La valutazione di sostenibilità su scala urbana: gli eco-quartieri europei

Progettati e realizzati secondo i criteri dello sviluppo sostenibile, gli eco-quartieri rappresentano un modello urbano in grado di unire qualità della vita e tutela ambientale ad alta efficienza energetica. Presentati tre casi studio sulla gestione e l’uso dell’energia

di Francesco Asdrubali, Gianluca Grazieschi, Chiara Rampacci 

(Rinnovabili.it) – Un eco-quartiere può essere descritto come un brano di città che viene progettato unitariamente secondo criteri basati sul concetto di sviluppo sostenibile. Come discusso nel precedente articolo riguardante i protocolli di certificazione della sostenibilità a livello di quartiere, il concetto di sostenibilità che viene promosso è parziale ed incentrato solo su alcuni temi. Gli aspetti energetici, per esempio, sono molto sentiti per la loro rilevanza nella riduzione delle emissioni climalteranti e il loro peso significativo all’interno dei carichi ambientali del settore delle costruzioni. 

La gestione dell’energia a livello di quartiere può portare ad alcuni vantaggi: la progettazione di reti di teleriscaldamento/teleraffredamento, ad esempio, può rappresentare una soluzione in grado di limitare i crescenti problemi legati al cambiamento climatico e all’uso inefficiente dell’energia. I vantaggi di tali sistemi risiedono principalmente nella potenzialità di riuso dell’energia di scarto e nell’impiego di combustibili a basso contenuto di carbonio. L’utilizzo del calore di scarto ha il potenziale di incrementare significativamente l’efficienza di produzione dell’energia e ridurre le emissioni; è stato inoltre dimostrato che l’impiego di calore a bassa temperatura derivante da fonti energetiche rinnovabili, come il solare o il geotermico, in reti di distribuzione di quartiere, è una soluzione attrattiva e praticabile.

Infine, le moderne tecniche di gestione e controllo di tali reti possono garantire un adeguato sistema di monitoraggio e di automazione capace di limitare le perdite in rete e massimizzare il rendimento di distribuzione dell’energia. 

La progettazione di edifici a basso consumo energetico si abbina positivamente a reti di distribuzione dell’energia che funzionano a basse temperature e che usano calore di scarto derivante da sistemi CHP, inceneritori di rifiuti o sistemi geotermici. L’attenzione all’efficienza energetica è una prerogativa per la progettazione degli edifici di un eco-quartiere: l’uso di materiali isolanti, il corretto orientamento degli edifici, adeguati sistemi di riduzione delle infiltrazioni e di controllo della ventilazione dei locali hanno il potenziale di ridurre sensibilmente i carichi energetici delle costruzioni. Altri aspetti considerati sono la gestione sostenibile delle acque, la mobilità dolce e alternativa, la gestione dei rifiuti. 

Di seguito vengono riportati alcuni casi studio riguardanti alcuni eco-quartieri europei; nel descriverne le caratteristiche ci si soffermerà principalmente sugli aspetti riguardanti la gestione e l’uso dell’energia.  

Casanova, Bolzano

Il quartiere Casanova fa parte delle iniziative attuate dall’Istituto per l‘Edilizia Sociale di Bolzano, finalizzate alla messa a disposizione di alloggi a canone sociale. Il distretto è situato nella periferia ovest di Bolzano a 4 km dal centro, in delle aree agricole acquistate dal Comune e disponibili per nuovi utilizzi. L’intervento ha portato alla realizzazione di un impianto urbanistico a “Castelli”, di forma, altezza, dimensione variabile inseriti nel verde pubblico (vedi Fig.1).

La sostenibilità energetica del progetto è basata sulla riduzione del calore per il riscaldamento attraverso il contenimento delle dispersioni di involucro (con spessori di isolamento molto elevati) e la massimizzazione degli apporti solari. La forma e l’orientamento delle corti sono state ben pensate dai progettisti in modo tale da favorire l’irraggiamento solare dei fabbricati attraverso una gradazione delle altezze, che si abbassano verso sud, e la realizzazione di edifici a corte semi-aperta in funzione del vento per favorire la ventilazione naturale nei periodi estivi e la protezione dai venti freddi invernali. I consumi energetici dei diversi castelli sono molto variabili come si può osservare in Tabella 1. 

