In linea con le direttive comunitarie, a partire dal 31 maggio 2012 sono entrati in vigore in Italia gli obblighi, introdotti dal DLgs 28/2011, di integrazione delle fonti rinnovabili per la copertura di almeno il 20% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici nuovi o sottoposti a importanti ristrutturazioni. L articolo offre un analisi delle tecnologie fotovoltaiche oggi disponibili, illustra le possibilità di integrazione nell involucro edilizio e spiega i vantaggi economici conseguibili ai sensi della normativa vigente. In line with the Community directives, from May 31, 2012 came into force in Italy the obligations, introduced by Legislative Decree 28/2011, of integration of renewable sources to cover at least 20% of expected use for hot water, heating and cooling systems for new buildings and for buildings undergoing major renovation. The article offers an analysis of photovoltaic technologies available today, illustrates the possibilities of integration into the building envelope and the economic benefits achievable under current law. FARE P P PPROCEDURE PROGETTI PROCESSI PRODOTTI EDIFICI AD ENERGIA QUASI ZERO: FOTOVOLTAICO INTEGRATO NEARLY ZERO ENERGY BUILDINGS: INTEGRATED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS Marco Casini Ingegnere, Ricercatore in Tecnologia dell architettura Docente di Tecnologie per la progettazione ambientale e di Certificazione ambientale Facoltà di Architettura - Sapienza Università di Roma La Redazione di PONTE sta raccogliendo proposte di progetti di nuove realizzazioni o di riqualificazione e recupero, da pubblicare nella sezione FARE. Compilare il form su www.build.it o contattare la Redazione al n.+39 06 44163764 oppure inviare una mail a: esther.delgado@build.it.
FARE 44 P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE La recente direttiva 2010/31/UE, che dovrà essere recepita dagli Stati membri entro il 9 luglio 2012, ha introdotto importanti novità in materia di prestazioni energetiche degli edifici derivanti dagli impegni che l Unione Europea ha assunto in materia di cambiamenti climatici, risparmio energetico e promozione delle fonti energetiche rinnovabili. In considerazione del forte impatto ambientale del settore delle costruzioni (gli edifici sono responsabili del 40% del consumo globale di energia nell Unione), la nuova direttiva prevede, infatti, che entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero ossia edifici ad altissima prestazione energetica, con un fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo, coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze. In Italia, in attesa del recepimento della nuova direttiva 2010/31/UE, il DLgs 28/2011 ha introdotto, per gli edifici di nuova costruzione e per quelli oggetto di ristrutturazioni rilevanti, l obbligo di integrazione delle fonti rinnovabili per la copertura dei consumi di calore, di elettricità e per il raffrescamento secondo scadenze decorrenti dal 31 maggio 2012. Le tecnologie fotovoltaiche hanno straordinarie possibilità di inte non soltanto di pro EDIFICI ED ENERGIE RINNOVABILI L Allegato III al DLgs 28/2011 prevede che nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti gli impianti di produzione di energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria e della somma dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento secondo percentuali crescenti in relazione alla data di richiesta del titolo edilizio (si veda tabella 1). Inoltre, sempre nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, la potenza elettrica (P) espressa in kw degli impianti alimentati da fonti rinnovabili che devono essere obbligatoriamente installati, sopra o all interno dell edificio o nelle relative pertinenze, dovrà essere non inferiore al rapporto (S/K) tra la superficie (S) in pianta dell edificio al livello del terreno, misurata in metri quadrati, ed un coefficiente K (m²/kw) che assume valori crescenti in relazione alla data di richiesta del titolo edilizio (si veda tabella 1). Per gli edifici pubblici, per i quali già l art. 26, comma 7, della legge 10/1991 prevedeva l obbligo di soddisfarne il fabbisogno energetico favorendo il ricorso a fonti rinnovabili di energia o assimilate (salvo impedimenti di natura tecnica od economica), tutti gli obblighi previsti per le fonti rinnovabili sono incrementati del 10%. I SISTEMI FOTOVOLTAICI Tra le diverse fonti di energia rinnovabile non fossile previste dal DLgs 28/2011 (eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas), quelle che possono trovare più facilmente applicazione in architettura sono senza dubbio le tecnologie solari e, tra queste, i sistemi fotovoltaici, grazie alle loro straordinarie capacità di integrazione nell involucro edilizio con possibilità di assolvere a diverse importanti funzioni oltre a quelle di produzione di energia (tenuta all acqua, isolamento termico, isolamento acustico, controllo solare ecc.). Tramite i sistemi fotovoltaici l energia solare può essere convertita in energia elettrica per soddisfare gli usi elettrici finali degli utenti e/o alimentare sistemi a pompa di calore per la produzione di acqua calda sanitaria, o per il riscaldamento o il raffrescamento degli ambienti. L energia solare ha un potenziale enorme (circa 90 milioni di Mtep), di ben quattro ordini di grandezza superiore a quello corrispondente all attuale fabbisogno energetico mondiale.
