Dal Ticino la ricetta per un ‘concentrato di sole’

Dopo quattro anni dedicati alla ricerca e allo sviluppo, la Airlight Energy di Biasca sta realizzando i primi impianti pilota per produrre energia elettrica sfruttando le tecnologie del solare a concentrazione, con i quali vuole dimostrare la validità delle sue soluzioni innovative. E all’orizzonte già si profilano importanti accordi per la loro commercializzazione.

Sono mesi molto importanti quelli che ha davanti a sé la Airlight Energy, azienda di Biasca nata nel 2007 e attiva nel campo delle tecnologie del solare a concentrazione finalizzate alla produzione di energia elettrica. «Dopo 4 anni dedicati alla ricerca e sviluppo, la nostra tecnologia sta finalmente diventando una realtà concreta per la produzione di energia pulita», sottolinea Francesco Bolgiani, presidente del Consiglio di amministrazione della Airlight Energy, «entro la prossima estate verranno infatti messi in funzione i nostri primi due impianti pilota: il primo, nel campo della tecnologia del solare termodinamico (Csp), è frutto di un accordo con il gruppo Italcementi - che ha fortemente creduto nella nostra tecnologia - e verrà installato nella loro cementeria di Ait Baha, in Marocco, mentre il secondo, per il fotovoltaico a concentrazione (Cpv), verrà realizzato vicino alla sede della nostra officina a Biasca. Con questi impianti pilota vogliamo dimostrare la validità della nostra tecnologia su larga scala. L’obiettivo successivo è quello di istallare in un primo tempo ulteriori impianti Csp nel Maghreb, mentre in Italia concentreremo gli sforzi sull’installazione degli impianti Cpv ».      

Pur perseguendo lo stesso obiettivo, quello di concentrare l’energia termica solare e convertirla in elettricità, bisogna dunque distinguere due tecnologie. «I sistemi Csp (sigla che sta per ‘Concentrated solar power’) concentrano l’energia termica solare tramite l’uso di specchi: la radiazione solare viene così focalizzata su di un ricevitore contenente un fluido termico che viene riscaldato. Il fluido trasporta l’energia termica ad un accumulatore centrale, dove può esser immagazzinata per un uso futuro, oppure ad un ciclo turbina-vapore per essere trasformata in elettricità», spiega Andrea Pedretti, responsabile della tecnologia di Airlight Energy, «i sistemi Cpv (‘Concentrated photo voltaic’), invece, concentrano la luce solare su delle celle fotovoltaiche a multi-giunzione e ad alta concentrazione: l’elettricità viene pertanto prodotta in modo diretto».  Aziende leader nel campo delle energie rinnovabili, start-up e grandi gruppi si stanno affacciando in questo mercato, tutti con tecnologie proprietarie ma sempre basate su un punto comune, l’uso di specchi rigidi (Csp e Cpv) o di lenti di Fresnel (Cpv); partendo da una concezione diametralmente opposta, Airlight Energy ha sviluppato una soluzione completamente nuova basata su specchi pneumatici multi-arco, elementi prefabbricati in calcestruzzo, un ricevitore a due assi e, per quanto riguarda il Csp, un accumulatore di calore che impiega semplice ghiaia. Il tutto trova la sua sintesi in un collettore solare, della lunghezza di 216 metri, che è l’elemento base degli impianti che Airlight Energy intende costruire.    Le innovazioni che l’azienda ticinese ha saputo introdurre sono frutto di una felice intuizione iniziale, del lavoro e delle competenze dei propri collaboratori, ma anche della stretta collaborazione, instaurata sin dall’inizio, con laboratori di ricerca, studi di ingegneria e aziende del settore delle costruzioni, che le hanno permesso di sviluppare e testare la propria tecnologia. «Abbiamo collaborato con il Politecnico di Zurigo, con il Paul Scherrer Institut di Villigen (canton Argovia) e con la Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana, e a queste collaborazioni si è aggiunta la possibilità di operare in outsourcing con partner prestigiosi, come il Gruppo Helbling di Zurigo e la Lombardi Engineering di Minusio per la parte ingegneristica o grandi aziende italiane attive nel campo delle costruzioni, come la Cimolai Spa. Con tutti questi partner, che qui voglio ringraziare pubblicamente, abbiamo potuto raggiungere la massima efficienza delle nostre soluzioni tecnologiche risparmiando tempo e denaro, che invece avremmo speso se avessimo voluto ‘fare tutto in casa’», indica Bolgiani.    Airlight Energy ha depositato numerosi brevetti internazionali a protezione delle sue principali innovazioni, dei concetti primari e dei dettagli costruttivi sia nell’Unione europea che negli Stati Uniti. Nel 2011 l’azienda ha completato la certificazione della sua tecnologia da parte di enti esterni sia a livello accademico (Supsi e Politecnico di Zurigo) che industriale (attraverso la Pöyry, società di consulenza internazionale).  

