L’integrazione tra design architettonico e produzione energetica rappresenta la nuova frontiera dell’edilizia sostenibile. In questa ottica, sono gli stessi materiali da costruzione a diventare generatori di corrente. I sistemi fotovoltaici integrati stanno trasformando gli edifici da semplici involucri passivi a centrali elettriche attive e intelligenti.
Grazie allo sviluppo dei sistemi di integrazione in bioedilizia abbiamo assistito alla nascita di nuovi elementi di progettazione. Pompe di calore geotermiche; sistemi radianti; ventilazione meccanica controllata; lighting e riscaldamento intelligenti; sistemi di raccolta e riutilizzo dell’acqua piovana; pannelli fotovoltaici integrati. Tutte queste soluzioni sono oggi parte integrante e basilare di un settore in espansione verticale.Queste soluzioni costituiscono ormai la base essenziale e consolidata di un settore in rapida e costante crescita.
Il building integrated photovoltaics (BIPV) rappresenta un esempio di come sia possibileassociare impianti solari e architettura. Opera come un impianto tradizionale, ma si differenzia per il fatto che va a sostituire, a livello fisico, uno o più elementi strutturali o di rivestimento dell’infrastruttura. Sistemi di questo tipo nascono nel progetto dell’edificio stesso, oppure vi si integrano successivamente.
Questi sistemi vengono concepiti durante la progettazione dell’edificio o integrati in un secondo momento. A differenza del comune impianto fotovoltaico posato sul tetto, questa soluzione è una struttura che funge, allo stesso tempo, anche da materiale di rivestimento.
Cosa si intende per fotovoltaico integrato?
A differenza di quanto avvenga nelle strutture fotovoltaiche consuete (chiamate BAPV – Building Applied Photovoltaics), dove i pannelli vengono installati sopra l’esistente, i sistemi fotovoltaici integrati sostituiscono interamente componenti edilizi convenzionali.
Il modulo fotovoltaico assume una duplice funzione: funge sia da materiale da costruzione (come rivestimento, copertura o serramento) sia da generatore di energia.
Generalmente, ma non necessariamente, i sistemi fotovoltaici integrati sono progettati e sviluppati contemporaneamente alla costruzione. Diventano davvero una parte integrante del sistema energetico dell’edificio. La caratteristica distintiva del fotovoltaico integrato non risiede nella sua concezione, bensì nel fatto che i pannelli vadano a sostituire una parte strutturale della realizzazione.
Che differenza c’è tra pannello solare e fotovoltaico
Il termine pannello solare e la dicitura pannello fotovoltaico sono spesso usati come sinonimi. In realtà, però, indicano due tecnologie considerevolmente diverse. Il pannello solare è termico e utilizza i raggi dell’astro per riscaldare un fluido. Normalmente è acqua, ma potrebbe anche trattarsi di glicole destinato all’uso sanitario o al riscaldamento. Quello fotovoltaico converte direttamente il fotone della luce solare in energia elettrica, generando corrente continua utilizzabile per le necessità quotidiane.
L’integrazione del fotovoltaico è una realtà importante nel campo dell’edilizia sostenibile. In abitazioni di recente costruzione si può valutare l’inserimento di vetri fotovoltaici senza impatto visivo. La tecnologia termica è meno sofisticata, tanto che è possibile attrezzarsi per realizzare pannelli solari fai da te con lattine, raccogliendo il materiale e armandosi di olio di gomito.
La tecnologia dietro l’integrazione: gli LSC liquidi
Scrivendo di sistemi fotovoltaici integrati non possiamo non considerare l’uso dei concentratori solari luminescenti. Questi dispositivi appaiono come lastre di vetro, o polimeri plastici, contenenti molecole fluorescenti in grado di assorbire la luce solare e riemetterla a una frequenza diversa.
Gli LSC liquidi, si basano su un principio ingegnoso: la luce catturata, anziché essere convertita immediatamente in superficie come nei pannelli tradizionali, viene convogliata verso i bordi della lastra. Questo processo è reso possibile dall’utilizzo di materiali speciali, spesso semiconduttori o concentratori luminescenti, che assorbono la radiazione solare diffusa e la dirigono internamente tramite riflessione totale.
