Appunti di Progetto degli impianti tecnici degli edifici

Lezione 13/09

Argomenti del corso

In Italia l’energia è materia concorrente, cioè lo Stato fa delle leggi ma le Regioni sono libere di inasprire quanto fatto dallo Stato. Si parlerà di normativa europea, che implica la scrittura di direttive, anche in materia di energia (EBPV).

Bisogna prima capire le normative per poter capire quale tecnologia applicare; poi studieremo i sistemi che possono essere applicati. Il corso è abbastanza spostato verso l’uso delle fonti di energia rinnovabili, ora questo tema diventa ancora più cogente. Non c’è più un sovrapprezzo sulle rinnovabili perché c’è solo un costo di investimento, che è pianificabile, quindi è più conveniente. Le rinnovabili non hanno un costo di utilizzo (la luce solare non costa).

Molte cose in futuro funzioneranno a energia elettrica (piano nazionale italiano: PNIEC), gli obiettivi sono l’efficienza energetica in primo luogo e poi sostituire le fossili con le rinnovabili. È più conveniente usare rinnovabili elettriche di rinnovabili termiche secondo il governo italiano, per questo ci si sta spostando verso un processo di elettrificazione del sistema energetico per decarbonizzare (nel concreto significa togliere le caldaie e mettere pompe di calore).

Soluzioni tecnologiche che analizzeremo

• Scambiatori di calore (studio di fisica della trasmissione del calore di questo componente) conoscere la teoria e 2 metodi di calcolo per il dimensionamento.
• Soluzioni tecnologiche per la produzione di energia termica:
  • Caldaie.
  • Caldaie a gas (come sono fatte, distinzione tra le categorie, a temperatura costante, a temperatura scorrevole, a condensazione).
  • Pompe di calore.
  • Pompe di calore ibride (forse) sono una soluzione tecnologica che prevede l’accoppiamento di una caldaia con una pompa di calore (la caldaia copre l’esigenza energetica a più alta temperatura). È una risposta reale perché non sempre il sistema a pompa di calore funziona bene.
  • Pompe di calore a gas.
  • Impianti solari termici, che hanno perso mercato ma hanno ancora un senso per la produzione di acs e per gli impianti centralizzati (introduzione sull’irradianza solare degli edifici, un paio di lezioni sul funzionamento dei collettori, quali sono i fenomeni fisici, quali sono i metodi di dimensionamento).
  • Reti idroniche con approfondimento sulla differenza tra bilanciamento di una rete e controllo, quali tecnologie si usano per il bilanciamento, metodi di calcolo per il bilanciamento.
  • Impianti ad aria (3 lezioni) definizione del tipo di tecnologie che si utilizzano, distinzione tra impianti a tutt’aria e impianti misti, diagramma psicrometrico, definizione delle portate volumetriche, come parametro di dimensionamento per canali, UTA.
• Impianti fotovoltaici e dimensionamento (avere impianti sui tetti significa avere meno strutture necessarie a portare energia in giro, fondamentali per l’elettrificazione del sistema).
• Impianti di teleriscaldamento (quarta e quinta generazione, cioè alimentato da fonti rinnovabili) 1 lezione; il processo di decarbonizzazione delle città passa per l’uso di energia negli edifici, e in particolare il riscaldamento. Ridurre le emissioni di CO2 legate al riscaldamento è fondamentale. Può essere più economicamente conveniente usare impianti centralizzati per la generazione di energia termica rispetto a impianti distribuiti soprattutto in zone densamente abitate. La centralizzazione porta a dei vantaggi in termini di efficienza e di uso delle rinnovabili, inoltre dà possibilità di recuperare l’energia termica (utilizzo dell’energia dei centri di elaborazione dati, dove l’energia di raffreddamento delle macchine non deve essere dispersa in ambiente). Gli impianti solari termici sono usati solo per il teleriscaldamento e per la produzione di acs.
• LCA (Life Cycle Assessments) metodi normati per la valutazione dell’impatto ambientale di prodotti e servizi, che cominciano ad essere applicati all’ambito immobiliare. Nei bandi si parla di 10 sfide (la sfida 1 e la sfida 3 parlano di energia 0). A lezione si farà un inquadramento teorico e un esempio di calcolo.

