I prefabbricati e l'energia solare. Come migliorare le prestazioni energetiche con il sole

Uno dei motivi principali che spingono le persone ad optare per le costruzioni prefabbricate in legno nel momento in cui decidono di costruire una casa, è certamente la loro ottima resa energetica. Come abbiamo già evidenziato nel capitolo della guida sulle case in legno dedicato ai costi dei prefabbricati in legno, sono proprio le eccellenti prestazioni energetiche di queste strutture a determinarne la convenienza in termini di costi nel tempo. Ciò, ovviamente, è vincolato alla realizzazione "a regola d'arte" di tali edifici, il che comporta una grande attenzione alla realizzazione del cappotto esterno e soprattutto al sistema di isolamento, la cui posa deve essere fatta in modo tale da evitare il più possibile la formazione di ponti termici, specie nei punti di discontinuità, i più critici. 

Quindi, i prefabbricati in legno sono già di per sé strutture ad alta efficienza energetica. Ciò non significa che le prestazioni energetiche, sia termiche che elettriche, non possano essere incrementate ulteriormente in modo sostenibile facendo affidamento all'installazione di impianti ad energia rinnovabile, e ottenendo di conseguenza ulteriori risparmi in bolletta. In questo articolo prenderemo in considerazione la fonte di energia rinnovabile sicuramente più utilizzata per la produzione energetica termica ed elettrica negli edifici residenziali, il sole.

Il sole, fonte di energia pulita per il riscaldamento e la produzione di elettricità

Tra le fonti energetiche rinnovabili, il sole è certamente quella che meglio può essere sfruttata per il miglioramento delle prestazioni energetiche di una struttura in legno destinata ad uso residenziale. Per quanto non manchino esempi di strutture in legno abbastanza grandi, di tipo industriale, condominiale o turistico, la gran parte delle case prefabbricate in legno è composta da strutture mono o bi-familiari che presentano un'altezza limitata a pochi piani: due o tre al massimo. Per questa tipologia di abitazioni sono sostanzialmente due i modi per sfruttare l'energia proveniente dal sole per il miglioramento delle prestazioni energetiche dell'edificio. Da un lato essa può essere utilizzata per il riscaldamento domestico e per la produzione di acqua calda sanitaria, dall'altro per la produzione di energia elettrica. Nel primo caso si parlerà di "impianti solari termici", nel secondo caso di "impianti fotovoltaici"[1]. Vediamo brevemente in cosa consistono entrambe le tipologie di impianti.[2] 

SOLARE TERMICO

Si tratta di impianti che utilizzano la luce solare per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento domestico. Funzionano in modo molto semplice e necessitano di pochi strumenti: un collettore, un serbatoio per l'accumulo dell'acqua, un circuito di collegamento e dei sistemi di regolazione e controllo. Il collettore, immerso in un fluido, viene irraggiato dalla luce solare. Il fluido si scalda e viene trasferito ad un serbatoio di accumulo tramite un circuito di collegamento, e da questo viene portato in tutta la casa e può essere utilizzato o per l'acqua calda sanitaria oppure per il funzionamento dei sistemi di riscaldamento. Sono tre le tipologie di collettori più utilizzate:

- COLLETTORI SCOPERTI: Composti da tubicini neri attraverso i quali circola l'acqua. Riescono a raggiungere temperature intorno ai 20°C al di sopra della temperatura ambiente, quindi sono indicati per tutti quei sistemi in cui non è necessario raggiungere temperature molto elevate. In genere sono utilizzati per il riscaldamento delle piscine, oppure per la produzione di acqua calda sanitaria nelle strutture turistiche.

- COLLETTORI VETRATI PIANI: Sono la tipologia di collettori più utilizzata in ambito domestico. Sono composti da un contenitore realizzato in materiale isolante che presenta una faccia trasparente in vetro o in plastica. All'interno del contenitore si trova una lastra nera piatta che serve per l'assorbimento dell'energia solare. Il fluido (acqua o aria) si riscalda passando sopra questa lastra. Grazie a questo sistema si raggiungono temperature fino a 70°C al di sopra della temperatura ambiente, il che li rende particolarmente adatti sia per il riscaldamento dell'acqua sanitaria in ambito domestico che per il riscaldamento delle abitazioni.

- COLLETTORI SOTTOVUOTO: Sono composti da una schiera di tubi e da una lastra di metallo nero che assorbe l'energia solare, il cui calore viene trasferito al fluido. Essendo strutture sottovuoto, quindi particolarmente isolanti, le dispersioni di calore sono limitate al minimo, e si riesce a raggiungere temperature fino a 100° C al di sopra della temperatura ambiente. Sono, pertanto, adatti a quei contesti per i quali si richiede la produzione di acqua calda a temperature molto elevate.

I collettori più indicati, nonché quelli più largamente utilizzati per le case, anche per le prefabbricate in legno, sono quelli di secondo tipo. La dimensione degli impianti varia a seconda del luogo in cui ci si trova. Luoghi in cui l'irraggiamento è particolarmente elevato necessiteranno di impianti più piccoli. Al contrario, nei luoghi in cui c'è un irraggiamento minore sarà necessario installare impianti più grandi. In media, nei Paesi mediterranei gli impianti solari termici prevedono un collettore di 2-4 mq di superficie, mentre per i Paesi nordeuropei si richiedono collettori da 3-6 mq. Tali tipologie di impianti hanno un ciclo di vita che varia tra i 15 e i 20 anni.