PONTE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI TAB. 1 - DLgs 28/2011. Obbligo di integrazione delle fonti rinnovabili negli edifici di nuova costruzione e negli edifici esistenti sottoposti a ristrutturazioni rilevanti (Allegato III) FARE Obblighi di integrazione per gli edifici nuovi o sottoposti a ristrutturazioni rilevanti Copertura dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento tramite fonti rinnovabili (% minima oltre al 50% di copertura dell acs) DATA DI RICHIESTA DEL TITOLO ABILITATIVO EDILIZIO Dal 31.05.12 al 31.12.13 Dal 01.01.14 al 31.12.16 Dal 01.01.17 20% 35% 50% 45 Valore del coefficiente K per il calcolo della potenza elettrica espressa in kw degli impianti alimentati da fonti rinnovabili che devono essere obbligatoriamente installati, sopra o all'interno dell'edificio, o nelle relative pertinenze 80 65 50 Consumi energetici, fonti energetiche rinnovabili e fonti fossili (EPIA, 2011) grazione nell involucro edilizio assolvendo importanti funzioni duzione di energia L Associazione Europea dei Produttori Fotovoltaici (EPIA) ha calcolato che l intero consumo di energia elettrica dell Europa (UE-27) potrebbe essere soddisfatto se solo lo 0,34% della superficie terrestre europea fosse coperta di moduli fotovoltaici (un area equivalente ai Paesi Bassi). L International Energy Agency (IEA) ha mostrato che la domanda totale mondiale di energia primaria potrebbe essere soddisfatta mediante sistemi fotovoltaici installati nel 4% delle aree desertiche del mondo. Esiste poi un enorme potenziale di spazi non sfruttati costituiti dagli edifici esistenti. Ad esempio, il 40% della domanda totale di energia elettrica dell Unione Europea nel 2020 potrebbe essere soddisfatto se tutti i tetti e le facciate idonei degli edifici europei fossero coperti con pannelli fotovoltaici. Nell ultimo decennio, la tecnologia fotovoltaica ha mostrato un enorme potenziale per diventare una delle principali fonti mondiali per la produzione di energia con una crescita continua anche durante i tempi di crisi finanziaria ed economica. Questa crescita si prevede continuerà nei prossimi anni come consapevolezza a livello mondiale dei vantaggi economici ed ambientali derivanti dall uso di tale tecnologia. Alla fine del 2009, la potenza fotovoltaica complessiva installata nel mondo si stava avvicinando ai 23 GW. Un anno più tardi, nel 2010, sono stati raggiunti i 40 GW. Alla fine del 2011 risultano installati a livello mondiale più di 69 GW in grado di produrre ogni anno 85 TWh di energia elettrica pari al fabbisogno di oltre 20 milioni di famiglie. L energia fotovoltaica è ora, dopo l idroelettrica e l eolica, la terza energia rinnovabile più importante in termini di capacità installata a livello globale. Per la prima volta nella storia, nel 2011 il Fotovoltaico ha costituito la prima fonte energetica per potenza installata in Europa (21.642 MW contro 9.718 MW di gas naturale e 9.616 MW di eolico) dove rappresenta ora