Esame

Prova orale (definizioni, metodi di dimensionamento, modo in cui funzionano, analisi critica del funzionamento per accedere al voto più alto). Se si aprono delle discussioni durante le lezioni si alleggerisce il carico della valutazione finale. Esercitatrice per esercizi sul solare termico e sulle reti idroniche. L’esercitazione non c’è su tutti gli argomenti, per esempio sulle caldaie non c’è.

Caserini lezione sui cambiamenti climatici (forse). Martedì: 9.15. Mercoledì: 8.30. No lezioni virtuali (solo in caso di problema specifico, contattare in caso di necessità).

Lezione 20/09/2022

Energy union, EU energy related directories, roadmap 2050 and Italian NPEC 2030

Podcast ZERO di Emanuele Compani sui temi della transizione. A differenza dell’Italia, la Germania ha messo a punto un piano di regole più sfidante, più ambizioso di quello proposto dall’Unione Europea. Per questo motivo per quanto riguarda l’Italia si studia quanto proposto dall’Europa poiché si è sempre solo adeguata a questi obiettivi imposti. La Germania e la Danimarca hanno fatto autonomamente scelte diverse. Principalmente per ragioni economiche: essere leader nella produzione di energia, ad esempio, permette di esportare e di guadagnare.

Una parte della legge 10 restò inattuato (legato alla penetrazione delle rinnovabili) a causa dell’assenza del decreto legislativo. Si vide l’applicazione dei decreti attuativi poco tempo prima che la legge venisse abrogata. Questa condizione è emblematica per definire la situazione italiana in campo legislativo. Per l’Europa i vincoli sono fissati e i limiti di tempo imposti in modo chiaro; i cambiamenti avvenuti in Italia sono avvenuti principalmente grazie alle direttive europee, non grazie alle leggi italiane.

The energy union: strutture e obiettivi

L’Unione energia è un progetto che è stato varato nel 2015; l’idea generale è che si crei un contesto di norme e di regole tale per cui si assicuri ai cittadini dell’unione l’approvvigionamento sicuro ed economicamente sostenibile delle risorse energetiche. L’Unione Europea tendenzialmente importa vettori energetici; il gas a parte qualche produzione autoctona era importato dalla Russia e dal Nord Africa e da Paesi in Medio Oriente per il TAP. Lo sforzo per garantire la sicurezza è stato piuttosto fallace, come si è visto dopo la guerra russa.

Accordo di Parigi: accordo internazionale per combattere i cambiamenti climatici, quindi in prima battuta per ridurre le emissioni. È molto importante perché è la prima volta che si trova un accordo firmato da quasi tutti i Paesi del mondo. Durante le COP (conferenze delle parti) si è trovato un accordo, mentre in passato i Paesi emergenti accusavano i Paesi che erano già ricchi avendo sfruttato le risorse senza preoccuparsi delle conseguenze. In occasione dell’accordo di Parigi si definì l’obiettivo comune: far sì che la temperatura media dell’atmosfera non superi un determinato livello (se lo superasse ci sarebbero dei disastri che non permetterebbero di tornare ad una situazione vivibile). Quindi l’accordo prevede l’aumento di non più di 1,5°C entro una certa data. L’obiettivo è quindi decarbonizzare entro il 2050: ovvero non emettere più CO2 entro il 2050. La concentrazione di CO2 continua ad aumentare nel tempo, quindi per far sì che si raggiunga l’obiettivo di contenimento della temperatura bisogna limitare la concentrazione di CO2 entro il 2050. Oggi studi recenti suggeriscono di essere ancora più rigidi perché è possibile, data l’accelerazione di certi fenomeni, di evitare di emettere CO2 in atmosfera raggiungendo la neutralità carbonica ancora prima.