La tecnologia. «In linea di principio, tutte le tecnologie Csp utilizzate dai nostri concorrenti hanno caratteristiche molto simili in termini di redditività economica. Questo perché indipendentemente dalla tecnologia Csp sottostante, sia essa parabolico lineare, torre solare, sistemi Stirling o riflettori Fresnel, tutte le soluzioni si basano sullo stesso principio: per dare la giusta forma agli specchi, la superficie riflettente è formata da una struttura rigida. Di conseguenza gli specchi sono solitamente costruiti usando vetro e alluminio e sostenuti da una struttura metallica», spiega Pedretti. Inoltre quale fluido termico per il trasporto del calore generato viene impiegato olio diatermico o vapore, fluidi termici che non raggiungono temperature superiori a 400°C, e se esiste un accumulatore di calore, questo è solitamente basato sull’utilizzo della tecnologia a sali fusi.  «Per quanto riguarda invece le tecnologie Cpv, esse si basano su due tipi di sistemi molto tradizionali: le lenti di Fresnel oppure un’ottica di riflessione con strutture rigide. Sul lungo termine il mercato conta sull’aumento dell’efficienza delle celle a giunzione multipla e sull’economia di scala, meno sull’ottimizzazione della struttura di concentrazione», spiega Gianluca Ambrosetti, responsabile per il fotovoltaico a concentrazione di Airlight Energy.  Fin dalla sua creazione, il chiaro obiettivo di Airlight Energy è stato lo sviluppo di un sistema a concentrazione redditizio, semplice, affidabile e pronto per un’espansione veloce e immediata. Dopo 4 anni di ricerca, progettazione e sviluppo di tre generazioni successive di prototipi, inizialmente focalizzati unicamente sul Csp ma la cui tecnologia è evoluta ulteriormente ed applicata anche al Cpv, oggi l’azienda può commercializzare la propria soluzione che, come si è già accennato, è caratterizzata da quattro innovazioni principali.  «La prima è quella rappresentata dagli specchi pneumatici flessibili, con una perfetta forma parabolica e di grandi dimensioni, due volte più ampi delle soluzioni tradizionali, che permettono di raggiungere concentrazioni solari ben maggiori rispetto alla concorrenza», illustra Pedretti. Il sistema di specchi pneumatici è composto da una lunga membrana di Etfe trasparente sul lato superiore, un tessuto in fibra di silicone sul lato inferiore, e uno specchio flessibile (una pellicola di poliestere con un rivestimento alluminizzato riflettente sul lato superiore). Il sistema è gonfiato con aria ad una sovrapressione di pochi millibar. Il risultato è un cuscino in due volumi: il volume superiore delimitato dall’Etfe e dalla membrana a specchio e il volume inferiore delimitato dallo specchio e dal tessuto in fibra di silicone. Controllando la differenza di pressione tra i due volumi è possibile stendere la membrana a specchio perfettamente, deformandola elasticamente e dando vita ad una perfetta forma parabolica. La differenza di pressione è prodotta da un sistema di ventilazione che filtra e deumidifica l’aria così da preservare la vita dello specchio.   «La seconda innovazione che abbiamo introdotto è la struttura rigida fibrorinforzata in calcestruzzo prefabbricato destinata a sostenere il collettore, movimentata da un sistema dedicato di inseguimento del sole. Tutti gli elementi in calcestruzzo sono realizzati con miscele particolari: il calcestruzzo incorpora fibre sintetiche per aumentarne la resistenza tensionale ed additivi che ne accelerano il tempo di maturazione creando una soluzione compatta e resistente», sottolinea Pedretti, «la terza innovazione è l’adozione di un ricevitore con un asse di concentrazione secondario che realizza fattori di concentrazione fino a 500X, permettendo l’integrazione di celle a multi giunzione con efficienza superiore al 40% per il Cpv o l’utilizzo di aria come fluido termico, e che consente di raggiungere temperature ben superiori ai 650°C per il Csp».  La quarta innovazione riguarda il Csp e consiste in un accumulatore a ghiaia di lunga durata, semplice, ad alta efficienza e costi ridotti. L’energia termica viene immagazzinata nella ghiaia da un lento flusso controllato di aria calda (il fluido termovettore) durante il giorno. Durante la notte, o durante le ore di picco di consumo, il processo viene invertito, e l’energia termica contenuta nella ghiaia viene estratta sempre attraverso l’aria che si riscalda e viene usata per generare energia elettrica, che in questo modo può essere prodotta su richiesta.         «Queste innovazioni sono ulteriormente valorizzate dal fatto che Airlight Energy è l’unica azienda sul mercato in grado di offrire una soluzione proprietaria completa sia per Csp che per Cpv attraverso un unico collettore, e questo a prezzi altamente concorrenziali», spiega Ambrosetti, «il Cpv è concettualmente simile al Csp, del quale sfrutta la medesima struttura (collettore e specchi pneumatici), ma da cui si differenzia nel ricevitore, in cui la radiazione solare viene convertita direttamente in corrente elettrica mediante speciali celle fotovoltaiche ad altissima efficienza. Con sei mesi di anticipo rispetto ai programmi, il prototipo Cpv di Biasca - che come detto verrà definitivamente completato entro la prossima estate - è stato sottoposto ad una prima fase di test già durante il mese di agosto 2011. I risultati sono stati più che soddisfacenti, sia dal punto di vista delle performance, sia dal punto di vista dell’affidabilità. Si tratta di dati di grande rilevanza, se si considerano le condizioni estreme nelle quali il sistema opera: basti pensare che le celle fotovoltaiche sono esposte a radiazione solare concentrata diverse centinaia di volte, e, senza un corretto raffreddamento, avrebbero un tempo di vita di qualche secondo».