la terza in assoluto (51 GW) dopo il gas naturale (116 GW) e l eolica (81 GW). In termini di capacità complessiva installata, l Europa è al primo posto con oltre 51 GW (pari circa al 75% del totale), di cui 21,9 installati solo nell ultimo anno, seguita dal Giappone (5 GW), Stati Uniti (4,4 GW) e Cina (3,1 GW) che nel 2011 ha raggiunto il suo primo GW installato. Della potenza installata in Europa, più della metà è dovuta ad impianti su coperture di edifici commerciali ed industriali, la rimanente è suddivisa tra impianti a terra ed impianti residenziali. Nel 2011 per la prima volta l Italia è diventata il primo mercato fotovoltaico mondiale, con 9,3 GW di nuovi sistemi collegati alla rete (12,754 GW complessivi), seguita dalla Germania con 7,5 GW (24,678 GW complessivi). Insieme, Italia e Germania rappresentano quasi il 60% della crescita del
FARE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE TAB. 2 Potenza fotovoltaica installata in Europa (EPIA, 2012) Paesi UE P installata P complessiva P installata P complessiva W/abitante 2010 (MW) 2010 (MW) 2011 (MW) 2011 (MW) (2011) Austria 43 96 80 176 20,9 Belgio 417 1.044 974 2.018 183,5 bientale del ciclo di vita di tali tecnologie, dall incremento delle efficienze di conversione dell energia radiante e dalla progressiva riduzione dei costi di produzione e installazione che negli ultimi trent anni sono andati diminuendo sensibilmente in ragione dell incremento della potenza complesn. 6/7-2012 Bulgaria 28 35 100 135 18,3 Cipro 3 6 3 9 10,6 Repubblica Ceca 1.490 1.952 6 1.959 185,4 46 Danimarca 2 6 10 16 2,9 Estonia 0 0,1 0,1 0,2 0,1 Finlandia 0 0,1 1 1 0,2 Francia 719 988 1.671 2.659 40,3 Germania 7.408 17.193 7.485 24.678 302,8 Grecia 150 205 426 631 58,9 Ungheria 1 2 3 4 0,4 Irlanda 0 0,1 3 3 0,5 Italia 2.326 3.470 9.284 12.754 212,6 Lettonia 0 0 0,2 0,2 0,1 Lituania 0,1 0,2 0,1 0,3 0,1 Lussemburgo 0,9 25 5 30 58,9 Malta 0,1 1,5 10 12 29 Olanda 21 83 20 103 6,1 Norvegia 0,1 0,1 0 0,1 0,02 Polonia 0,4 2 1 3 0,1 Portogallo 38 150 33 184 16,2 Romania 1 2 2 3 0,2 Slovacchia 145 148 321 468 85,1 Slovenia 27 35 46 81 39,6 Spagna 441 4.029 372 4.400 93,6 Svizzera 1 12 3 15 1,6 Svezia 39 111 105 216 26,2 Turchia 0,1 1 5 6 0,1 Ucraina 3 3 188 190 4,1 Gran Bretagna 62 91 784 875 13,9 mercato globale del 2011 (si veda tabella 2). Questi due mercati sono stati seguiti da Francia (1,7 GW) e Regno Unito (784 MW), che ha mostrato una crescita sorprendentemente forte nel 2011 (si veda tabella 2). Molti altri mercati al di fuori dell Europa hanno iniziato a mostrare uno sviluppo significativo e presentano un potenziale di crescita enorme. Tra questi, oltre all Australia (1,3 GW) e all India (0,46 GW), Africa, Medio Oriente, Sud-Est asiatico e America Latina sono sul punto di iniziare il loro sviluppo (sunbelt countries). Le ragioni di tale successo derivano principalmente dalla sostenibilità am-
