Indagine e proposta di un nuovo sistema di trigenerazione solare per riscaldamento, raffreddamento e produzione di energia più ecologici

Perché trasformare la luce solare in comfort è importante

Mantenere confortevoli case, uffici e ospedali richiede molta energia, gran parte della quale proviene ancora da combustibili fossili che riscaldano il pianeta e inquinano l’aria. Allo stesso tempo, il sole riversa ogni giorno enormi quantità di energia pulita sui nostri tetti e sulle strade cittadine. Questo studio esplora un nuovo modo di catturare quella luce solare affinché un unico impianto possa fornire contemporaneamente tre servizi essenziali per gli edifici: elettricità, riscaldamento e raffreddamento. Sfruttando più energia utile per ogni raggio di sole, il progetto proposto mira a ridurre gli sprechi, abbassare le emissioni e diminuire la dipendenza dalle centrali convenzionali.

Una torre solare, tre servizi utili

Il nucleo dell’impianto proposto è una torre solare circondata da specchi che inseguono il sole e riflettono la sua luce su un ricevitore sulla sommità. All’interno di questo ricevitore, i ricercatori impiegano tubi elicoidali strettamente avvolti con piccole costolature interne, riempiti con un olio termovettore speciale chiamato Syltherm 800. Quando la luce solare concentrata colpisce il ricevitore, l’olio all’interno di questi tubi si riscalda rapidamente. Invece di usare quest’olio caldo per un solo scopo, il sistema convoglia il calore in una configurazione combinata in grado di generare elettricità, produrre acqua refrigerata per il raffreddamento e fornire acqua calda o vapore per il riscaldamento, contemporaneamente. In altre parole, la stessa energia solare catturata alimenta una centrale di “trigenerazione” dedicata ai bisogni degli edifici.

Circuiti nascosti che trasformano calore in energia e raffreddamento

Per convertire il calore catturato in servizi utili, il sistema si basa su due circuiti collegati. Il primo è un circuito di potenza noto come ciclo di Kalina, che utilizza una miscela di ammoniaca e acqua che bolle e condensa su una gamma di temperature. Questo gli consente di adattarsi bene al calore solare ed estrarre più lavoro da temperature relativamente moderate rispetto ai cicli a vapore tradizionali. L’olio caldo proveniente dal ricevitore trasferisce la sua energia a questa miscela, che poi si espande attraverso una turbina per produrre potenza meccanica convertibile in elettricità. Successivamente, il fluido di lavoro parzialmente raffreddato conserva ancora abbastanza calore da poter essere riutilizzato anziché sprecato.

Il secondo circuito è un ciclo di raffreddamento ad assorbimento che utilizza anch’esso una miscela ammoniaca–acqua, ma ora disposta in modo che il calore, anziché l’elettricità, azioni il processo di raffreddamento. Parte del fluido caldo in uscita dal circuito di potenza viene inviato a un generatore che separa il vapore di ammoniaca dalla soluzione. Quando questo vapore viene poi riassorbito, sottrae calore a un flusso separato, generando un effetto refrigerante adatto per la climatizzazione o il freddo per conservazione. Qualsiasi calore residuo può essere diretto attraverso un riscaldatore di processo per fornire calore utile per acqua calda o esigenze industriali. Insieme, questi circuiti garantiscono che il calore solare ad alta temperatura compia prima il lavoro di maggior valore—la produzione di energia elettrica—per poi essere sfruttato a cascata per il raffreddamento e il riscaldamento.

Come le modifiche di progetto migliorano le prestazioni

I ricercatori utilizzano simulazioni al computer per testare come le scelte progettuali influenzino le prestazioni del sistema. Si concentrano sulla forma dei tubi avvolti nel ricevitore, sull’intensità della radiazione solare incidente e sulle condizioni operative all’interno dei circuiti di potenza e di raffreddamento. Riscontrano che l’impiego di costolature interne più piccole nelle bobine elicoidali, combinato con forte irraggiamento solare, innalza nettamente la temperatura di uscita dell’olio—fino a quasi il 40 percento in un caso favorevole—senza imporre grandi penalità di pressione. Temperature dell’olio più alte, a loro volta, aumentano l’energia prodotta dalla turbina, il calore fornito agli utenti e la capacità frigorifera dell’unità ad assorbimento. Quando l’intensità della radiazione diretta aumenta da un livello moderato a uno elevato, la produzione utile complessiva del sistema di trigenerazione sale da circa 145 kilowatt a oltre 200 kilowatt, e migliorano sia l’efficienza energetica sia l’esigente efficienza exergetica.

Individuare dove si perde energia

Non tutta l’energia solare entrante può essere trasformata in servizi utili; una parte viene inevitabilmente degradata o persa. Per capire dove si verificano le perdite maggiori, gli autori eseguono un’analisi exergetica, che traccia non solo quanto flusso energetico attraversa il sistema, ma quanto di quell’energia rimane capace di svolgere lavoro. Scoprono che il ricevitore centrale sulla sommità della torre è la singola fonte di perdita di qualità più significativa, seguito dal campo di specchi e dal surriscaldatore che trasferisce calore dall’olio al fluido di lavoro. Queste perdite derivano per lo più da differenze di temperatura tra correnti calde e fredde e da dispersioni di calore verso l’ambiente. Riducendo questi gap di temperatura e perfezionando i progetti del ricevitore e del separatore, gli autori sostengono che le versioni future del sistema potrebbero estrarre ancora più potenza, riscaldamento e raffreddamento utili dalla stessa radiazione solare.

Cosa significa per edifici più puliti

In termini pratici, lo studio mostra che una torre solare ben progettata può fungere da hub energetico compatto, fornendo elettricità, climatizzazione e riscaldamento per edifici usando solo la luce solare e una progettazione impiantistica intelligente. In condizioni solari realistiche, le efficienze energetiche ed exergetiche complessive del sistema sono in linea con, e talvolta leggermente superiori a, altri concetti avanzati di trigenerazione solare riportati in letteratura. Sebbene il lavoro si basi su simulazioni dettagliate più che su esperimenti su scala reale, indica una via pratica per sostituire caldaie a combustibili fossili, gruppi frigoriferi e alimentazione da rete separati con una singola soluzione solare integrata che sfrutta meglio ogni fotone catturato.

Citazione: Alsharif, A.M., Khaliq, A., Hussein, E. et al. Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation. Sci Rep 16, 12871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41098-x

Parole chiave: trigenerazione solare, sistemi energetici per edifici, energia solare concentrata, riscaldamento e raffreddamento solare, ciclo di Kalina