti sportivi. Tra questi, di particolare interesse risulta essere l’utilizzo per il riscaldamento dell’acqua delle piscine, con investimenti finanziari che si ripagano anche in un anno e mezzo.

Costi e Risparmi. In media per un impianto monofamiliare si va dai 3 ai 5 milioni di Lire (circa 1500-2500 Euro), ammortizzabili in circa 3-4 anni, mentre la vita dello scaldacqua solare si può indicare in 15-20 anni, con costi di manutenzione annuali dell'ordine del 2% del costo iniziale dell'impianto, necessari per la manutenzione ed il controllo di spie e centraline. Bisogna altresì ricordare che uno scaldabagno tradizionale (elettrico o a metano) non si ripaga mai, perché il costo della bolletta c’è sempre, mentre l’energia solare, dopo aver recuperato i soldi spesi, non costa nulla. Per le seconde case al mare, con ottima insolazione e tariffa elettrica più cara, l’impianto solare è ancora più conveniente. Esistono inoltre degli incentivi fiscali: infatti chi effettua nell'edificio e/o nella abitazione in cui abita o possiede, tra gli altri, interventi di risparmio energetico e utilizza le fonti rinnovabili di energia, può detrarre dall'Imposta sul Reddito delle Persone Fisiche (IRPEF) il 36 % del valore globale dell'investimento. Il risparmio medio annuale per un impianto di 3 m² di superficie captante per il consumo di una famiglia tipo di 4 persone abitante in una località dell'Italia centrale, rispetto ad uno scaldacqua elettrico o a metano risulta essere:

In Italia e nel Mondo. Nel mondo oggigiorno sono presenti circa 30.000.000 m² di pannelli solari, di cui circa 5.600.000 m² in Europa. Nel nostro continente il mercato dei pannelli solari, il 40% del mercato mondiale e l’85% di quello europeo, è sviluppato soprattutto nei paesi a minore insolazione del Nord Europa e in quelli del basso Mediterraneo. Questo per merito sia di particolari politiche di incentivo statali (in Olanda il governo mette a disposizione 4.000.000 di Euro sia per incentivare l'installazione dei pannelli che per finanziare l'attività di ricerca e sviluppo) che dalla maggiore sensibilità ambientale di tali popolazioni. L’aumento del tasso di crescita, che per i prossimi anni si prevede superiore al 25%, creerà circa 70.000 nuovi posti di lavoro qualificati solo in Austria, Germania e Grecia. In Italia attualmente, nonostante le favorevoli condizioni ambientali, sono installati solo 176.000 m² di pannelli solari (contro i 2.000.000 m² della vicina Grecia) con una media di 4 m² di pannelli solari ogni 1000 abitanti (contro 1 m² per abitante a Cipro) con volumi di vendita di 12.000 m² annui (contro i 185.000 m² annui della Germania). Questo è poi un dato mediato sull’intero territorio nazionale e non tiene conto del fatto che le aree di effettivo sviluppo sono concentrate in poche regioni, come il Trentino ed in particolare la provincia di Bolzano, dove si concentra circa il 30% dell’intero volume di attività del settore. Tuttavia le previsioni di crescita portano a pensare che per i prossimi anni si possa arrivare ad installare sull’intero territorio nazionale circa 100.000 m² di pannelli all’anno.

Industria. In Europa circa il 20% dei pannelli sono prodotti in Svezia mentre più del 50% dei serbatoi di accumulo viene fabbricato in Italia. La maggior parte dei produttori oggi esistenti (circa 150 in Europa) opera prevalentemente nei mercati nazionali con metodi di produzione di tipo artigianale. Questo ha favorito in alcuni paesi il mercato del "fai-da-te", che in Svezia e Austria copre circa il 40% delle vendite. Questo metodo consiste in un processo di assemblaggio di sistemi solari per l’acqua calda basati sull’utilizzo di componenti già disponibili sul mercato. Il costo di un impianto così realizzato è, a parità di prestazioni, di circa il 50% inferiore di quello di un sistema fabbricato commercialmente. Solo ultimamente emerge la tendenza di alcuni produttori che tendono ad organizzarsi su scala europea, con l’automazione dei processi produttivi e la creazione di reti di distribuzione per la vendita. In Italia operano solo 3 aziende produttrici di pannelli solari (che utilizzano solo il 5% delle loro potenzialità) e circa 200 installatori.

Esempio di calcolo. Di seguito viene riportato un esempio di calcolo di un sistema a pannelli solari per un nucleo familiare composto da 4 persone residente a Cagliari. Si noti come l'investimento iniziale venga ammortato in soli circa 3 anni.