PONTE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI FARE 47 Celle in fillm sottile (in alto), celle in silicio cristallino, sistemi a concentrazione L energia fotovoltaica è la terza energia rinnovabile più importante a livello globale dopo la idroelettrica e l eolica sivamente installata (il prezzo dei moduli si è ridotto mediamente del 22% per ogni raddoppio della potenza in MW cumulativamente installata a livello mondiale). Nel 2011 i costi del FV si attestano tra i 2,5 e i 3,5 /W p, con previsioni di 0,9-1,3 /W p nel 2020, 0,7-0,9 /W p nel 2030 e al di sotto di 0,5 /W p nel 2050. La convenienza economica del fotovoltaico rispetto all energia elettrica fornita dalla rete dipende, ovviamente, dalla radiazione solare disponibile nel luogo di installazione (in Europa mediamente pari a 1.200 kwh/m 2 ) che determina, a parità di potenza dell impianto, l energia elettrica che è possibile produrre (kwh/kw p ) e dal costo dell energia elettrica prodotta con fonti tradizionali, che nella seconda metà del 2010 nella EU-27 si attestava in un range compreso tra 0.09 e 0.27 /kwh (tasse incluse). In base all evoluzione dei costi del fotovoltaico, in continua diminuzione, e dell energia elettrica da fonti tradizionali, in progressivo aumento, si prevede il raggiungimento entro pochi anni della cosiddetta grid parity, ossia della convenienza economica dell elettricità fotovoltaica rispetto a quella prelevata o immessa in rete, senza la necessità di sostegni pubblici. TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE PER GLI EDIFICI I moduli fotovoltaici possono essere realizzati con differenti tecnologie utilizzando celle in silicio mono o poli cristallino (FV di prima generazione), celle a film sottile (FV di seconda generazione), celle in materiale organico o sistemi a concentrazione (FV di terza generazione). I moduli in silicio cristallino hanno una efficienza compresa tra 11,0 e 19,7%, hanno una dimensione tipica di 1,4-1,7 m² (anche se per applicazioni integrate sugli edifici si arriva anche a 2,5 m 2 ), e una potenza nominale tipicamente compresa tra 120 e 300 W p. I moduli fotovoltaici in film sottile, costituiti da sottili strati di semiconduttori applicati attraverso un processo di deposizione su supporti diversi, anche non rigidi (vetro, polimero, alluminio), consentono di ottenere moduli particolarmente interessanti per quanto riguarda l integrazione architettonica negli edifici grazie alla flessibilità, allo spessore ridotto (0,005 mm a fronte dei 0,35 mm delle celle cristalline) e alla colorazione uniforme. Inoltre, i moduli a film sottile dimostrano una migliore resa energetica rispetto ai moduli in silicio cristallino (c-si) di pari potenza nominale, grazie a una minore dipendenza dell efficienza dalla temperatura di funzionamento, che nei mesi estivi può raggiungere anche i 70 C, e alla buona risposta anche quando la componente di luce diffusa è più marcata e quando sono bassi i livelli di irradianza (rispetto al riferimento standard di 1.000 W/m 2 ), ossia nelle giornate nuvolose.