Dal punto di vista delle energie rinnovabili il quartiere è dotato di un impianto solare centralizzato di quartiere, con i pannelli posizionati in un’apposita area ed integrati lungo la barriera antirumore del viadotto ferroviario, un impianto solare centralizzato con collettori termici per la produzione di ACS, una rete di teleraffrescamento e di teleriscaldamento alimentata dall’impianto di termovalorizzazione del quartiere. Considerando il bilanciamento annuale fra energia prodotta in loco e energia consumata si ha una copertura dei consumi da fonti rinnovabili pari al 73%. 

BO-01, Malmo

Il quartiere BO-01 è stato realizzato tra gli anni ’90 e il 2000 a seguito della scelta di Malmo (Svezia) come città in cui svolgere l’European Housing Expo del 2001. Tale evento aveva l’obiettivo di affrontare tematiche riguardanti l’abitare futuro sotto l’aspetto dello sviluppo sostenibile, delle politiche sociali e del risparmio energetico. Il distretto sorge in una ex zona portuale, che si estende per circa 25 ettari, situata a circa 3 km a nord-ovest dal centro città. La vicinanza del mare ha un ruolo fondamentale non solo da un punto di vista energetico ma anche paesaggistico e di socialità: il waterfront è stato progettato per fornire una promenade attrezzata.

Uno degli obiettivi del progetto era quello di ottenere un distretto in cui fosse possibile raggiungere un equilibrio tra energia prodotta e consumata attraverso l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili e la riduzione dei consumi. I consumi energetici delle abitazioni del quartiere sono quindi molto bassi: in media pari a 133 kWh/m²a.

Nel quartiere i sistemi di riscaldamento, di raffrescamento e di produzione di energie elettrica sono tutti collegati alle rispettive reti di teleriscaldamento, telerafrescamento ed elettrica che alimentano il distretto.

Il riscaldamento degli edifici è fornito per l’85% dal calore estratto, tramite pozzi geotermici, dal mare e dalle sorgenti sotterranee ed in piccola parte, corrispondente al 3%, dai rifiuti residui. Il quartiere è dotato del sistema di accumulo ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) che è direttamente collegato alla rete di teleriscaldamento. Il sistema è costituito da 5 pozzi caldi e 5 pozzi freddi con interposti scambiatori di calore, che arrivano ad una profondità di 80-90 metri e svolgono la funzione di riserve stagionali. Il sistema funziona attraverso una pompa di calore geotermica progettata per estrarre il calore in eccesso dalle unità in estate ed immagazzinarlo nella falda acquifera calcarea fino alla consegna in inverno. Il sistema funziona in senso inverso durante i mesi invernali. Il contributo restante della domanda di riscaldamento è coperto, invece, dai 1400 m² di collettori solari, di cui 1200 m² sono a schermo piatto e 200 m² a tubi sottovuoto.

Per far fronte alla domanda di energia elettrica del quartiere è stata posizionata una turbina eolica e 120 m² di pannelli fotovoltaici. 

La copertura complessiva da fonti rinnovabili dell’energia consumata annualmente è in media pari al 95%, con i sistemi a pompa di calore geotermica e la turbina eolica che garantiscono il contributo più significativo (Tabella 2). 

Bed-Zed, Londra

Il quartiere BedZed si trova a Sutton, una ex area industriale dismessa di 3,5 ettari, a sud di Londra a 10 km dal centro città. Il nome Bed-Zed sta ad indicare Beddington Zero Energy Development, ovvero un distretto che sfrutta fonti energetiche rinnovabili per bilanciare l’energia che consuma annualmente. L’obiettivo del progetto è stato quello di creare un quartiere a medio-alta densità che coniugasse le aree residenziali con gli spazi adibiti al tempo libero e ai servizi. I blocchi residenziali sono prevalentemente costituiti da edifici a schiera di 3 piani fuori terra. 

Una particolare attenzione è stata posta alle forme dei fabbricati, in modo da ridurre i consumi e da massimizzare lo sfruttamento d’illuminazione, ventilazione e irraggiamento naturale.