5 dimensioni dell’unione dell’energia

Si tratta di 5 vincoli:

• Sicurezza, solidarietà e affidabilità della fornitura: significa che l’energia è un bene primario e non ci possiamo trovare in condizioni in cui la gente non abbia energia per vivere.
• Un unico mercato dell’energia in tutta l’unione.
• Efficienza energetica per la riduzione della domanda: l’unione si dà a questo motto: “energy efficiency first”, per cui prima di pensare di decarbonizzare bisogna prima pensare a ridurre la domanda.
• Decarbonizzazione dell’economia (in tutte le sue dimensioni).
• Ricerca, innovazione e competitività: questa dimensione è sempre più interessante; in passato c’era molta meno attenzione a questo tema. Il settore degli impianti sta cambiando in maniera così veloce che non ha senso parlare di un’unica soluzione tecnologica. Questo non vale solo per gli impianti, ma anche per le tecnologie costruttive relative alla costruzione di edifici.

Energy security, solidarity and trust

L’obiettivo era diventare più indipendenti dalle fonti esterne e questo è il punto che è fallito di più. Il fattore scatenante è stata la guerra in Ucraina. La guerra ha messo in crisi l’idea della sicurezza del sistema, l’uso delle rinnovabili non ha solo la dimensione della decarbonizzazione ma ha un impatto significativo anche sulla sicurezza del sistema. L’impatto non è solo sull’approvvigionamento ma anche di tipo economico.

Le rinnovabili garantiscono la stabilità del prezzo: la parte più importante è il costo di investimento dell’impianto, che viene ammortato nel corso degli anni. Questo costo, considerando costante la radiazione solare, mi garantisce che l’energia prodotta è sempre la stessa. Il problema attuale di aumento di costo delle bollette non ci sarebbe se si usassero solo le rinnovabili, in cui il costo è quasi tutto costo di investimento e per questo so che l’energia negli anni costa sempre uguale. La sicurezza di approvvigionamento quindi è un valore. Essere in grado di stabilizzare il rischio permette di stabilizzare la società ed i servizi forniti.

Tra i problemi legati a questo tema di sicurezza della fornitura c’è lo sviluppo di una strategia sul gas liquido. Il gas arriva a destinazione mediante i gasdotti, quindi una strategia per differenziare le fonti prevede la differenziazione del trasporto del gas (ad esempio dagli USA arriva mediante gas liquido, attraverso le metaniere, ovvero delle navi e all’arrivo deve essere rigassificato; questo processo aumenta il numero di potenziali acquirenti e la sicurezza). In Italia i rigassificatori sono a Ravenna e in Liguria a Porto Venere, inoltre ce ne sono in progetto altri 3, uno dei quali a Piombino e 2 mobili (sono delle navi). Il gas in arrivo dalle navi deve essere scaldato perché il passaggio di stato è garantito solo dalla fornitura di energia termica.

Mercato dell’energia completamente integrato

Questo significa collegare mercati attraverso cooperazioni regionali, potenziando anche le connessioni fisiche tra i Paesi dell’unione. È necessario inoltre un governo per il mercato dell’elettricità europeo.

Il mercato italiano è molto influenzato dal mercato del gas, è una specie di asta ogni quarto d’ora, chi offre il prezzo migliore entra nel mercato finchè non si satura la domanda e poi si remunerano tutti al prezzo offerto dall’ultimo entrato nel mercato. Per questo la remunerazione di tutti oggi avviene ad un prezzo molto alto, anche per chi non si remunera a gas. Questa cosa è fortemente distorsiva dei valori economici del mercato ed ha aperto il dibattito sul tema degli extra profitti di chi produce energia elettrica.

Efficienza energetica

È il tema principale, uno dei pilastri dell’Unione: se dobbiamo investire facciamolo per ridurre la domanda; questo perché permette di usare meno risorse. L’obiettivo di questa dimensione dell’Unione è trattare le azioni che riguardano l’efficienza energetica così come si trattano le fonti, concentrandosi sui due settori principali, ovvero i trasporti e gli edifici. Il consumo energetico dei Paesi occidentali si dividono in trasporti, edifici e industria (circa 1/3 ciascuno). Noi siamo interessati alla categoria degli edifici, su cui c’è un potenziale più alto perché è più difficile far risparmiare agli edifici. Il pezzo più grosso di investimenti nel processo di decarbonizzazione è sui trasporti.