FARE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE 48 Moduli flessibili in film sottile I moduli a film sottile sono più vantaggiosi in condizioni di componente diffusa della radiazione I moduli a film sottile consentono pertanto di avere una produzione elettrica annua per kw p installati superiore di oltre il 15% rispetto ai moduli in silicio cristallino. I vantaggi sono più evidenti in siti soggetti ad ombreggiamento, altamente inquinati o particolarmente assolati e caldi, dove le condizioni di componente diffusa della radiazione e di alta temperatura penalizzano le prestazioni dei moduli cristallini. Ovviamente, considerata la bassa efficienza di conversione, variabile tra il 5,4 e il 12,7%, per poter installare la stessa potenza di picco rispetto ad un impianto con moduli di silicio cristallino, la cui efficienza è invece compresa tra l 11,0 e il 19,7%, occorrerà una superficie maggiore (tra i 10 e i 15 m 2 per kw p a fronte di 7-8 m 2 ). Ci sono tre principali tecnologie a film sottile che utilizzano diversi materiali semiconduttori inorganici: il silicio amorfo/microcristallino (a-si), il tellururo di cadmio (CdTe), il CIS (Copper Indium Diselinide) e il CIGS (abbreviazione di Cu(InGa)(S,Se). La tecnologia in silicio amorfo è stata la prima ad essere immessa sul mercato; presenta i valori di efficienza più bassi (5,4 7,7 %) nonostante con prototipi di laboratorio siano state raggiunte efficienze record fino al 10,4% e fino al 13,4% con celle a tripla giunzione, cioè con più strati di materiali attivi a base di silicio amorfo in grado di assorbire uno spettro di luce più ampio rispetto alla monogiunzione. Le celle in tellururo di cadmio, grazie ai bassi costi di produzione, costituiscono la tecnologia a film sottile attualmente più economica presente sul mercato. Il processo costruttivo è tecnologicamente semplice e produce una cella con buone caratteristiche meccaniche di resistenza e reazione agli stress termici. La tipica cella CdTe è a quattro strati e tre giunzioni per migliorare le caratteristiche di assorbimento della spettro solare, ma nonostante questo può essere realizzata con spessori molto ridotti che aiutano a contenere i costi. Presentano rendimenti compresi tra il 9,0 e il 12,5% con valori massimi ottenuti in laboratorio pari al 16,5%. Il cadmio è un sottoprodotto dell attività di estrazione dello zinco. Il tellurio è un sottoprodotto della lavorazione del rame e viene prodotto in quantità sensibilmente inferiori rispetto al cadmio. Le disponibilità a lungo termine dipendono dalle possibilità di ottimizzazione dei processi di lavorazione dell industria del rame. Nel 2010 la tecnologia CdTe copriva il 13% del mercato fotovoltaico. Le celle in CIS e CIGS offrono attualmente i più alti valori di efficienza tra tutte le tecnologie a film sottile. I rendimenti sono compresi tra il 7,3 e il 12,7% ma in laboratorio sono stati raggiunti valori record di 20,3% paragonabili a quelli ottenibili con celle in silicio monocristallino. Tuttavia il procedimento di fabbricazione, più complesso e meno standardizzato rispetto ad altri tipi di celle,
PONTE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI Il concetto di integrazione architettonica dei sistemi fotovoltaici nasce in Italia con il DM Sviluppo Economico 19 febbraio 2007 (Secondo Conto Energia) ed è stato successivamente inserito nelle normative nazionali e regionali, nonché nei Regolamenti edilizi comunali unitamente alla prevision. 6/7-2012 FARE 49 Modulo in film sottile in CdTe Celle OPV Cella a tripla giunzione TAB. 3 - Efficienza dei moduli fotovoltaici in commercio in condizioni standard (EPIA, 2011) Prestazioni SILICIO CRISTALLINO FILM SOTTILE CPV Mono Poli a-si CdTe CI(G)S a-si/ c-si DSSC/ OPV III-V multigiunzione Efficienza celle 16-22% 14-18% 30-38% 5,4-7,7% 9-12,5% 7,3-12,7% 7,5-9,8% 2-4% Efficienza moduli 13-19,7% 11-15% ~ 25% Area/kW p (moduli) ~ 7 m 2 ~ 8 m 2 ~ 15 m 2 ~ 10 m 2 ~ 10 m 2 ~ 12 m 2 tende ad aumentarne i costi di produzione. Non ci sono problemi a lungo termine per quanto riguarda la disponibilità di selenio e gallio. L indio è disponibile in quantità limitate, ma non ci sono attualmente segnali di carenza. L 85% della domanda è oggi costituita dall industria degli LCD. FOTOVOLTAICO DI TERZA GENERAZIONE Dopo oltre 20 anni di ricerca e sviluppo dispositivi solari di terza generazione stanno cominciando ad apparire sul mercato. L obiettivo è quello di aumentare l efficienza delle celle e nello stesso tempo di ridurre i costi di produzione. La terza generazione comprende diverse tecnologiche sperimentali. Tra queste le più promettenti sono costituite dalle celle solari organiche (OPV), dalle celle fotoelettrochimiche a coloranti (DSSC, dye sensitised solar cells) e da celle multigiunzione a concentrazione. Per quanto riguarda, in particolare, le celle organiche, i fornitori di prodotti OPV si stanno muovendo verso la piena commercializzazione e hanno annunciato piani per aumentare l attuale produzione a più di un GW entro il 2012. L efficienza delle celle OPV attualmente in commercio varia tra il 4 ed il 6%. I produttori di DSSC prevedono una produzione di 200 MW nel 2012. Le celle in commercio hanno ancora un efficienza al disotto del 4%, ma in laboratorio sono stati raggiunti rendimenti tra l 8 e il 12%. Per entrambe le tecnologie, i costi di produzione sono in costante diminuzione e si prevede che raggiungeranno 0,50 /W entro il 2020. Per quanto concerne il fotovoltaico a concentrazione (CPV), questo utilizza celle ad altissima efficienza (molto sofisticate e molto più costose per unità di area rispetto a quelle tradizionali), ma di piccole dimensioni (dell ordine di 1 cm 2 o inferiori), con concentratori ottici di grande superficie sempre puntati verso il Sole per intercettare ortogonalmente la componente diretta della radiazione solare. La filosofia alla base di questo approccio è quella di compensare gli alti costi di sistema (ottica, inseguimento, raffreddamento delle celle) con l alta efficienza delle celle. I moduli in commercio consentono di ottenere efficienze tra il 20 e il 25% con celle a base di silicio e tra il 25 e il 30% con celle a tripla giunzione in GaAs (in laboratorio si è giunti a rendimenti oltre il 40%) (si veda tabella 3). L INTEGRAZIONE ARCHITETTONICA DEL FOTOVOLTAICO
FARE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE 50 Copertura piana senza balaustra Copertura piana con balaustra Sistemi BAPV Tetti a falda Frangisole ne di apposite semplificazioni autorizzative e incentivi economici. L obiettivo è quello di esaltare le potenzialità, anche formali, della tecnologia solare, ponendo la componente energetica alla base del processo progettuale per giungere alla definizione di un nuovo linguaggio architettonico in cui i pannelli solari possano divenire un elemento espressivo e caratterizzante per l architettura come, in altri periodi, lo sono stati l acciaio, il cemento, il vetro e l alluminio. L integrazione può limitarsi al posizionamento dei pannelli sulla superficie esterna degli involucri di edifici in modo complanare alla superficie di appoggio senza la sostituzione dei materiali che costituiscono le superfici d appoggio stesse (Building Adapted PV systems - BAPV). È il caso, ad esempio, di applicazioni in retrofit, ovvero di pannelli sovrapposti al sistema di copertura nei tetti a falde, di moduli sovrapposti ai materiali di rivestimento degli edifici, purché complanari al supporto, di moduli disposti con angolazione libera sui tetti piani, purché il pannello non sporga di più della metà della sua altezza rispetto alla balaustra perimetrale e non interrompa lo strato di tenuta. Oppure, tale integrazione può spingersi oltre, attraverso la sostituzione con elementi fotovoltaici degli elementi architettonici dell involucro edilizio (Building Integrated PV systems - or BIPV). In particolare, il DM 5 maggio 2011 (Quarto Conto Energia) definisce «impianto fotovoltaico integrato con caratteristiche innovative» l impianto che utilizza moduli non convenzionali e componenti speciali, sviluppati specificatamente per sostituire elementi architettonici, e che risponde ai requisiti costruttivi e alle modalità di installazione indicate dall Allegato 4 del decreto stesso. Tali moduli devono essere progettati e realizzati industrialmente per svolgere, oltre alla produzione di energia elettrica, funzioni architettoniche fondamentali quali: - l isolamento termico dell edificio, garantendo il mantenimento dei livelli di fabbisogno energetico grazie a valori di trasmittanza termica comparabili a quelli del componente architettonico sostituito; - la tenuta all acqua e la conseguente impermeabilizzazione della struttura edilizia sottesa; - la resistenza meccanica, che deve essere comparabile con l elemento edilizio sostituito. Di fatto, ogni elemento della superficie dell edificio, dalla copertura alle pareti perimetrali fino alle chiusure trasparenti e agli schermi frangisole, è adatto per l installazione di impianti fotovoltaici. La loro integrazione all interno dell organismo edilizio, consente, oltre alla produzione di energia, anche lo svolgimento di altre importanti funzioni quali l isolamento acustico, l isolamento termico e la protezione dall irraggiamento solare con conseguente riduzione del carico di climatizzazione estiva.
