Architettura-energia-ambiente: introduzione alla sostenibilità

Università IUAV - Venezia

Corso di Fisica Tecnica Ambientale –- Architettura-energia-ambiente: introduzione alla sostenibilità Laboratorio Integrato 1°anno CLASARCH indirizzo sostenibilità

Cos’è la sostenibilità

Il concetto di sostenibilità nasce dalla consapevolezza che l’equilibrio del pianeta Terra è fragile

Per sviluppo sostenibile si intende uno sviluppo che soddisfa i bisogni delle popolazioni attuali senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni. (Rapporto Bruntland - World Commission on Environment and Development, 1987)

Sviluppo sostenibile significa attivare politiche di sviluppo e ambientali basate sulla comparazione fra i costi e benefici e su attente analisi economiche, con lo scopo di rafforzare la protezione ambientale e aumentare i livelli sostenibili di benessere (World Bank World Development Report, 1992)

Lo sviluppo umano durevole e sostenibile aggiunge un'altra dimensione: quella della scarsità delle risorse e del degrado dell'ambiente, problemi ai quali sono esposte le generazioni attuali e future (Programma delle Nazioni Unite per lo Sviluppo, 1992 )

Status eventiconsumi

pro-capite

percentuale del consumo attuale

anni da ora

uomo cacciatore che non usa il fuoco

10 MJ/die (2500 kcal/die) 0,1 tep/ anno

1%

uomo cacciatore che usa il fuoco

20 MJ/die 0,2 tep/ anno

2% 200000

uomo agricoltore

allevamento navigazione a vela

ruota mulini ad acqua mulini a vento

40 MJ/die 4% 8-10000

uomo tecnologicomacchina a vapore combustibili fossili

elettricità100 MJ/die 10% 200 -250

uomo nelle società industrializzate

energia nucleare (1942)1000 MJ/die 9 tep/anno

100% 0

scoperta del fuoco

rivoluzione agricola

rivoluzione industriale

Da almeno 20 anni si parla di “terza rivoluzione industriale”

È possibile immaginare uno sviluppo in cui l’informazione sostituisca l’aumento del consumo di energia e di materia

Uno sviluppo basato sempre di più sulla

produzione e sul consumo di “beni immateriali”?

Perché esiste il problema energetico e perché è connesso ai problemi ambientali (globali e locali)?

In base al primo principio della termodinamica non dovrebbe esistere il problema energetico: l’energia può essere convertita da una forma all’altra ma si conserva, come la massa.

ΔU = Q – L Se: ΔU = 0 (trasformazione ciclica) Q1 – Q2 = L (ciclo diretto)

Q1 = L + Q2 L + Q2 = Q1 (sembrerebbe)

Esiste però il secondo principio. Nella realtà: Q1 – Q2 = L + Ta·ΔSirr (ciclo diretto) Q1 = L + Q2 + Ta·ΔSirr L + Q2 = Q1 – Ta·ΔSirr

Nella trasformazione inversa ottengo una quantità di

energia termica minore od a una T inferiore La perdita di qualità energetica connessa ad ogni

trasformazione reale è rappresentata dall’aumento di entropia del sistema che compie la trasformazione.

• Nel bilancio energetico nazionale italiano gli usi finali a bassa temperatura all’inizio degli anni ottanta dello scorso secolo costituivano circa il 32% del totale.

• I soli usi finali cosiddetti “domestici”, per la quasi

totalità a bassa temperatura, costituivano un quarto della domanda totale di energia primaria, ad essi andavano aggiunti gli usi terziari ed industriali sempre bassa temperatura.

Il secondo principio introduce il concetto di qualità dell’energia.

