Impianti fotovoltaici per edifici in ambito residenziale

Quasi due milioni di nuovi tetti ogni anno in Europa  rappresentano una base più che sufficiente per giustificare ed anzi fortemente promuovere investimenti e ricerca volti ad un aumento della diffusione dei tetti energetici.
In molti di questi paesi, tra cui figura anche l’Italia, le condizioni di incentivazione sono legate al grado di integrazione nell’edificio e, in parte, addirittura alla qualità energetica dell’edificio. Per questo è importante l‘integrazione ottimale dei generatori solari e considerare l‘intero edificio da un punto di vista energetico, soprattutto in vista della riduzione o, addirittura, della scomparsa degli incentivi alla produzione di energia solare.

Tecnologie per l’integrazione

Da notare che il mercato delle installazioni su tetti, ed in particolare quello italiano, si è fortemente orientato verso un concetto d’ integrazione finalizzato all’ottenimento del massimo incentivo da parte del Gestore dei Servizi Elettrici (GSE), senza una sufficiente attenzione agli aspetti legati alla qualità tecnica ed estetica dell’installazione.

Viceversa un numero purtroppo limitato di produttori sta portando sul mercato soluzioni appositamente studiate per un’“integrazione reale” ossia attenta al risultato estetico senza per questo compromettere i risultati in termini di resa dei moduli che sono tipicamente legati al loro ottimale raffreddamento.

Questi produttori prevedono in molti casi la realizzazione di un apposito sistema di ventilazione posto al di sotto dei moduli: si viene così a creare un vero e proprio tetto fotovoltaico ventilato che è garanzia di una resa ottimale oltre che di un’ integrazione architettonica reale e non solo “virtuale”.

Per integrare dei prodotti in un edificio e conseguire un utilizzo multiplo ottimizzato è necessaria un‘esperienza non limitata al settore specifico dell’energia solare e dei prodotti che si adattano alle interfacce degli edifici. Alcuni produttori tedeschi hanno sviluppato prodotti che permettono la copertura dell’intera superficie del tetto con moduli fotovoltaici, collettori solari ad acqua o ad aria ed il montaggio di componenti speciali quali per esempio lucernari di diverse forme e dimensioni.

Tra le tecnologie di più recente sviluppo figurano invece le seguenti soluzioni:

• Nei sistemi con tetto fotovoltaico ventilato, attraverso il controllo dell’apertura e chiusura della griglia di ventilazione superiore dell’impianto fotovoltaico, in funzione delle caratteristiche istantanee di radiazione solare incidente sul tetto, è possibile ridurre in maniera sensibile le perdite di calore del tetto. Si pensi per esempio, al risultato conseguibile in termini di minori dispersioni termiche utilizzando un tetto fotovoltaico ventilato che, nel periodo invernale, viene sigillato un paio di ore prima del tramonto creando un’intercapedine d’aria calda tra copertura esterna (i moduli fotovoltaici) e isolamento del tetto stesso.
• Poiché come a tutti noto durante il loro funzionamento i moduli fotovoltaici dissipano calore, nel corso della produzione di corrente elettrica le unità energetiche possono fungere contemporaneamente anche da collettori solari ad aria. Dal punto di vista concreto l’aspetto più importante è quello rappresentato dallo sfruttamento di questo calore “gratuito”, che possiamo chiamare generazione di calore fotovoltaico.

Questo secondo punto, molto più interessante dal punto di vista impiantistico, merita di essere chiarito più dettagliatamente: si tratta infatti di verificare quale possa essere il sistema energeticamente più conveniente per produrre l’acqua calda necessaria nella abitazione per l’utilizzo come ACS e per il riscaldamento.

A questo scopo è necessario comparare i sistemi nel loro complesso con particolare attenzione al confronto tra sistemi tradizionali basati sull’utilizzo di collettori solari ad acqua ed un sistema innovativo che punta ad un impiego multiplo del tetto fotovoltaico abbinato a mini-pompe di calore aria acqua che utilizzano il calore fotovoltaico.

Esistono anche pompe di calore di questo tipo alimentate in corrente continua (DC) ed esse possono essere accoppiate direttamente al tetto fotovoltaico con ulteriore incrementi dei livelli di efficienza del sistema.

Vediamo alcuni esempi pratici: con 4 m² di collettori termici per il riscaldamento dell’acqua per uso domestico per un nucleo familiare di 4 persone si ottiene, nell’ambito del sistema complessivo, una quota di copertura fornita dall’energia solare del 50% o anche del 60%. Queste cifre corrispondono a circa 800 kWh (termici) utilizzabili.

