INGEGNERIA PER L'ENERGIA. Ricerca e formazione sull'efficenza energetica in edilizia Paolo Baggio

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1 INGEGNERIA PER L'ENERGIA Ricerca e formazione sull'efficenza energetica in edilizia Paolo Baggio 1

2 Visione strategica Parole chiave per il confronto con il territorio:! Energie Rinnovabili! Efficienza Energetica Autosufficienza Energetica! Energia e Ambiente Sviluppo Sostenibile 2

3 Visione strategica Il ruolo di Ingegneria:! Ricerca Applicata (Università e Industria leader nell'uso razionale dell'energia nel contesto locale, italiano ed europeo)! Formazione (Preparare ingegneri competenti, pronti ad affrontare il problema delle risorse energetiche) 3

4 L'obiettivo: Zero Energy Building "near zero energy building" «edificio a energia quasi zero»: edificio ad altissima prestazione energetica,... Il fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze (dalla Direttiva 2010/31/UE ) 4

5 L'obiettivo: Zero Energy Building "near zero energy building" «edificio a energia quasi zero»: edificio ad altissima prestazione energetica,... Il fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze (dalla Direttiva 2010/31/UE ) 5

6 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS? Final energy consumption in Europe (source: EU energy and transport in figures European Communities, 2010) 6

7 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! Gli edifici sono responsabili del 40 % del consumo globale di energia nell Unione. Il settore è in espansione, e ciò è destinato ad aumentarne il consumo energetico. Pertanto, la riduzione del consumo energetico e l utilizzo di energia da fonti rinnovabili nel settore dell edilizia costituiscono misure importanti necessarie per ridurre la dipendenza energetica dell Unione e le emissioni di gas a effetto serra (dalla Direttiva 2010/31/UE ) 7

8 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS? intensità energetica in Europa Data source: Eurostat and the European Commission's Ameco database. 8

9 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS? Household energy consumption, space heating per m2, climate corrected Source: Energy and environment report EEA 1 kgoe = 11,4 kwh 9

10 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! Malgrado i leggeri miglioramenti di efficienza energetica nei nuovi edifici, il miglioramento delle condizioni di vita ha controbilanciato buona parte del potenziale di risparmio energetico.! Il consumo medio di energia per il riscaldamento degli edifici in Europa si aggira intorno a kwh/ m 2 10

11 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! Non è difficile progettare e costruire un edificio che richieda kwh/ m 2 per anno per il riscaldamento (questo è il minimo correntemente richiesto in molti stati per gli edifici di nuova costruzione)! i costi addizionali sono usualmente trascurabili (meno del 2% senza considerare il costo del terreno) 11

12 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! Accettando costi iniziali più alti del % di quelli standard è possibile progettare edifici che richiedano meno di kwh/ m 2 per anno (case passive)! I costi addizionali sono facilmente recuperabili in pochi anni con i risparmi sui costi di esercizio 12

13 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS? 13

14 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! Il potenziale di risparmio energetico del settore edilizio è immenso, probabilmente il maggiore in assoluto.! Come mai non è ancora stato sfruttato? 14

15 PERCHE' LOW ENERGY BUILDINGS?! E' difficile effettuare il retrofit degli edifici esistenti (che sono la grande maggioranza).! Il settore delle costruzioni è tradizionalista e conservatore, e l'innovazione procede con un passo molto lento.! Vi sono studi che dimostrano che il settore è affetto da inefficienze che portano a costi per l'utente finale che sono significativamente più alti di quelli ottimali (si potrebbero ridurre del %) 15

16 Gli Edifici sono sistemi complessi! (vanno studiati e compresi) Flussi di energia in un edificio ( (da EN 16

17 TOWARD LOW ENERGY BUILDINGS?! Sia l'europa che gli USA sono consci della necessità di muoversi in questa direzione.! In Europa è stata definitivamente approvata la Direttiva 2010/31/UE (recast della direttiva 2002/91/CE)! In the US, the Government s Building America programme is focused on research and promotion of the drive towards zero energy buildings. 17

18 Direttiva 2010/31/UE 18 giugno 2010 ( Recast (Energy Performance of Buildings - EPBD Art. 1 Oggetto La presente direttiva promuove il miglioramento della prestazione energetica degli edifici all interno dell Unione, tenendo conto delle condizioni locali e climatiche esterne, nonché delle prescrizioni relative al clima degli ambienti interni e all efficacia sotto il profilo dei costi. (omissis) 18

19 ( Recast Direttiva 2010/31/UE (EPBD Le disposizioni della direttiva riguardano: a) il quadro comune generale di una metodologia per il calcolo della prestazione energetica integrata degli edifici e delle unità immobiliari; b) l applicazione di requisiti minimi alla prestazione energetica di edifici e unità immobiliari; d) i piani nazionali destinati ad aumentare il numero di edifici a energia quasi zero; 19