Una misura della qualità dell’energia termica, la più immediata, è data dalla sua temperatura

Gli usi finali dell’energia e le fonti energetiche vengono normalmente classificati in:

• a bassa temperatura (sotto i 100°C), quali il riscaldamento di acqua sanitaria ed ambienti,

• a media temperatura (150 - 250°C), richiesta da processi produttivi, sterilizzazioni (in ospedali), cottura di cibi,

• ed ad alta temperatura (1500 - 2000°C ed oltre) utilizzabile per produrre lavoro meccanico, il lavoro meccanico stesso e l’energia elettrica sono ascritti a questa ultima categoria

• Nel bilancio energetico italiano gli usi finali a bassa temperatura non sono affatto trascurabili da un punto di vista quantitativo.

• Si consideri che il settore residenziale e terziario

assorbe circa un terzo degli usi finali dell’energia (residenziale + terziario = 43,3 Mtep = 30% di usi finali), di questa quota un po’ meno di un terzo è costituito da usi elettrici (più o meno obbligati) ed il resto da usi termici a media e soprattutto a bassa temperatura. In particolare all’interno degli usi finali connessi alla residenza, tolti gli usi cucina e gli usi elettrici obbligati, la parte del leone (80%) la fa la domanda di energia per riscaldamento di ambienti ed acqua calda sanitaria, tipicamente a bassa temperatura (22 Mtep = 15,4% degli usi finali totali).

• A questi usi (a bassa temperatura), vanno aggiunti gli

usi terziari ed industriali sempre a bassa temperatura (difficilmente quantificabili).

Ma non esiste solo il ciclo di Carnot, anche una differenza di pressione, di volume specifico o di energia potenziale o cinetica tra ingresso ed uscita in un sistema aperto possono produrre lavoro. Pertanto un indicatore più completo della qualità dell’energia è dato dalla grandezza Exergia. Essa è definita come la frazione di una data quantità di energia utilizzabile in forma di lavoro meccanico.

Tanto maggiore è la temperatura tanto maggiore è la convertibilità in lavoro

dell’energia disponibile a quella temperatura

L = η · Q1 – Ta·ΔSirr L = (1-T2/T1)·Q1 - Ta·ΔSirr

Facendo un confronto con l’equazione del primo principio si nota che qui:

• mentre le variazioni di energia cinetica e potenziale sono considerate per intero, non vengono cioè penalizzate,

• la quantità di calore q1 scambiato con la sorgente a T1 viene ridotta dalla moltiplicazione per una quantità minore di uno,

• la variazione di entalpia viene diminuita dalla sottrazione del termine Ta·(se-su), che rappresenta una quantità di calore, che non viene scambiata a causa dei fenomeni connessi all’irreversibilità.

Si ipotizzi per semplicità un sistema che scambi calore con una sola sorgente a temperatura T1, oltreché con l’ambiente, e che sia attraversato da una sola corrente fluida.

Scrivendo il bilancio energetico riferito all’unità di portata massica del fluido in transito si avrà che il lavoro utile specifico ottenibile sarà:

( )

( ) airrueue

ueauea

Tszzg

ssThhTTql

⋅Δ−−⋅+−

+

+−⋅−−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

2

1

22

11

ωω

Come si può osservare nel calcolo dell’Exergia non sono coinvolti solo gli scambi termici (sui quali influisce il rendimento di Carnot), ma anche le altre variabili interne del sistema: s ma anche p e v (che sono contenute in h). Nonché le due forme di energia meccanica (cinetica e potenziale). In effetti il lavoro può essere prodotto anche da variazioni di p e v tra ingresso ed uscita del sistema aperto.

Rendimenti del secondo ordine• Nel valutare l’efficienza con cui avvengono le

conversioni energetiche, la grandezza da tener d’occhio è dunque l’exergia, e gli sprechi da evitare sono quei fenomeni di degrado rappresentati da riduzioni del valore di tale grandezza.

• Un criterio per valutare questa efficienza, o

appropriatezza dell’uso delle risorse, è il calcolo del rendimento termodinamico del secondo ordine (rendimento iso-entropico) o, ancora meglio, il rendimento exergetico del processo. Quest’ultimo è definito come il rapporto tra l’exergia ottenuta alla fine del processo e l’exergia spesa / disponibile all’inizio dello stesso.