(Collettore solare termico. Fonte immagine: www.accettabilitasociale.com)

SOLARE FOTOVOLTAICO

A differenza del solare termico, che serve per il riscaldamento domestico e per la produzione di acqua calda sanitaria, il solare fotovoltaico serve per la produzione di energia elettrica. Il suo funzionamento è molto più complesso rispetto a quello del solare termico e ci sono voluti molti decenni per giungere alle moderne applicazioni. Senza entrare nei dettagli storici, si pensi solo che i primi esperimenti sull'effetto fotovoltaico risalgono alla prima metà dell'Ottocento, ma è solo nella seconda metà del Novecento che le proprietà fotovoltaiche della luce solare hanno cominciato ad essere utilizzate per la produzione di energia elettrica, prima in modo sperimentale, poi – negli ultimi decenni – anche commerciale. Alla base del funzionamento di un impianto fotovoltaico ci sono i moduli di celle solari, realizzate solitamente in silicio a cristallo singolo o multicristallino. Esistono anche altri tipi di celle solari, realizzate in silicio amorfo o in telloruro di cadmio (queste ultime particolarmente efficienti, per quanto di recente scoperta), oltre che diverse altre modalità di costruzione attualmente in fase di sperimentazione, ma al momento la tipologia più usata e più comune sul mercato e quella in celle di silicio. Quando una cella solare è esposta alla luce, i fotoni generano cariche elettriche che, circolando in un circuito esterno, generano corrente elettrica. I progressi in questo settore sono continui e, man mano che si va avanti negli anni, il miglioramento delle prestazioni energetiche si accompagna a un abbassamento dei costi di mercato. È, inoltre, la tecnologia sulla quale vengono effettuati i maggiori investimenti, sia privati che pubblici, poiché si tratta di una tecnologia pulita, potenzialmente in grado di dare un grandissimo contributo al fabbisogno elettrico mondiale. Grazie al sistema fotovoltaico, possono essere realizzati impianti dalle dimensioni più disparate, dai più piccoli (poche decine di watt) ai più grandi (anche milioni di watt), passando per quelli intermedi utilizzati per la produzione energetica nelle case, nei condomini, nelle facciate degli edifici, nelle aziende agricole, nei capannoni industriali e così via. 

Gli impianti fotovoltaici possono essere distinti tra loro o in base al luogo di installazione (integrati o non integrati) o in base alla connessione alla rete (stand alone o grid connected). In base al luogo di installazione si avranno impianti integrati, cioè realizzati sui tetti, sulle coperture o sulle facciate degli edifici, e impianti non integrati, messi per lo più a terra o su installazioni autonome. In base alla connessione alla rete, si avranno impianti stand alone quando l'energia elettrica prodotta viene utilizzata in modo autonomo solo per l'edificio o per il sistema nel quale sono installate, o impianti grid connected quando gli impianti sono connessi alla rete elettrica pubblica alla quale cedono energia quando questa è in eccesso rispetto alle esigenze, o dalla quale prendono energia quando questa è in misura inferiore rispetto alle esigenze. Gli impianti stand alone in genere sono indicati solo per quei luoghi in cui non c'è la possibilità di allaccio alla rete elettrica pubblica, ad esempio in  luoghi di montagna o in località isolate. Per le case, anche per quelle in legno, in genere la tecnologia utilizzata è quella grid connected con impianti integrati, su tetti o sulle facciate, poiché il fabbisogno elettrico è costante e, in questo modo, è possibile usufruire dell'energia proveniente dalla rete anche quando le condizioni esterne non permettono la produzione di energia elettrica dall'impianto fotovoltaico.  

(Impianto fotovoltaico integrato. Fonte immagine: oxfordsolar.energyprojects.net)

Concludendo, ribadiamo ancora una volta che il fabbisogno energetico termico di un prefabbricato in legno è già di per sé molto basso, poiché si tratta di strutture che, se correttamente realizzate e isolate a regola d'arte, sono altamente efficienti e hanno sprechi termici molto bassi. Per questo motivo, se si ha intenzione di corredare la propria casa con impianti ad energia rinnovabile, è sempre importante che già in fase di progettazione si faccia attenzione a non realizzare impianti sovradimensionati rispetto alle reali esigenze delle persone che in quella casa vivranno. Non avrebbe senso realizzare impianti enormi, affrontando spese più alte del necessario per poi utilizzare solo una parte dell'energia prodotta. Lo stesso discorso può essere fatto anche per la produzione energetica elettrica. Gli impianti vanno valutati attentamente con il proprio progettista fin dall'inizio, al fine di evitare sovradimensionamenti e costi eccessivi inutili. 

[1] Esiste anche il cosiddetto "Solare termodinamico", che funziona utilizzando il vapore generato dal riscaldamento dell'acqua per la movimentazione di turbine e la conseguente produzione di energia elettrica. Ma, affinché possano essere sostenuti cicli termodinamici, è necessario che vengano raggiunte temperature molto elevate grazie all'ausilio di lenti o specchi per catturare la luce solare. La necessità di particolari condizioni di irraggiamento fa sì che questo tipo di impianto sia indicato solo per alcune zone del pianeta, e comunque per la produzione di grossi quantitativi di energia, quindi non avrebbe senso considerare tali impianti per la tipologia di strutture cui ci riferiamo in questo articolo.

[2] Le informazioni che seguono in merito al funzionamento del solare termico e del solare fotovoltaico sono tratte principalmente da P. Menna, F. Pauli, L'energia solare, Il Mulino, Bologna, 2010