Per rispondere al fabbisogno energetico del quartiere sono stati installati 777 m² di pannelli fotovoltaici ed è stato realizzato un impianto di cogenerazione a biomassa che alimenta la rete di teleriscaldamento del quartiere. Come si può osservare dalla Tabella 3 il CHP contribuisce in maniera significativa alla produzione di energia da rinnovabili nel quartiere. Il calore di scarto derivante del CHP viene riutilizzato nella rete di teleriscaldamento di quartiere per coprire il fabbisogno di energia termica necessaria al riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Ogni edificio ha un serbatoio di acqua calda che funge anche da radiatore. In questo modo il consumo per risaldamento è circa il 45% più basso rispetto alla media degli alloggi di Sutton e il consumo di elettricità è inferiore del 55%. 

Discussione e conclusioni

Negli eco-quartieri analizzati le reti di gestione dell’energia su scala di quartiere giocano un ruolo fondamentale per l’incremento della copertura da fonti rinnovabili del fabbisogno energetico. La condivisione di sistemi di generazione e di storage mira ad appiattire i profili di consumo, riducendo i picchi di carico, e quindi ad ottimizzare i costi dell’energia all’interno del distretto. Inoltre, grazie al potenziale della gestione dell’energia a livello di distretto, è possibile raggiungere localmente un bilanciamento annuale quasi nullo fra domanda energetica e produzione da fonte rinnovabile. In alcuni casi, sfruttando al meglio tale strategia, è possibile ottenere una riduzione significativa dei costi che può arrivare anche oltre il 15%. 

Gli studi di letteratura su tali sistemi si basano spesso solamente su valutazioni economico-finanziarie legate a stime dei costi operativi, di investimento e manutenzione. Lungo l’intero ciclo di vita degli impianti, la fase operativa della gestione dell’energia ha solitamente l’impatto maggiore mentre i costi di investimento e quelli derivanti dalla manutenzione delle infrastrutture incidono in maniera meno significativa nel costo complessivo. La valutazione è tuttavia parziale e si limita agli aspetti economici del concetto di sostenibilità. L’integrazione delle analisi economiche con metodologie di analisi di ciclo di vita (LCA) capaci di valutare anche gli impatti ambientali è quindi raccomandabile soprattutto in caso di importanti opere infrastrutturali. 

Infine, generalmente, gli studi sulle reti di teleriscaldamento considerano come noto e prevedibile il profilo di domanda degli edifici. In realtà, è stato dimostrato che esso dipende fortemente dal comportamento degli utenti e dalla loro capacità di adattamento alle ipotesi effettuate durante la progettazione. Un’analisi di sensitività si rende quindi necessaria al fine di valutare la sensibilità del prezzo dell’energia a variazioni del comportamento degli utenti o al loro distacco dalla rete di distretto.

di Francesco Asdrubali, Gianluca Grazieschi, Chiara Rampacci – Università degli Studi Roma Tre, Dipartimento di Ingegneria

Bibliografia

Behnaz Rezaie, Marc A. Rosen, District heating and cooling: Review of technology and potential enhancements, Applied Energy, Volume 93, 2012, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.04.020

EURAC Research, Risultati del monitoraggio del quartiere Casanova a Bolzano sud Campagna “Energia Sostenibile in Europa-SEE” in Alto Adige Rapporto finale, reperibile all’indirizzo: http:// www.eurac.edu/en/research/technologies/renewableenergy/publications/Documents/Casanova_Monitoraggio_IT.pdf 

EURAC Research, Piano di Azione per l’Energia Sostenibile di Bolzano (PAES), reperibile all’indirizzo: https://www.comune.bolzano.it/UploadDocs/15711_Piano_d_Azione_per_l_Energia_ Sostenibile_di_Bolzano_PAES.pdf

Asdrubali F., Grazieschi G., La valutazione di sostenibilità su scala urbana – Parte prima: i protocolli internazionali per gli eco-quartieri, Rinnovabili.it, aprile 2020

Hodge, J., Haltrecht, J. (2009). BedZED seven years on The impact of the UK’s best known eco-village and its residents. http://www.oneplanetcommunities.org/wpcontent/uploads/2010/03/BedZED-seven-years-on-low-res-final.pdf%5Cn

Pauline Gabillet, Energy supply and urban planning projects: Analysing tensions around district heating provision in a French eco-district, Energy Policy, Volume 78, 2015, Pages 189-197, https://doi.org/10.1016/j.enpol.2014.11.006.

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“.