Domanda ed offerta di energia

La domanda di energia è costituita dagli usi finali della stessa (calore, energia meccanica, luminosa) mentre l’offerta è costituita dalle fonti. Entrambe possono essere classificate in base alla qualità dell’energia.

Adeguare qualitativamente l’offerta alla domanda (qualora

essa non lo sia) significa eseguire interventi di razionalizzazione energetica.

Un esempio di razionalizzazione energetica: la cogenerazione di elettricità e calore

• È bene precisare che l’adeguamento delle forme di energia disponibili agli utilizzi finali più idonei è detto razionalizzazione, ed il suo scopo è la conservazione della qualità dell’energia, che si traduce generalmente in una minor domanda di energia primaria, in particolare di quella fornita da fonti non rinnovabili.

• Con il termine risparmio si intende invece un

intervento restrittivo sugli usi finali, come: ridurre la temperatura interna degli edifici, utilizzare meno acqua calda, spostarsi di meno. Nel termine risparmio è insita l’idea di sacrificio, e di rallentamento dell’economia.

Fonti, vettori, tecnologie di conversione.

Le fonti primarie di energia sono quelle disponibili in natura, a monte delle conversioni da una forma all’altra operate dall’uomo. Esse possono essere rinnovabili e non. I vettori energetici sono le forme intermedie dell’energia, che essa assume tra la raccolta e l’uso finale. Sono vettori tutti i combustibili prodotti mediante raffinazione, l’H, l’energia elettrica prodotta da combustibili fossili o nucleari. È bene notare che l’energia elettrica è considerata una fonte primaria negli altri casi (energia idroelettrica, elettronucleare o da solare fotovoltaico).

Le fonti di energia primaria (classificabili in base alla temperatura dell’energia resa disponibile) sono:

• Le fonti non rinnovabili • Combustibili fossili:

• Carbone kg • Petrolio barile • Gas naturale m3 standard

• Fissione Nucleare – non autofertilizzante

• Le fonti rinnovabili

• Direttamente o indirettamente legate al SOLE: • Idraulica • Eolica • Solare • Biomasse • Maree e onde

• Le fonti assimilabili a rinnovabili/quasi inesauribili

• Calore endogeno della terra (geotermia) • RSU • Fissione Nucleare autofertilizzante e Fusione

Nucleare • Uso razionale dell’energia (Legge 10-1991 – DL 192

-2005)

Consumi mondiali per fonti primarie (Mtep)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004

Gas NaturaleCarbonePetrolioEnergia ElettricaBiomasseGeotermiaSolare termicoTotale

Consumi energetici mondiali nel 2004 (Mtep)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Europa UE (15)UE (25)

CSI* Russia

Nord America USA

America latina Asia orientale

CinaGiappone

Asia meridionale India

Pacifico Medio Oriente

Africa Nord Africa

Africa sub-sahariana OCSE OPEC

Ex- Unione Sovietica

2004. Consumi per area geografica e fonte (Mtep)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Europa

UE (15)

UE (25)

CSI*

Russia

Nord America

USA

America latina

Asia orientale

Cina

Giappone

Asia meridionale

India

Pacifico

Medio Oriente

Africa

Nord Africa

Africa sub-sahariana

Petrolio Gas Carbone Elettricità Biomassa Calore

Centrali solari a concentrazione

Solare termodinamico / Progetto Archimede

Domanda e offerta di energia • Come si può osservare ad una domanda di 143,3 Mtep di energia da

varie fonti per soddisfare gli usi finali corrisponde un consumo (o disponibilità) di energia da fonti primarie di 195,5 Mtep. La differenza tra le due quantità corrisponde alle perdite che si verificano nelle conversioni di una forma di energia in un'altra, essenzialmente nella generazione elettrica, e nella distribuzione dell’energia. Questa differenza figura sotto la voce “consumi e perdite del settore energetico” e risulta pari a 52,2 Mtep, di cui la quasi totalità (46,9 Mtep) rappresenta il costo della generazione elettrica.