20 ( Recast Direttiva 2010/31/UE (EPBD Articolo 9 - Edifici a energia quasi zero 1. Gli Stati membri provvedono affinché: a) entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero; e b) a partire dal 31 dicembre 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà di questi ultimi siano edifici a energia quasi zero. 20

21 California has committed to achieving zero net energy for all residential construction by

22 Il contesto! Nell Euregio e nelle zone limitrofe (distretto industriale della termotecnica di Verona e dell'alto Vicentino) vi è sia una elevata richiesta di competenze che una forte interesse per la ricerca nel settore energetico.! Gli obiettivi della ricerca europea: energia tra i settori chiave. Il prossimo programma europeo Horizon 2020 prevede espressamente come una delle 6 sfide sociali (societal challenges) da affrontare quella: Secure, clean and efficient energy 22

23 Il contesto! La Provincia Autonoma di Trento sta promuovendo numerose iniziative nel settore direttamente (Distretto Tecnologico, Habitech, Oil Free Zone, prog. europeo BIOENEAREA) o tramite i propri istituti di ricerca (FBK, Fond. E. Mach)! Il Trentino-Alto Adige è il territorio con la maggior percentuale di imprese che investono in tecnologie a maggior risparmio energetico e/o minor impatto ambientale 23

24 Il contesto 24

25 SETTORI DI ATTIVITÀ l l l FORMAZIONE Percorsi formativi orientati all'energia nei corsi di laurea Master di II livello IDEE Collaborazione con Ordini professionali ed Associazione Artigiani RICERCA Edifici a basso consumo Energia eolica Biomasse Idroelettrico Materiali per l'energia 25

26 RICERCA La visione strategica deve deve essere allineata con le sfide lanciate dal prossimo programma Europeo HORIZON 2020: Secure, clean and efficient energy challenge e con la Direttiva Europea 2010/31/UE Art. 9 Nearly zero-energy buildings a partire dal

27 RICERCA Coerentemente con le sfide da affrontare, la ricerca va quindi focalizzata su due obiettivi strategici: l l Generazione/conversione da fonti rinnovabili Efficienza negli usi finali 27

28 RICERCA Linee di ricerca principali attive nel settore generazione/conversione da fonti rinnovabili l l Biomasse Energia eolica 28

29 Biomasse 29

30 Gasifying wood stove n n Commercial Gasification (staged combustion) wood stove Thermal output between 11 kw e 25,9 kw n Maximum efficiency with ideal combustion is of 92% 30

31 31

32 Bench-scale batch reactor at adjustable pressure Gas analysis Filter Pump In collaborazione con il prof. Paolo Tosi del dip. di Fisica Reactor 32

33 Downdraft gasifier (SOFC power) Steam generator Reactor Ash Collector Feeding system 33

34 Laboratori Biomasse!! Molte delle attività di ricerca relative alle biomasse sono state svolte con sistemazioni precarie Finalmente, una parte delle attività ha trovato una sistemazione definitivanel Laboratorio biomasse TheBEL (Thermochemical Biomass Energy Laboratory), di recente attivato nell area TRENTINO SVILUPPO (BIC) di Rovereto all interno di un progetto comune tra aziende, Università di Trento e Fondazione Università di Trento. 34

35 Processi Biochimici IMPIANTO DI BIOESSICCAZIONE PILOTA PER LA GENERAZIONE DI COMBUSTIBILI SOLIDI SECONDARI DIGESTORI ANAEROBICI DA LABORATORIO PER LA GENERAZIONE DI METANO 35

36 Energia eolica Laboratorio di macchine Campo Eolico Sperimentale di Trento 36

37 Energia eolica CAMPO EOLICO SPERIMENTALE nasce dalla collaborazione tra l Università di Trento, l Agenzia Provinciale per l Energia (APE) e Interbrennero S.p.A 37

38 Energia eolica Experimental test field of Trento Wind energy exploitation in cold climates

39 RICERCA Tra le linee di ricerca più importanti relative all'efficienza negli sui finali dell'energia vi è senz'altro lo studio del sistema edificio-impianto 39

40 Simulazioni edificio impianto (andamenti annuali) 40

41 Energy system simulation Hot water Energy modeling of systems: pellet stove model setup Room air (UA)stove-air (UA)envelope-water Thermal mass 1 Thermal mass 2 (UA)gas-mass 1 Tgas,0 Tgas,1 (UA)gas-mass 2 Tgas,02 Mass flow (gas) Heat flow Fortran code converted to a TRNSYS type; Ongoing projects are the improvement of the code and the extension of the model to traditional wood stoves. 41