Il ricavato di energia di un’installazione fotovoltaica della stessa superficie, nell’Italia del Nord, dovrebbe ammontare a circa 600 kWh (elettrici) in questo modo, anche con un coefficiente di prestazione della pompa di calore (COP) solo pari a 3, si potrebbe coprire senza problemi il fabbisogno annuo di energia elettrica necessario per la produzione dell’acqua calda.

I sistemi allo studio però, non prevedono di utilizzare l’aria esterna come potenziale per la produzione di calore, ma bensì il calore di recupero generato dalla produzione di energia elettrica del tetto solare.

Grazie ad un sistema computerizzato di gestione costituito da un apposito software che controlla l’apertura e la chiusura di alcune serrande di regolazione,  si continuerà ad utilizzare questo calore di recupero fino a quando le temperature in gioco non fanno si che sia disponibile una fonte di calore più “performante”, come l’aria esterna oppure l’aria ambiente in funzionamento estivo.

In questo modo il raffreddamento dell’aria ambiente nei mesi estivi risulta essere un prodotto secondario, totalmente gratuito, della generazione d’ acqua calda. In presenza di questi presupposti, è possibile ottenere un coefficiente di prestazione (COP) all’incirca pari a 5 e quindi più della metà dell’energia elettrica prodotta per mezzo di un tetto fotovoltaico di 4 m² potrà essere utilizzata per altri scopi.

Per avere un’idea delle temperature in gioco, il seguente diagramma illustra, per le condizioni atmosferiche di Milano, per un tetto orientato a Sud con inclinazione 30°, il potenziale di emissione di calore in relazione alla temperatura esterna.

Un esempio pratico di sistema fotovoltaico

Di seguito viene descritto un sistema in fase di pre-industrializzazione in Germania. Il prodotto di partenza è rappresentato dall’unità energetica fotovoltaica installata in un tetto completo o “tetto energetico”. Lo sfruttamento ottimale della corrente elettrica prodotta e del calore sviluppato durante la produzione è però soltanto possibile nell’ambito di un sistema energetico complessivo. Di questo sistema fanno parte la generazione di calore PV ed un controllo dei processi nell’ambito di un programma di gestione dell’energia elettrica (Power Management).

Il sistema è composto dai seguenti elementi principali, la cui progettazione e la cui interazione dipendono in maniera fondamentale dal fabbisogno dell’edificio ed anche dal tipo di alimentazione di corrente elettrica (corrente alternata o corrente continua):

• Collettore del calore di fonte – è il tetto solare con un canale collettore che permette di portare l’aria calda in ambiente;
• Accumulatore del calore di fonte – questo è il materiale a cambiamento di fase (PCM – Phase Change Material) integrato nell’edificio;
• Pompa di calore – corrente continua, corrente alternata, aria-acqua oppure aria-acqua e aria;
•  Accumulo per l’acqua ad uso domestico.

L’innovazione più importante di questo sistema consiste nella possibilità di  separare a livello temporale la disponibilità della fonte di calore dalla produzione di calore per l’ambiente o dell’acqua calda.

Il grosso vantaggio insito in questa scelta progettuale è pertanto la riduzione dei carichi di punta e l’ottimizzazione delle tariffe in caso di collegamento alla rete elettrica. In questo modo si può infatti produrre acqua calda anche di notte con una buona efficenza, poiché e stato possibile accumulare in precedenza il calore di fonte.

Come accumulatore del calore di fonte si usano dei materiali a cambiamento di fase, cosiddetti PCM, , la cui progettazione avviene in base al fabbisogno quotidiano di acqua calda e calore ambiente. Il vantaggio dei PCM è rappresentato dal fatto che l’utente dispone di diverse possibilità d’ installazione in relazione ai materiali da costruzione o ai canali dell’aria, i quali non necessitano di ulteriore spazio.

Brevi cenni sui PCM, materiali a cambiamento di fase

I materiali a cambiamento di fase, sono materiali accumulatori di calore latente, che sfruttano il fenomeno della transizione di fase per assorbire flussi energetici entranti, immagazzinando un’elevata quantità di energia e mantenendo costante la propria temperatura.

Sono solidi a temperatura ambiente ma quando questa sale e supera una certa soglia, che varia a seconda del materiale, essi si liquefanno accumulando calore (latente di liquefazione) che viene sottratto all’ambiente. Allo stesso modo, quando la temperatura scende, il materiale si solidifica e cede calore (latente di solidificazione).