PONTE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI FARE 51 Sistemi BIPV
FARE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE 52 Tegole fotovoltaiche Per l integrazione delle tecnologie fotovoltaiche nelle L integrazione può consentire, inoltre, importanti vantaggi economici: la sostituzione del materiale da costruzione con un modulo solare consente di dedurre il valore del primo dal costo totale dell impianto; inoltre, se l impianto è realmente parte integrante dell edificio, i costi della sua struttura di supporto e del terreno su cui insiste sono già coperti. Attualmente, per l integrazione delle tecnologie fotovoltaiche nell edilizia il mercato offre diversi prodotti, che consentono una flessibilità d uso impensabile fino a pochi anni fa, caratterizzati da design avanzato, attenzione al dettaglio, varietà nella colorazione e nella forma. In particolare: - moduli fotovoltaici non convenzionali espressamente concepiti per applicazioni di tipo architettonico quali moduli fotovoltaici flessibili, nastri in film sottile su supporto rigido e tegole fotovoltaiche per coperture; moduli fotovoltaici trasparenti per facciate, finestre e coperture opportunamente realizzati e installati per consentire il passaggio della luce all interno dell involucro edilizio; - componenti speciali per coperture, per superfici verticali opache o per facciate ventilate, costituiti dall assemblaggio e dalla integrazione di moduli fotovoltaici laminati senza cornice, in sostituzione del materiale da costruzione convenzionale, e di un sistema di montaggio dotato di brevetto europeo. INTEGRAZIONE NELLE CHIUSURE TRASPARENTI Per quanto riguarda le chiusure trasparenti, un utilizzazione particolarmente gradevole del fotovoltaico è quella che ricorre a moduli semitrasparenti (moduli vetro-vetro, celle microforate, film sottili al silicio amorfo semitrasparenti), attraversabili solo parzialmente dalla luce, in grado di proteggere dall eccessivo soleggiamento e consentire la permeabilità visiva tra esterno ed interno. La semitrasparenza viene normalmente conseguita o perché le celle solari sono così sottili da essere parzialmente trasparenti, oppure perché le celle tradizionali vengono distanziate sulla superficie del supporto in modo da consentire la parziale illuminazione degli interni. I moduli fotovoltaici in vetro sono sostanzialmente di due tipi: - in silicio cristallino (mono o policristallino); - in film sottile (a-si, CIS). Nel primo caso il modulo stesso è un progetto, poiché parametri come la dimensione, la forma, lo spessore, il grado di trasparenza, sono tutti variabili. Nel secondo caso, invece, il mercato propone un catalogo di moduli standard. Per quanto riguarda l integrabilità di tali prodotti nell involucro edilizio, i moduli di entrambe le tecnologie offrono grandi possibilità progettuali; tuttavia, mentre il modulo in silicio cristallino, non essendo standard, non
PONTE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI FARE 53 Moduli vetro-vetro in silicio cristallino coperture degli edifici il mercato offre numerosi prodotti può offrire prestazioni prestabilite (sono esse stesse un progetto), il modulo in film sottile offre prestazioni che sono stabilite già nella scheda tecnica fornita dal produttore. In questo senso, quindi, la scelta di un componente del secondo tipo, cioè industrializzato, è più sicura, anche se meno libera. Moduli vetro-vetro in silicio cristallino Allo stato attuale i componenti che sembrano essere più flessibili rispetto alle scelte del progettista sono i moduli vetro-vetro in silicio cristallino, realizzati