• In altre parole la domanda di energia relativa agli usi finali è intesa come il potere calorifico della fonte così come viene fornita all’utilizzatore a monte delle conversioni che lui attuerà (ad esempio nella caldaia domestica o nei fornelli), l’energia l’energia relativa all’energia elettrica corrisponde al flusso termico che essa fornirebbe se interamente dissipata in una resistenza elettrica (860 kcal/kWh).

Il panorama energetico: statistiche italiane

Fabbisogno Energetico: 195.5 Mtep Popolazione: 56 Milioni

Consumo di energia in Italia. Fonte: Libro Bianco sull’energia ENEA 2005

==>> PPrrooccaappiittee:: 33..55 tteepp//aannnnoo

Consumi italiani di energia per fonte nel 2004 (195,5 Mtep)

Combustibili solidi

Gas naturale

Prodotti petroliferi

Fonti rinnovabili

Importazioni netteenergia elettrica

Usi finali dell'energia in Italia nel 2004 (143,3 Mtep)

Industria

Trasporti

Residenziale eterziarioAgricoltura

Usi non energetici

Bunkeraggi

Si noti la differenza tra il consumo di energia da fonti primarie (195,5 Mtep) e la domanda di energia per usi finali (143,3 Mtep). Questa differenza è dovuta alle conversioni da una forma di energia all’altra.

Settore USI CIVILI. domanda energetica per fonte (ktep).

05.000

10.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.000

1990

1995

2000

2001

2002

2003

2004

(***

)

Energia elettrica

Gas

Prodottipetroliferi GPL

Gasolio

Olio combustibile

Carbone

Totale fossili

Legna (*)

Totale usi finali

Il settore degli usi civili (residenza più terziario), con 43,3 Mtep su 143,3, costituisce il 30% degli usi finali dell’energia. Circa un terzo degli usi civili è coperto con energia elettrica (8% del totale), che nella residenza sono il 16% mentre nel terziario sono il 42%, il resto, usi a media e bassa temperatura, con combustibili (22% del totale).

Consumo italiano di energia primaria (Mtep)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1995 2000 2001 2002 2003 2004*

Combustibili solidi

Gas naturale

Prodotti petroliferi

Fonti rinnovabili

Importazioni netteenergia elettrica

Totale

Il settore residenziale da solo richiede 27,966 Mtep. Al suo interno, tolti gli usi cucina e gli usi elettrici obbligati, la parte del leone la fanno gli usi a bassa temperatura: riscaldamento ed acqua calda sanitaria (22 Mtep = 15,4% degli usi finali totali)

Italia 2003. Usi finali energia nella residenza.

19.123; 68%2.952; 11%

1.486; 5%4.404; 16%

Riscaldamento Acqua calda Usi cucina Usi elettrici obbligati

• Il riscaldamento invece costituisce ancora (al 2006) il maggiore consumo energetico nella gestione di edifici civili (61% del totale degli usi finali nel settore residenziale). In tutto esistono 19 milioni di unità abitative (appartamenti) dotate di impianto fisso di riscaldamento, ognuna di esse consuma mediamente 1 tep/anno per riscaldarsi (420 MJ/(m2·anno) o 116 kWh/(m2·anno)). Si tratta ovviamente di una media tra valori molto diversi, le cui variazioni sono in gran parte dipendenti dal clima.

• Quindi in media un’unità abitativa consuma in 6 anni,

per il solo riscaldamento, una quantità di energia pari a quella necessaria per la sua costruzione, gli anni

Energia e ciclo di vita dell’edificio • L’energia consumata nella fase di fruizione (esercizio) di

un’abitazione era stimata, nel 1980, pari a 10-15 volte quella richiesta dalla costruzione.

• Su questa valutazione concordano altre fonti più recenti secondo cui i consumi legati alla costruzione e ristrutturazione degli edifici possono essere stimati, sia pure con scarsa precisione, in 5-6 Tep per una unità abitativa (un appartamento) di 90-100 m2, dunque dai 2100 ai 2500 MJ/m2 (1 tep = 42 GJ).