I PCM previsti nel nostro progetto, nel corso del passaggio di fase (solido/liquido), rilasciano circa 160 kJ/kg di calore. Questo passaggio, quindi la temperatura di fusione o di solidificazione, può anche essere “regolato“ tra 20 e 25 ºC, a seconda della fonte di calore e delle esigenze degli ambienti.

I PCM sono disponibili sotto forma di miscele di sale e paraffina impacchettate in porzioni o come micro-capsule contenute nei materiali da costruzione come pannelli per costruzioni leggere, intonaco ecc.

Come funziona il sistema

L’aria calda prodotta dai moduli durante il loro funzionamento, viene convogliata mediante un sistema di canalizzazioni di piccole dimensioni in ambiente passando attraverso un accumulatore PCM, da qui l’aria viene convogliata sull’evaporatore della pompa di calore permettendo a quest’ultima di funzionare con coefficienti di resa (COP) molto alti producendo acqua calda per usi sanitari e per riscaldamento.

Grazie alle proprietà dei PCM, la conduzione dell’aria avviene in diversi cicli di carico, che caricano appunto l’accumulatore oppure lo scaricano in caso di abbassamento delle temperature dell’aria di fonte, mantenendo pressoché costante la temperatura dell’aria in uscita.

In presenza di temperature esterne eccessivamente basse si può lavorare gradualmente o completamente con l’aria ambiente o nella modalità di esercizio con aria di ricircolo.

La pompa di calore oggetto di questo progetto è un prodotto destinato principalmente ad edifici con ottime caratteristiche di efficienza termica (classe A o superiori) che grazie all’altissima efficienza di funzionamento avrà una potenza specifica assolutamente contenuta; saranno previste due configurazioni:

• a) Aria- acqua per la produzione di acqua calda per utilizzo sanitario e per il riscaldamento.
• b) Aria-acqua e aria con un doppio scambiatore in grado di produrre sia acqua calda che aria calda o fredda in funzione delle stagioni.

Quest’ultima versione rappresenta certamente il prodotto di maggior interesse in quanto consente di produrre durante il suo funzionamento anche aria calda nel periodo invernale da utilizzarsi per esempio per il riscaldamento dell’aria esterna di un impianto di ventilazione meccanica controllata, oppure aria fredda nel periodo estivo per il raffrescamento degli ambienti.

La tecnologia delle pompe di calore attualmente disponibili sul mercato non è compatibile con un sistema di questo e deve ancora essere perfezionata. In particolare i gradi di efficienza non sono stati ancora ottimizzati per ridotte variazioni ridotte di temperatura (fonte di calore 20-25 ºC, temperatura dell’acqua 40-45 ºC).

Le pompe di calore a corrente continua che riducono le perdite di trasformazione dell’energia solare sono ancora particolarmente rare e presentano livelli di efficienza peggiori, anche se  in parte compensato da perdite di trasformazione minori, rispetto alle numerose varianti a corrente alternata disponibili. La decisione di adottare compressori a corrente continua ottimizzati oppure a corrente alternata dipenderà anche dal tipo di impianto elettrico esistente nell’edificio – non ha infatti senso mettere in esercizio una pompa a corrente continua con corrente alternata. Questo dimostra, qualora ce ne fosse ancor bisogno, come le decisioni di questo genere sono profondamente collegate alle tematiche del consumo autonomo e del collegamento in rete.

Power Management

Interconnessione

Secondo lo stato attuale della tecnica, l’energia solare prodotta da moduli fotovoltaici viene dapprima trasformata in corrente alternata per poi, nei casi in cui si disponga di utenze in corrente continua o si desideri caricare delle batterie, essere nuovamente convertita in corrente continua.

I regolatori di carica ed i gruppi di continuità (UPS) – necessari per prevenire malfunzionamenti su diversi apparecchi elettrici – svolgono quasi gli stessi compiti, ma nonostante ciò sono ancora apparecchiature separate.
Da ultimo le automobili elettriche hanno ancora diverse modalità di carica.

Un’armonizzazione di questi componenti di commutazione, che renda possibile un esercizio parallelo dalla rete o un esercizio di backup e la produzione di corrente continua di origine solare è uno degli obiettivi di importanza assoluta per quanto riguarda lo sviluppo della tecnologia fotovoltaica ed un maggior livello di integrazione con tutti gli apparecchi che ne fanno uso.

Lo schema seguente illustra il funzionamento direttamente in parallelo di utenze a corrente continua, gruppo di continuità (UPS) ed un collegamento con la batteria di un automobile elettrica.