42 Energy system simulation Energy modeling of systems: pellet stove 42

43 Timber roof experimental analysis Italian standards require massive buildings envelope components, to satisfy summer mandatory provisions (e.g. phase lag and decrement factor); Satisfying Italian requirements can be difficult when using timber envelope elements; Experimental activity focuses on different techniques to improve summer behavior of a light envelope 43

44 Timber roof experimental analysis Roof with RBS (Radiant Barrier Sheathing) - middle of the roof side Sensor 1 Sensor 2 Air Temperature Sensor 3 50 T [ C] time [h] 44

45 16 3. Weather Data Parameters of the analysis Unphysical jump in the junction The last and first 8 data of each month were replaced by a smooth function: Temperature [ C] a cubic interpolation of data was adopted. July data August data Cubic August July Hours 45

46 17 3. Weather Data Trento Reference Year Temperature Solar irradiation 46

47 17 Weather Data Trento Reference Year Relative humidity Wind velocity 47

48 RICERCA Nell'ateneo vi sono molte altre linee di ricerca con le quali si possono costruire sinergie, tra le quali: l Materiali per l'energia l Idroelettrico l Pianificazione energetica l Fisica dell'atmosfera l Smart grids 48

49 Materiali per l'energia l l l Materiali per produzione fotovoltaica a basso costo ed alta affidabilità Materiali ceramici per celle a combustibile Materiali ad alte prestazioni per turbomacchine (eoliche, turbogas, etc.) 49

50 Idroelettrico l l l l Valutazione della risorsa (ancora) disponibile Valutazione e mitigazione dell'impatto ambientale (deflusso minimo vitale, interrimento bacini) Ottimizzazione del gruppo turbina-alternatore (massimizzazione del rendimento, funzionamento a velocità variabile) Mini-Hydro 50

51 Progetto Manifattura Sono in corso anche alcune attività di ricerca e monitoraggio sugli edifici della ex manifattura Tabacchi di Rovereto. Ci auguriamo di incrementare queste attività anche mediante la realizzazione in loco di un laboratorio per l'efficienza energetica in edilizia. 51

52 FORMAZIONE l Nei corsi di laurea sono stati inseriti insegnamenti orientati agli aspetti energetici l l l Ingegneria civile: Tecnica del controllo ambientale Ingegneria per l'ambiente e il territorio: Energie Rinnovabili e Gestione delle Risorse energetiche Ingegneria dei Materiali: Materiali per l'energia 52

53 FORMAZIONE La Facoltà di Ingegneria ha organizzato il: Master universitario di II livello in INTEGRATED DESIGN FOR ENERGY EFFICIENCY 53

54 MASTER IDEE A. MODULO INTRODUTTIVO (20 CFU) normativa e legislazione mercato dell energia fondamenti di energetica territorio, energia e ambiente prospettive future 1 edizione 2 edizione B. EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI USI FINALI DELL ENERGIA (30 CFU) bilancio energetico degli edifici certificazione energetica materiali architettura tecnica produzione termica ed elettrica da fonti rinnovabili efficienza degli impianti elettrici impianti industriali trattamenti reflui e gestione rifiuti C. GENERAZIONE E MICROGENERAZIONE DISTRIBUITA DELL ENERGIA (30 CFU) sistemi per la cogenerazione e la trigenerazione teleriscaldamento fonti energetiche rinnovabili (sistemi eolici, fotovoltaico, biomasse e mini-hydro) sistemi elettrici materiali emissione e rilasci 54

55 FORMAZIONE E' ormai consolidata la collaborazione con l'ordine degli Ingegneri della Provincia di Trento : l Per l'aggiornamento professionale l Per l'avviamento alla professione dei giovani ingegneri Alcune di queste attività sono condivise anche con gli Ordini di Bolzano e Verona 55

56 FORMAZIONE Vi è una consolidata la collaborazione anche con l'associazione Artigiani e Piccole Imprese della Provincia di Trento che ha messo a punto numerosi progetti finalizzati alla formazione ed all'aggiornamento professionale dei propri associati 56

57 FORMAZIONE Prospettive future: l Corso di Laurea in Ingegneria Energetica 57

58 Prospettive! Anche nel contesto difficile in cui ci troviamo occorre investire con intelligenza nel futuro.! Le attività di ricerca costituiscono uno dei presupposti fondamentali per migliorare l'efficienza energetica degli edifici ed incrementare il contributo delle energie rinnovabili.! Altrettanto importante è il ruolo della formazione a tutti i livelli: comprendere a fondo la complessa rete di flussi energetici che attraversano gli edifici è il presupposto per una corretta progettazione e realizzazione degli stessi. 58

59 Grazie per l'attenzione! Pampeago - Fiemme Valley - Italy

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