• Questo in considerazione del fatto che ciò richiede l’impiego di 100 t di materiali, in gran parte prodotti con processi di cottura o metallurgici, ed in considerazione dei (modesti) costi energetici di cantiere.

scendono a tre se si considerano i consumi energetici totali relativi alla fruizione della stessa unità.

• Pertanto nell’arco della vita utile dell’edificio

(normalmente stimato in 40 anni) si avrebbe un consumo energetico per solo riscaldamento di 40 tep, otto volte il costo energetico di costruzione (si arriva alle 10-15 volte considerano i consumi energetici totali).

• In base ad elaborazioni condotte nell’ambito di una

ricerca IUAV la domanda annua di energia primaria di un appartamento situato in una palazzina in linea di 3 piani fuori terra con 2 vani scala e sei appartamenti per piano, tipica delle nostre periferie a media densità, si aggira, nella provincia di Venezia, sui 450 MJ/m2 di energia primaria. Il dato include la climatizzazione invernale (350 MJ/(m2·anno), la climatizzazione estiva (30 MJ/(m2·anno) e l’illuminazione artificiale (70 MJ/(m2·anno). Se si assume una vita dell’edificio di 40 anni la domanda di energia in fase di esercizio ammonta a 18000 MJ/m2 di energia primaria, il che significa dalle 7 alle 8,5 volte il costo energetico di costruzione.

• Considerando la sola climatizzazione invernale (350

MJ/m2·anno) il suo costo è tra le 5,5 e le 6,6 volte il costo energetico di costruzione.

Mondo OCSE UE- 15 Italia

2002 2002 2003 2002 2003 2002 2003 Offerta energia totale

10230,7 5345,7 5390,81489,41513,1172,7180,7

Biomassa 1117,7 178,4 181,1 56,7 59,7 2,5 3,1 Solare, eolico

8,8 7,6 8,2 3,8 4,4 0,2 0,2

Geotermia 41,5 24,8 26,3 3,8 5,2 3,5 4,8 Idroelettrico 223,7 105,8 104,7 24,1 24,0 3,4 3,2 Totale Rinnovabili

1391,6 316,6 320,3 88,4 93,4 9,6 11,3

% Rinnovabili

13,6 5,92 5,94 5,94 6,17 5,54 6,24

Fonti rinnovabili in Italia, Europa, OCSE, Mondo Mtep - Anni 2002, 2003

Nel 2004 le fonti rinnovabili costituiscono in Italia il 7,2% dell’offerta di energia con 14,1 Mtep su 195,5

L’idrogeno: un nuovo vettore energetico

La produzione di Idrogeno

Fonti rinnovabili in Italia, Europa, OCSE, Mondo Mtep

• L’Idrogeno, ottenuto dal metano o da altri idrocarburi, entra nella cella (1) ed incontra una barriera porosa. L’elettrodo a base di platino (anodo) separa (2) l’unico elettrone dall’unico protone costituenti l’atomo di H.

• Mentre gli elettroni vengono

trattenuti dell’anodo, gli ioni positivi (protoni) raggiungono l’altro elettrodo poroso (cadodo) attraversando l’elettrolita (acido fosforico) (3).

• L’accumulo di elettroni sul primo

elettrodo produce differenza di potenziale rispetto al secondo elettrodo, quindi una corrente elettrica (4) quando i due elettrodi vengono collegati.

Gas - Serra Attualmente le emissioni antropiche di gas-serra ammontano

a 50 miliardi di t di CO2 (equivalente) / anno. Esse costituiscono il 3% della CO2 totale circolante nella biosfera. I 15 paesi dell’UE ne emettono circa 6,5 miliardi.

A titolo di raffronto: l’Etna in 2 giorni di intensa attività ha emesso 40000 t di CO2 (equivalente).

Secondo l’ultimo rapporto dell’International Panel on

Climate Change (Organismo ONU) le emissioni di gas serra (CO2, CH4, NOX, idrofluorocarburi, perfluorocarburi, esafluoruro di zolfo) crescono dell’1,6%/anno.

