Uno dei 10 edifici più green del mondo: il Federal Center South

200mila travi di legno riciclate, fondazioni geotermiche, rain garden, stormwater, riciclo dei rifiuti da cantiere, comfort ed innovazione: è il Federal Center South Building di Seattle.

(Rinnovabili.it) – Completato lo scorso autunno, il Federal Center South Building 1202 la nuova sede dell’US Army Corps of Engineers di Seattle è oggi uno degli edifici più efficienti di tutto il Paese, riuscendo ad abbattere del 75% i propri consumi energetici rispetto ad un tradizionale edificio per uffici.

Il progetto è stato affidato al team della ZGF Architects che dopo una serie di sperimentazioni sul campo, ha scelto per l’edifico la forma che meglio avrebbe permesso di sfruttar la luce naturale, limitando le dispersioni.

“Abbiamo preso in considerazione un sacco di varianti, ma questa particolare forma ci ha aiutato a mantenere bassissimi i carichi di punta”, affermano i progettisti di ZGF che grazie alle soluzioni adottate in fatto di sostenibilità ed efficienza, hanno permesso al Federal Center South di raggiungere il punteggio 100 nel rating Energy Star, entrando a far parte del progetto “2030 Challenge “ della città di Seattle.

Gli spazi di lavoro sono ampi e ben areati, disposti attorno ad un grande lucernario centrale che permette alle sale conferenze, agli uffici ed agli spazi comuni, di ricevere la massima illuminazione naturale possibile, affacciandosi direttamente sul verde dei giardini circostanti, per trasformare il luogo di lavoro in un ambiente confortevole e stimolante.

E’ proprio l’ampio atrio centrale coronato dal lucernario uno degli elementi più strategici del Federal Center South Building 1202, una sorta di doppia facciata dove il giardino interno e la grande altezza, permettono di creare una microcircolazione naturale dell’aria calda, che sale verso l’alto dell’atrio, raffrescando i pinai sottostanti.

SOSTENIBILITA’

Oltre il 20% dei materiali impiegati per la costruzione del Federal Center South provengono da percorsi di riciclo, i vetri delle finestre, la tappezzeria, le piastrelle, una parte della struttura in acciaio, i pannelli di bamboo e molte alte componenti.

Il 98,8% dei rifiuti prodotti dal cantiere per la costruzione del Federal Center South sono stati riciclati.

Circa 200.000 travi strutturali di legno provenienti dalla dismissione del vecchio cantiere sono state recuperate per l’edificio che utilizza unicamente legno certificato FSC.

Il consumo di energia totale e netto EUI è pari a 21 kBtu per piede quadro. Il Federal Center South Building si è aggiudicato la certificazione LEED Gold.

Il progetto è stato inserito anche nella Top Ten stilata dall’American Institute of Architects (AIA) dei progetti più sostenibili del mondo.

EFFICIENZA

FONDAZIONI GEOTERMICHE – Il Federal Center South è uno dei primi edifici della regione ad utilizzare i pali strutturali delle fondamenta come sonde geotermiche, assicurando il perfetto raffrescamento o riscaldamento degli ambienti interni.

PHASE CHANGE MATERIAL – Questo particolare sistema è inoltre combinato con gli elementi radianti a soffitto e con un serbatoio di accumulo termico a di Phase change material, (materiale a cambiamento di fase).

RAIN GARDEN – Circa 20.000 piedi quadri di giardini pensili a terra e sulla copertura distribuiti in tre terrazze “stormwater” ovvero che permettono di catturare e filtrare naturalmente l’acqua piovana trasferendola nel bacino di raccolta da 25.000 galloni per poi essere riutilizzati nei servizi igienici, nell’irrigazione e per l’impianto di raffrescamento a soffitto.

SCHERMATURE SOLARI – Le facciate ad ovest  e a sud sono protette da una serie di schermature solari fisse orizzontali, che permettono alla luce riflessa di penetrare nell’edificio, senza generare fenomeni di abbagliamento o influire sul comfort termico; mentre le facciate nord ed est sono libere da ogni impedimento, permettendo agli uffici collocati in queste posizioni la stessa illuminazione naturale delle altre stanze.

VENTILAZIONE – La ventilazione dell’edificio proviene dai 5 impianti di aerazione posti sulla copertura, dotati tra l’altro di sistemi per il recupero di calore.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.