Comando

Le funzioni principali del sistema sopra descritto sono:
a) misurazione dell’energia solare generata (corrente continua), nonché della corrente elettrica in entrata o in uscita (corrente alternata).
b) comunicazione reciproca delle utenze, ottimizzazione del loro funzionamento in funzione delle esigenze di confort e delle indicazioni economiche degli utenti, nonché collegamento di informazioni esterne come previsioni del tempo (ottimizzazione dell’accumulatore di calore) e situazione delle tariffe orarie e giornaliere.

Un esempio relativamente semplice di quanto descritto è quello di un apparecchio che accumula energia, come un frigorifero o un congelatore. Al suo interno funziona periodicamente, per un certo numero di minuti all’ora, ma non continuamente, un compressore che deve produrre il freddo necessario.

Il momento esatto in cui compressore funziona può tranquillamente essere modificato in base all’offerta istantanea di energia alternativa, a condizione che la qualità del servizio resti garantita. Lo stesso vale per il funzionamento della pompa di calore per la produzione di acqua calda o anche, in alcune condizioni, della lavatrice.

Dal punto di vista tecnico le tecnologie attualmente disponibili sul mercato permettono la comunicazione direttamente all’interno delle rispettive linee di alimentazione elettrica (powerline) degli apparecchi senza necessità di ulteriori cablaggi. Per quanto riguarda i protocolli esistono attualmente diversi standard come KNX, LON, Devolo oppure Digitalstrom; si dovrà, comunque, attendere una standardizzazione globale che molto probabilmente si baserà su protocolli IT.

Al momento SYSTAIC AG sta testando soluzioni powerline con larghezza di banda ridotta e protocolli LON works.
Le immissioni di dati e la lettura delle varie informazioni del sistema possono avvenire tramite un’interfaccia Touch Screen, per mezzo della quale si possono immettere indicazioni relative alla presenza, alle condizioni di confort desiderate ed anche, nei casi in cui è possibile, alle regolazioni dei vari apparecchi elettrici.

Come informazioni vengono visualizzati i consumi interni, la produzione di corrente elettrica ed il collegamento alla rete; sono previsti ulteriori moduli per la sicurezza, le informazioni e l’archiviazione dei dati. Al momento vengono anche eseguiti test per quanto riguarda il collegamento ai servizi Web per le previsioni del tempo (ottimizzazione dell’accumulatore di calore), nonché per informazioni sulle tariffe. Le decisioni logiche relative al controllo del sistema vengono prese all’interno di una sorta di “scatola nera centralizzata” che contiene tutto il software di funzionamento ed ottimizzazione del sistema.

Mobilità elettrica

Un aspetto decisivo di quanto appena descritto è rappresentato dal coinvolgimento di altre utenze con profili di consumo diversi rispetto all’edificio  e dalla disponibilità di una capacità elettrica di accumulo. Entrambe le cose rendono possibile l’impiego dell’auto elettrica – oppure dell’auto ibrida.

L’automobile elettrica può, infatti, prelevare dall’edificio la produzione di energia in eccesso e può all’occorrenza anche erogare l’energia elettrica che è stata accumulata durante il suo utilizzo dalla batteria.

Poiché l’auto elettrica è un tema nuovo ed estremamente attuale, ecco alcune informazioni necessarie per comprendere appieno le possibili integrazioni con l’edificio ed il consumo integrato di corrente elettrica: un’automobile elettrica idonea per un normale utilizzo consuma in media circa 0,12 kWh al chilometro.
La tecnologia attuale delle batterie, la capacità degli accumulatori e quindi il raggio d’azione delle automobili sono temi che da alcuni anni vengono intensamente discussi con posizioni e filosofie molto differenti tra loro.

Esistono diverse concezioni che si stanno affacciando sul mercato in funzione della densità delle stazioni di servizio e del tipo di batterie; ad oggi le principali “filosofie” in fase di industrializzazione sono:

• Stazioni di servizio con “alta” densità dove in pochi minuti sarà possibile sostituire integralmente il pacco batterie con uno già ricaricato. Questo tipo di scenario prevede automobili con un raggio d’ azione di circa 100 km e quindi più piccole e leggere.
• Batterie installate fisse, di maggiori dimensioni, che grazie ad un miglioramento della gestione della loro carica, sono in grado di raggiungere distanze di 300 km ed oltre.