Il mercato. La possibilità di offrire sia un prodotto Csp che un prodotto Cpv con un unico collettore rappresenta un grande punto di forza per Airlight Energy, dato che i due prodotti coprono segmenti di mercato diversi. Il Cpv ha dalla sua parte una maggiore modularità, una maggiore semplicità ed un’elevata efficienza ed è implementabile su scala minore, nella fascia di impianti con potenza di picco compresa tra 1 e 30 MW. Il Csp, invece, è indicato per impianti di larga scala (attorno ai 50 MW, dove l’efficienza del gruppo turbina a vapore è importante): ha il grande vantaggio di poter stoccare l’energia termica e produrre elettricità su richiesta, e inoltre offre notevoli possibilità nel settore del recupero del calore residuo di impianti industriali. Si calcola addirittura che l’attuale fabbisogno mondiale di energia elettrica potrebbe essere soddisfatto da un campo solare Csp che ricoprisse l’1% (500X500 km) delle aree desertiche del pianeta. «Se il mercato del Csp è già oggi in forte crescita, quello del Cpv è ancora in fase embrionale, ma presenta un enorme potenziale di sviluppo», indica Pedretti, «alla fine del 2009 le centrali Csp installate e funzionanti a livello mondiale raggiungevano una potenza complessiva di 890 MW. I progetti in costruzione aggiungeranno ulteriori 2600 MW entro la fine del 2011 e sono già in sviluppo progetti per più di 10mila MW installati entro il 2015, per arrivare ad oltre 30mila MW previsti entro il 2020. Per quanto riguarda il Cpv, alla fine del 2009 era installata a livello mondiale una potenza di produzione di 14 MW, ma le previsioni indicano un aumento continuo con 1800 MW installati entro la fine del 2015».  Le principali applicazioni su cui si concentrerà Airlight Energy sono gli impianti solari termodinamici indipendenti (Csp stand-alone), gli impianti per la produzione integrata di energia (Csp booster) e gli impianti Cpv.  Un tipico impianto Csp stand-alone dell’azienda ticinese sarà progettato per fornire circa 175 GWh di energia elettrica all’anno: a titolo di paragone si può ricordare che la produzione annuale della diga della Verzasca è pari a circa 200 GWh, mentre quella della centrale nucleare di Gösgen è di circa 8000 GWh. In funzione delle caratteristiche di irraggiamento solare, l’impianto coprirà circa 2 chilometri quadrati di superficie, comprenderà 0,5 chilometri quadrati di specchi e complessivamente sarà costituito da circa 250 collettori (ricordiamo che un collettore è lungo 216 metri e largo 11,5 metri), ma essendo modulare potrà essere facilmente adattato alle dimensioni e alle prestazioni richieste dai clienti. Un impianto di queste dimensioni costerà circa 260 milioni di franchi. «Come si è già accennato, nell’ottica della produzione integrata di energia il campo solare Csp può anche essere utilizzato in combinazione con sistemi già esistenti per sfruttarne il calore di scarto, incrementando il rendimento complessivo», spiega Pedretti, «un primo esempio può essere quello di utilizzare il calore di scarto di fabbriche (un tipico esempio sono i cementifici, come nel caso dell’impianto pilota che stiamo costruendo in Marocco), convogliandolo all’interno del campo solare per aumentarne il contenuto di energia e poi produrre elettricità, andando a rivalutare una risorsa altrimenti inutilizzata e nello stesso tempo aumentando di fatto l’efficienza del campo solare. Un secondo esempio è quello di integrare il campo solare in centrali a ciclo combinato: l’energia prodotta dal campo solare così essere utilizzata dalla turbina permettendo di aumentare (boost) la produzione durante i periodi di picco sfruttando nel contempo l’efficienza elevata di tali turbine».  Nel campo invece della tecnologia Cpv, un tipico impianto che Airlight Energy intende realizzare sarà costituito da una ventina di collettori, che occuperanno un’area di circa 120mila metri quadrati, per una superficie totale di specchi di circa 40mila metri quadrati, e sarà in grado di produrre fino a 13 GWh di elettricità all’anno (per esempio nel Sud Italia). Anche in questo caso la modularità del sistema permetterà comunque il dimensionamento della centrale in funzione della superficie disponibile. Un impianto di questo tipo costerà circa 39 milioni di franchi.  «Per quanto riguarda i costi di produzione dell’energia elettrica generata da centrali solari a concentrazione, va detto che sono in forte diminuzione: in siti con irraggiamento ottimale (le prestazioni crescono con il crescere dell’irradiazione solare: queste tecnologie sono quindi particolarmente adatte a certe aree del mondo, come il Nord Africa e buona parte dell’Africa meridionale, il Medio Oriente, parti dell’India e della Cina, parti del Nord e del Sud America, l’Australia, ndr.) siamo già al di sotto dei 0,15 dollari al kilowattora, e si prevedono costi di generazione inferiori a 0,10 dollari al kilowattora entro il 2015», indica Pedretti, «vi è poi un altro aspetto importante che deve essere sottolineato, quello della durata di vita degli impianti: nel nostro caso sarà di circa 50 anni, con una manutenzione ridotta (si tratterà in particolare di cambiare la membrana Etfe ogni 15 anni)».    