mediante l incapsulamento con resina trasparente (PVB) delle celle fotovoltaiche tra due pannelli in vetro. Tale duttilità è dovuta al fatto che essi non si configurano, come è stato anticipato, come prodotto finale di un unico processo industriale; così nella fase di assemblaggio del modulo è possibile attuare molteplici scelte. I parametri variabili sono: - la dimensione e la forma dell elemento vetrato: i moduli fotovoltaici vetro-vetro possono essere di forma rettangolare, trapezoidale e triangolare, anche se va detto che, nel caso di superfici con angoli non retti, la superficie vetrata non corrisponde con quella fotovoltaica, in quanto le celle solitamente utilizzale sono quadrate; - lo schema distributivo (texture): le celle possono essere disposte secondo pattern distributivi differenti, sempre che siano assicurate le condizioni per garantire la possibilità di realizzarne i collegamenti elettrici; - la distanza tra le celle (grado di trasparenza): attraverso la variazione della distanza tra le celle è possibile ottenere un controllo dell illuminazione degli ambienti interni, e, quindi delle caratteristiche di permeabilità visiva tra interno ed esterno. Questo assicura anche una multifunzionalità del componente fotovoltaico, che può essere impiegato come ele - mento di protezione dal Sole; - il tipo di cella: l impiego di questo tipo di componente fotovoltaico speciale per l edilizia consente di ricorrere all uso di celle caratterizzate da differenti tecnologie (silicio mono e policristallino), dimensioni, forma e colore. Moduli semitrasparenti in film sottile Mentre i moduli in vetro in silicio cristallino sono prodotti cosiddetti custom (salvo alcune eccezioni), i moduli in film sottile sono prodotti industriali che vanno scelti da un catalogo che la ditta mette a disposizione. Questa differenza sostanziale tra le due famiglie di moduli fa sì che la scheda tecnica di un componente di questo tipo sia molto ricca, poiché fornisce al progettista informazioni circa le caratteristiche elettriche, ottiche, termiche e meccaniche del componente. Ciò è molto importante poiché, in genere, la motivazione per l impiego di un modulo semitraspa-
FARE P ROCEDURE P ROGETTI P ROCESSI P RODOTTI PONTE 54 Moduli semitrasparenti in film sottile rente in vetro è il suo impiego come schermo solare, che deve garantire sia la protezione dal caldo in estate, sia una corretta illuminazione degli ambienti interni; pertanto requisiti non tradizionali del fotovoltaico, come quelli ottici e termici, sono in questo caso particolarmente importanti. Dal punto di vista dell aspetto, mentre la texture di un modulo semitrasparente in silicio cristallino è condizionata dalla cella, e in particolare dalla sua forma e dimensione, in questo caso la texture è realmente simile alla trama di un tessuto, o di un vetro serigrafato, con texture variabili da prodotto a prodotto. I moduli in vetro in film sottile si differenziano tra di loro, quindi, per: - dimensione e forma; - tecnologia del fotovoltaico (per esempio silicio amorfo o CIS); - trasparenza/opacità (i moduli possono essere anche completamente opachi); - texture sia in termini di pattern geometrico (strisce, diamanti, griglie ecc.), sia di semitrasparenza (e quindi U-value e g-value); - colore (eventuale presenza di interlayer colorato); - stratigrafia funzionale. Nel caso del silicio amorfo la semitrasparenza dei moduli è tipicamente sempre del 10%, in quanto la perdita di potenza è superiore al grado di semitrasparenza. Con il 10% di trasparenza si perde il 20% di potenza, con il 20% di trasparenza se ne perde il 40%.