Per quanto riguarda l’interfaccia edificio, la sostituzione della batteria risulta certamente lo scenario più vantaggioso, in questo modo è infatti possibile utilizzare l’energia elettrica prodotta in eccesso dal generatore fotovoltaico per caricare le batterie, indipendentemente dalla presenza dell’automobile. In pratica si avrebbe sempre una “batteria nell’automobile“ ed una “batteria in casa“ che permetteranno una totale flessibilità del sistema.

Spunti di progettazione per fotovoltaico residenziale

La domanda cui un progettista potrebbe essere chiamato a breve a rispondere potrebbe anche essere: che cosa può essere installato su di una casa? È disponibile una superficie di installazione sufficiente per coprire il consumo medio annuo di energia, quanta superficie abitativa è possibile servire per mezzo della superficie del tetto?

Le analisi del fabbisogno solitamente eseguite e riferite esclusivamente alle superfici non ci aiutano nel caso di un edificio ottimizzato per quanto riguarda la produzione di energia elettrica. Il consumo principale dipende infatti esclusivamente dal numero di persone; le variabili “automobile“, “apparecchi di intrattenimento ed elettrodomestici“, nonché “acqua calda per usi sanitari“ non dipendono in alcun modo dalla variabile “grandezza dell’appartamento“ – forse ciò avviene soltanto per quanto riguarda le variabili “calore-ambiente“ e “luce“.

Abbiamo analizzato diversi tipi di appartamenti (nuovi e ristrutturati) rappresentativi dei tempi in cui viviamo. L’83% dei nuclei familiari è senza figli, è composto da una o due persone, (sempre più) di una certa età; il nucleo familiare classico composto da quattro persone non è più rilevante dal punto di vista statistico.

Le indicazioni sul numero di unità energetiche da installare sul tetto per ogni nucleo familiare includono già la mobilità elettrica necessaria per uso quotidiano, con un minimo annuo di compensazione, e quindi senza forti oscillazioni quotidiane o stagionali.

Sarebbe consigliabile installare un numero leggermente maggiore di unità, poiché la produzione in eccesso può essere comunque trasferita ai vicini che non dispongono di un’installazione fotovoltaica, oppure può essere immessa direttamente nella rete.

Naturalmente a questo punto si pone la questione dei requisiti fisici e costruttivi dell’edificio: che dovrà essere progettato per essere compatibile con un sistema di riscaldamento a bassa temperatura e quindi dovrà soddisfare alti requisiti dal punto di vista fisico-costruttivo.

Le analisi del consumo energetico sono state eseguite mediante una simulazione dinamica di edifici, ottimizzati dal punto di vista dei consumi energetici, utilizzando dati relativi alle zona climatica TRY-13 (Test Reference Years dell’istituto Tedesco per il Clima, zona 13, stazione di Passau).

Per le pompe di calore utilizzate per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria è stato ipotizzato un COP pari almeno a 5.

La produzione di aria fredda per il raffrescamento estivo fornisce inoltre la fonte di calore per la produzione dell’acqua calda dello stesso periodo.
Infine, per le automobili, si è ipotizzata una percorrenza annua di circa 10.000 km per ogni veicolo ed un consumo di 0,12 kWh/km.

Conclusioni

Alla luce di quanto esposto una domanda sorge spontanea, quale futuro possiamo realmente aspettarci per la produzione di energia?  Siamo di fronte ad un cambiamento radicale di tutto il sistema di produzione e distribuzione dell’energia che abbiamo imparato a conoscere per tanti anni?

Forse i tempi non saranno rapidissimi in tutti i paese ma certamente molte cose cambieranno nei prossimi anni: gli edifici per esempio, le cui componenti architettoniche, sfruttando il fotovoltaico, saranno in grado di fornire il completo approvvigionamento di energia in modo ovvio e naturale, come giá oggi avviene con l´impiego del fotovoltaico nelle calcolatrici.

Altrettanto importante e rivoluzionario è il cambiamento che dobbiamo aspettarci sul fronte della mobilità personale: le autovetture elettriche potranno non solo mutare radicalmente lo scenario delle nostre città ma, come abbiamo visto, potranno diventare un accumulatore mobile, sostituendo in questa funzione il ruolo fino ad oggi svolto dalla rete elettrica locale.

A breve termine non sono infine da dimenticare i grossi vantaggi conseguibili grazie all’utilizzo di elettrodomestici ad alta efficienza energetica e, prestando una maggiore attenzione all’involucro dell’edificio, soluzioni a basso costo quali schermature solari, sostituzione di infissi o realizzazione di cappotti isolanti che possono ridurre in maniera sensibile il fabbisogno di energia dei nostri edifici.