Le strategie future. «Una volta portati a termine i nostri impianti pilota e verificato il loro perfetto funzionamento saremo pronti per dare avvio alla commercializzazione della nostra tecnologia: pensiamo di raggiungere il break-even nel 2015», spiega Bolgiani, «i primi mercati sui quali punteremo sono l’area mediterranea e il Sud-Ovest degli Stati Uniti: abbiamo già avviato diverse trattative, ma il tutto non si concretizzerà prima - e mi ripeto - delle verifiche condotte sugli impianti pilota. Ai costruttori di impianti Csp e Cpv intendiamo presentarci come fornitori di tecnologia. Gli accordi per la costruzione con aziende locali permetteranno di semplificare ed accelerare sia le procedure di accesso ai terreni per la costruzione del campo solare, sia l’iter autorizzativo richiesto da parte delle autorità locali. Per promuovere questo tipo di partenariato, stipuleremo accordi di esclusività regionali e limitati nel tempo, che garantiranno anche una fonte immediata di entrate necessaria per rafforzare la posizione dell’azienda nei confronti di clienti finali o appaltatori».  Una volta approvato il progetto e una volta selezionato il fornitore del ciclo turbina-vapore, Airlight Energy fornirà la sua tecnologia e i suoi servizi per la costruzione del campo solare, e in particolare casseri, miscele, additivi per la fabbricazione delle strutture in calcestruzzo, membrane e specchi, il ricevitore, i componenti elettromeccanici, cablaggi, elettronica, software di controllo, servizi di progettazione e ingegneria nel campo solare (con partner), direzione lavori e controllo di qualità durante la costruzione, formazione del personale per la corretta gestione dell’impianto. «Inoltre», conclude Bolgiani, «non dimentichiamo che ad impianti ultimati offriremo poi servizi di gestione e manutenzione agli operatori finali che, combinati con le royalties, garantiranno un flusso di entrate ricorrenti e a lungo termine».

Marzio Molinari