Ai margini della lastra, dove la luce concentrata emerge, sono posizionate piccole celle fotovoltaiche. Grazie a questa concentrazione, queste celle, pur essendo di dimensioni ridotte rispetto a quelle di un pannello standard, riescono a convertire in elettricità una quantità di energia luminosa molto efficiente.
L’integrazione nell’architettura consente di sostituire i materiali da costruzione convenzionali con superfici attive che generano energia, riducendo i costi di materiale complessivi e migliorando l’efficienza energetica dell’edificio nel suo complesso. Inoltre, l’effetto di “cattura” della luce diffusa li rende particolarmente performanti anche in condizioni di illuminazione non ottimale o con orientamenti non perfetti, tipici delle facciate urbane.
I 7 vantaggi degli LSC liquidi
Uno studio condotto nel 2015 da ricercatori ENI nel campo delle Energie Rinnovabili e dell’Ambiente, assieme a dottorandi del Politecnico di Milano, ha dimostrato l’efficacia della tecnologia dei concentratori, che al tempo erano un’avanguardia, ed ha elencato 7 vantaggi legati all’applicazione degli LSC liquidi in edilizia.
- Trasparenza. I concentratori solari luminescenti permettono di realizzare vetrate che lasciano passare la luce visibile, producendo al contempo energia.
- Tinta e colorazione variabili. Possono essere personalizzati esteticamente per scopi architettonici.
- Efficienza anche con luce diffusa. Gli LSC liquidi funzionano bene anche con cielo coperto o luce non perpendicolare.
- Isolamento termico. Il liquido contenuto al loro interno funge da barriera radiativa, migliorando le prestazioni termiche dell’edificio.
- Leggerezza. Rispetto ai doppi vetri pesanti con celle integrate, gli LSC sono più sottili.
- Assenza di ombreggiamento. Le celle rimangono nascoste all’interno dei telai, evitando l’impatto visivo dei quadratini neri.
- Sostenibilità. Molti dei fluidi utilizzati sono riciclabili e meno impattanti, rispetto ai semiconduttori rari.
Qual è l’approccio progettuale dei BIPV?
La progettazione di un sistema fotovoltaico integrato è un processo complesso. Richiede, sin dalle primissime fasi, una visione d’insieme organica e multidisciplinare, dove l’integrazione estetica e funzionale sia prioritaria rispetto alla mera ottimizzazione energetica.
Questo approccio impone una stretta collaborazione e un dialogo costante tra figure professionali diverse, in particolare l’architetto – responsabile dell’estetica, della fruibilità e della conformità edilizia – e l’ingegnere energetico – garante del rendimento elettrico, dell’efficienza e della durabilità del sistema. I due professionisti devono lavorare in tandem, elaborando un progetto che sia un perfetto equilibrio tra le esigenze compositive dell’edificio e la massima produzione energetica possibile, il tutto nei limiti e in risposta ai requisiti specifici posti dalla committenza, che possono spaziare dalla neutralità carbonica all’autosufficienza energetica.
Per raggiungere questo equilibrio, occorre valutare e tenere in considerazione una moltitudine di elementi interdipendenti:
- Orientamento e posizione dell’edificio: la bussola è il punto di partenza. L’orientamento cardinale dell’edificio e la sua collocazione geografica determinano l’irraggiamento solare massimo e l’angolo ottimale per l’installazione delle superfici fotovoltaiche.
- Inclinazione delle superfici : l’inclinazione delle pareti e delle falde del tetto è fondamentale. L’angolo di inclinazione ideale è quello che massimizza l’energia solare intercettata durante l’anno, tenendo conto delle ombreggiature circostanti (edifici vicini, alberi). Nei sistemi BIPV, tuttavia, l’inclinazione è spesso vincolata dall’architettura preesistente o di progetto, richiedendo moduli ad alte prestazioni per compensare l’eventuale non-ottimalità geometrica.