Questo nonostante il trattato di Kioto imponesse di ridurle del 5,2% rispetto ai livelli del 1990.

Bisognerebbe ridurle del 70% per stabilizzare le temperature

medie 2 °C sopra i valori attuali.

Il riscaldamento globale Protocollo di Kyoto 10 Dicembre 1997:

• I Paesi si impegnano a ridurre entro il 2012 le emissioni di gas serra in media del 6% rispetto al 1990;

• Sono esclusi i Paesi in via di Sviluppo;

• Per raggiungere l’obiettivo senza gravi contraccolpi sull’economia si potrà ricorrere, in modo limitato ai seguenti meccanismi flessibili e agli assorbitori di CO2; - commercio delle quote di emissione (acquisto quote dai paesi che producono

meno); - aiuti ai paesi in via di Sviluppo; - riforestazione.

Modifiche Marrakesh 29 Ottobre-11 Novembre 2001: • Resta in vigore l’impegno di riduzione ma con grande libertà nell’utilizzo dei

meccanismi flessibili con lo scopo di:

• salvare il protocollo di Kyoto;

• venire incontro al’Umbrella group (Giappone, Russia, Canada, Australia, N. Zelanda); ottenere comunque una riduzione delle emissioni entro il 2012.

Modifiche di Johannesburg 2002

• Emissioni dovute a voli internazionali sono cresciute del 7,5% rispetto al 2003 e dell’87% rispetto al 1990.

• Auto: limite UE di 120 g / km di CO2 entro il 2012 poi

portato a 125 entro il 2015.

• Comunque progressi ne sono stati fatti: le emissioni globali delle auto sono rimaste stabili nonostante il raddoppio del traffico (sempre rispetto al 1990).

• Lavatrici e lavastoviglie consumano in media il 35% in

meno rispetto a 10 anni fa (con punte del 50% in meno).

Emissioni globali di CO2 sono così ripartite:

• 39% produzione di calore ed energia elettrica,

• 26% trasporti, • 16% industria (in Italia è il 18%).

La progettazione sostenibile L’obiettivo della progettazione “sostenibile” deve essere una architettura responsabile intendendo con questo un’architettura che tenda a minimizzare nell’arco del suo intero ciclo di vita:

• Il consumo di risorse non rinnovabili (in termini di materiali impiegati e fonti energetiche);

• L’impatto sull’ecosistema locale e globale. Da circa una quarantina d’anni [V. Olgyay, 1963] con il termine architettura bioclimatica è stata definita un’architettura che:

• sfrutta come risorsa le caratteristiche morfologiche ed il clima del luogo in cui si trova,

• impiega prioritariamente i materiali locali,

• contempla il recupero ed il riciclaggio di materiali e componenti

nella fase di dismissione,

• per il proprio funzionamento (esercizio) utilizza le fonti energetiche rinnovabili localmente disponibili: radiazione solare, venti, vegetazione, corsi d’acqua ….

In essa, come si vedrà dagli esempi, le funzioni di climatizzazione ed illuminazione interna, che normalmente vengono svolte dagli impianti, sono affidate, per quanto possibile, dall’edificio stesso. Si può pensare che questa definizione riprenda ed estenda all’aspetto energetico la nozione Wrightiana di architettura organica.

Suggerimenti bibliografici

V. Olgyay, Design with Climate, Princeton Press, 1963. V. Olgyay, Progettare con il clima, Muzzio, Padova, 1982.

B. Givoni, Man, Climate, Architecture, Van Nostrand, New York, 1976. E. Mazria, The passive solar energy book, Rodale, Emmaus, 1979. E. Mazria, Sistemi solari passivi, Muzzio, Padova, 1982. Lewis O., A Green Vitruvius, James & James, London 1996 Lewis O., The climatic dwelling, James & James, London 1996. Fathy H., Vernacular architecture, Chicago Univ. Press, 1974.