- Scelta e integrazione dei materiali: Questo è l’aspetto cruciale che distingue il BIPV. Si spazia da tegole fotovoltaiche, facciate vetrate attive (vetri fotovoltaici trasparenti o semi-trasparenti), a rivestimenti opachi o colorati che sostituiscono i materiali da costruzione tradizionali.
- Prestazioni vs. estetica: Il progetto finale deve essere dettato da un principio di co-determinazione: l’estetica non può essere un ostacolo al rendimento e il rendimento non può compromettere l’armonia architettonica. L’obiettivo è massimizzare il rendimento elettrico previsto non solo in un singolo anno, ma nell’arco dell’intero ciclo di vita dell’opera, garantendo al contempo che l’integrazione visiva e la funzione di involucro edilizio (isolamento, protezione dagli agenti atmosferici) siano pienamente soddisfatte.
Come si installa un sistema fotovoltaico integrato
È importante tenere in considerazione quella che, probabilmente, è la principale differenza, in corso di realizzazione, tra un sistema integrato e uno tradizionale (o applicato): l’installazione del modulo BIPV non avviene dopo il termine dei lavori, ma durante la posa dei serramenti o delle coperture. Esso si monta utilizzando i normali sistemi di fissaggio architettonico, come facciate continue o sistemi a incastro per tegole, ma richiede un cablaggio elettrico integrato, nel telaio o sotto le guaine, che va previsto nel progetto elettrico generale.
Il cablaggio elettrico integrato consiste nella messa in collegamento dei moduli solari, i quali sono spesso disposti in serie, o alternativamente in parallelo, con l’utenza domestica, al fine di ottimizzare tensione e corrente nel sistema. Il quadro si compone di cavi resistenti alle alte temperature e ai raggi ultravioletti che conducono il calore trasformato in corrente continua (CC) dalla cella fino a un apposito inverter. Questo trasforma la CC in corrente alternata (CA), utilizzabile per tutte le esigenze domestiche. L’integrazione tra i due sistemi (CC e CA) è quella da cui prende nome il cablaggio.
È possibile montare tre differenti tipologie di fotovoltaico integrato, durante ristrutturazioni o nuove costruzioni: nei tetti, sulle facciate e/o nelle vetrate.
Tetti fotovoltaici
Esistono tegole e coppi fotovoltaici, realizzati in ceramica o polimeri, che riproducono l’estetica dei tetti tradizionali. Si tratta di soluzioni ideali per i centri storici, dove i vincoli paesaggistici impediscono l’apposizione di pannelli standard.
Optando per un tetto con fotovoltaico integrato, i pannelli sostituiscono integralmente gli elementi di copertura. In questo caso, l’impianto svolge una doppia funzione: non solo quella di produrre energia elettrica, ma anche quella di proteggere l’edificio dalle intemperie. Le celle si compongono di materiali durevoli e resistenti, che le rendono in grado di portare avanti ambedue i compiti. Questa soluzione si adatta bene anche a essere utilizzata nelle strutture preesistenti. In questo caso il fotovoltaico sostituirà tegole o porzioni di tetto, andando a prendere il posto della vecchia struttura.
Facciate attive
Le pareti ventilate possono diventare attive utilizzando pannelli di vetro o metallo fotovoltaico come rivestimento esterno. Oltre a produrre energia, proteggono l’edificio dagli agenti atmosferici. Questo intervento può essere più o meno visibile, a seconda del tipo di cella fotovoltaica scelta. In nessun caso, comunque, l’impatto è tale da risultare sgradevole o fuori contesto.
Un sistema integrato offrirà sempre un aspetto visivamente più apprezzabile. I pannelli solari non sporgono dall’involucro della struttura, né creano volume aggiuntivo. Questa soluzione si dimostra adatta a edifici con uno stile architettonico specifico: case d’epoca, cascine o altre realizzazioni dalle caratteristiche architettoniche particolari. In caso di costruzioni sulle quali vigono vincoli paesaggistici o culturali, la tecnologia BIPV può essere impiegata senza esporsi a divieti o sanzioni.
Gli immobili soggetti a vincoli sono obbligati a rispettare le direttive delle autorità locali al fine di preservare l’aspetto estetico della zona. Pertanto, l’installazione di un impianto fotovoltaico integrato diventa l’unica opzione per rispettare tali normative. Quando si verificano queste condizioni, non si può neppure parlare di scelta. Si deve procedere con il fotovoltaico integrato.
Vetrate fotovoltaiche
È possibile installare sistemi fotovoltaici integrati anche nelle vetrate. La tecnologia ci mette a disposizione vetri semitrasparenti che filtrano la luce, riducono l’abbagliamento interno e generano energia. Sono soluzioni applicabili ovunque ma generalmente consigliate per lucernari, serre solari e facciate continue di uffici. In contesti di questo tipo rappresentano una perfetta unione di estetica e tecnologia, donando un aspetto molto moderno all’infrastruttura e producendo energia spendibile in un secondo momento.
Lari integrate sono di ultima generazione e si caratterizzano per un notevole rendimento. Ciò giustifica il loro costo elevato, tipicamente superiore (in taluni casi di parecchio) a quello di un impianto di concezione più tradizionale.
Pro e contro degli impianti fotovoltaici integrati
| Vantaggio | Svantaggio |
Estetica: Totale invisibilità o integrazione armoniosa. | Costi: Investimento iniziale più alto rispetto ai pannelli standard. |
Risparmio Materiali: Si risparmia sul costo del materiale di rivestimento sostituito. | Efficienza: Spesso inferiore ai pannelli tradizionali a causa di orientamenti non ottimali. |
Spazio: Non richiede superfici aggiuntive oltre a quelle dell’edificio. | Manutenzione: Più complessa in caso di guasto a un singolo componente integrato. |
Nello specchietto abbiamo riportato i vantaggi e svantaggi legati all’installazione di un impianto fotovoltaico integrato domestico. Sistemi di questo tipo si caratterizzano per il basso impatto estetico e l’elevata efficienza energetica. Questa dipende, in parte, dall’esposizione, la quale deve essere ben progettata. Le celle impiegate, ad ogni modo, sono di ultima generazione e si caratterizzano per unnotevole rendimento. Il loro costo elevato, tipicamente superiore a quello di un impianto di concezione più tradizionale, si deve principalmente a questo.
Una nuova estetica
Il BIPV elimina pressoché completamente l’impatto visivo industriale dei pannelli fotovoltaici che conosciamo, nei loro pesanti colori blu oppure neri, permettendo agli edifici di mantenere linee pulite e colori naturali. Sul piano puramente estetico, il salto in avanti compiuto da questa tecnologia, rispetto a quella applicata, è considerevole. Non si tratta comunque dell’unico beneficio legato a questa innovazione.
Efficienza migliorata
Uscendo dal piano prettamente visivo, di cui abbiamo appena scritto, sottolineiamo anche come l’integrazione permetta di sfruttare superfici che, normalmente, resterebbero inutilizzate per la produzione energetica. È il caso, ad esempio, di pareti nord oppure parapetti. In questo modo, è possibile aumentare, in maniera anche considerevole, la quantità di energia totale annua generata dall’edificio.
Costi elevati
Eccoci alle note dolenti. Come si accennava, il costo dell’installazione di un sistema fotovoltaico integrato può essere considerevolmente superiore rispetto a quello di uno tradizionale, applicato sul tetto di un edificio già esistente. Ciò si deve a svariati elementi. In primis, alle necessità progettuali che richiedono calcoli e valutazioni aggiuntive in fase di stesura del progetto esecutivo. In secondo luogo, ai materiali usati, che possono essere piuttosto cari, specialmente in caso di soluzioni custom realizzate dietro richiesta particolare del committente.
Nella maggior parte dei casi, se non proprio sempre, la produzione di componenti BIPV è su misura, perché destinata all’installazione in piccoli lotti. Ciò non può che aumentare il prezzo, rispetto alla produzione massificata dei moduli standard.
Manutenzione costante
La pulizia delle facciate e il monitoraggio dei collegamenti interni richiedono protocolli specifici, poiché i componenti sono parte integrante della struttura dell’edificio. Le spese, dunque, non terminano a installazione completata, ma si protraggono.
Va detto che tutti i costi evidenziati sono ampiamente ammortizzabili, durante il corso della vita del sistema integrato. Ciò però non toglie che debbano essere ugualmente considerati da chiunque opti per un impianto fotovoltaico integrato.
Un esempio di integrazione architettonica: il progetto HEART del Politecnico di Milano
Il progetto HEART, acronimo di Holistic Energy and Architectural Retrofit Toolkit, coordinato dal Politecnico di Milano, è stato un esempio eccellente di come la tecnologia BIPV possa essere applicata alla riqualificazione di edifici già esistenti. Non occorre necessariamente innalzare una nuova costruzione per beneficiare del fotovoltaico integrato.
HEART si è chiuso nel 2021 e ha trasformato vecchie strutture abitative in edifici intelligenti. Lo ha fatto attraverso un toolkit basato su piattaforma cloud. Questo strumento si è dimostrato in grado di fornire supporto decisionale sia nelle fasi iniziali di pianificazione e costruzione, sia in quella di valutazione e monitoraggio delle prestazioni energetiche. HEART conta di ridurre il tempo impiegato per un processo di ristrutturazione di circa il 40%.
L’edificio smart, oltre a risparmiare energia, secondo moderne tecniche di isolamento, può anche reimmetterla nel sistema. Il toolkit è infatti concepito per raggiungere livelli estremamente elevati di efficienza energetica, in edifici residenziali esistenti, pensando specialmente alle regioni dell’Europa centrale e meridionale, ove i cambiamenti climatici e la transizione energetica hanno incrementato i picchi di consumo energetico, tanto in estate quanto in inverno. L’applicazione del toolkit può essere estesa anche ai nuovi edifici in realizzazione.
I requisiti da considerare
Il progetto del Politecnico si è focalizzato sulla velocità di installazione e sulla riduzione dei disturbi per gli inquilini. Il team progettuale ha utilizzato kit prefabbricati per bioedilizia, i quali includono pannelli isolanti e sistemi fotovoltaici pronti alla posa. In questa maniera, è stato possibile superare tutte le lungaggini legate alla customizzazione dei componenti BIPV. La fase della personalizzazione e produzione di componenti personalizzati è tendenzialmente la più lunga. Ridurla o eliminarla accelera sensibilmente i tempi di intervento.
I risultati del progetto
L’esperienza HEART ha dimostrato come sia possibile ridurre, anche drasticamente, il consumo energetico di edifici residenziali obsoleti, trasformandoli in costruzioni a energia quasi zero (NZEB), secondo l’acronimo inglese) grazie a un sistema integrato che gestisce, contemporaneamente, involucro, pompe di calore e fotovoltaico tramite una piattaforma cloud. Si è trattato di un brillante successo del Politecnico e ora si auspica la possibilità di poter trasferire quanto realizzato su piccola scala al più ampio ambito della bioedilizia nazionale.
Il mercato futuro dei sistemi di integrazione
Il mercato dei sistemi fotovoltaici integrati è destinato a una crescita esponenziale. Con le nuove normative europee sulla decarbonizzazione, ogni nuovo edificio dovrà essere solar ready. Se non vi saranno cambiamenti, il futuro non vedrà più pannelli applicati sopra il costruito, bensì un’edilizia che darà vita, per sua natura, a superfici cattura-energia.
La frontiera del fotovoltaico non si limita all’integrato. Sono allo studio altre forme di produzione energetica solare poco impattante, che potrebbero svilupparsi in maniera verticale, nei prossimi anni. È il caso, per esempio, dell’agrivoltaico o del fotovoltaico organico. Allo stesso modo, appare molto promettente il fotovoltaico galleggiante, che consentirebbe di gestire simultaneamente acqua ed energia. Anche in questo caso, è uno studio del Politecnico di Milano a metterne in luce le potenzialità. Chissà che non vedremo presto un progetto pilota, come HEART, concentrato su questa tecnologia.