Gli edifici sono un pezzo facilmente attaccabile dal punto di vista degli investimenti. L’UE si occupa di rivedere la EPBD (energy performance building directive), dei livelli di classificazione energetica, di proporre un pacchetto di azioni sui trasporti e l’idea di supportare lo sviluppo di strumenti finanziari che accelerino questa trasformazione.

Decarbonizzazione

L’azione su questa dimensione è far sì che l’Europa diventi la guida per le scelte politiche, per la produzione di energia e per l’esportazione della stessa. Ergersi ad essere la guida nel promuovere l’uso di certe tecnologie significa anche essere in grado di produrre valore aggiunto.

Quindi è necessario un aumento significativo di investimenti su misure alternative, la messa in campo di azioni sulla riduzione di emissioni di CO2 in una misura del 40% e la revisione del Renewable Energy Directive.

ETS: emission trading system, un sistema di diritti di emissione che si applica a tutti i settori industriali che hanno un’incidenza molto forte sulla emissione. Alcuni sistemi industriali molto energivori sono responsabili di parti significative di emissione (produzione di acciai, cemento, di energia elettrica). Questi soggetti industriali devono comprare dei certificati in funzione di quante emissioni rilasciano in atmosfera. Questo meccanismo permette di creare una specie di tassa sul carbone, che viene poi reinvestita per ridurre le emissioni; inoltre se aumenta il costo dei certificati la gente è più stimolata a ridurre le emissioni.

Stanno sotto ETS solo i sistemi più emissivi, non tutta l’economia. Anche gli edifici staranno sotto ETS dal 1 gennaio 2026, anche gli edifici avranno quindi una carbon tax. Nel percorso dell’Unione è prevista una revisione del meccanismo ETS (che è già stata fatta) e una nuova regolamentazione su LULUCF, ovvero sull’uso dei terreni di forestazione, sulla gestione dell’agricoltura (quante emissioni vi sono collegate) e sulla gestione della forestazione per calcolare quante emissioni sono assorbite dalla riforestazione di alcune aree.

Ricerca, innovazione e competitività

Riguarda soprattutto le università ma sta diventando molto importante anche a livello industriale.

Governance of the energy union

Come è previsto che funzioni? È necessario che il sistema sia organizzato, come prima cosa agli stati membri è stato chiesto di scrivere gli NEPC. Il piano con tutte le azioni che prevedono tutti i livelli di decarbonizzazione fino al 2030 è stato mandato a Bruxelles e fa parte della struttura del governo dell’Unione.

L’Unione ha suddiviso gli obiettivi a tutti i Paesi membri (28), in base a come funziona il sistema energetico, all’evoluzione economica ed ha chiesto di fare un piano per raggiungere questi obiettivi. Queste azioni sono state fatte nel 2018 e sono entrate in vigore nel 2021 (valide dal 2021 al 2030, anno in cui verranno raggiunti questi obiettivi). Saranno necessarie delle revisioni ai piani perché nel frattempo l’Unione ha inasprito gli obiettivi (fit for fifty five). Quindi il rifacimento del piano diventa necessario nel momento in cui si cambiano gli obiettivi.

31/12/2018: prima consegna del PNIEC (NEPC italiano). 31/12/2020: tutti gli Stati membri hanno consegnato il piano. Obiettivi: riduzione del 50% di emissioni entro il 2030 (primo piano, steso nel 2018); emissioni 0 nel 2050 (revisione del piano, ma meno dettagliato perché non si conoscono le tecnologie che saranno presenti nel 2050).

3 direttive principali: RED, EED, EPBD

RED: Renew Energy Directive insiste sul raggiungimento degli obiettivi delle rinnovabili.

EED: Efficiency Energy Directive obiettivi di risparmio, derivano misure di contenimento sui consumi all’utenza (sostituzione delle lampade a incandescenza con lampade a basso consumo).

EPBD normativa che ha introdotto la certificazione energetica in Europa, ha espresso il concetto di nzeb, l’idea della minimizzazione di consumo di energia da fossili. Una serie di concetti che hanno accompagnato il settore dell’edilizia. Viene periodicamente aggiornato. L’attuale obiettivo è in realtà il 55% (fit for fifty five). Nel 2018 sono state fatte nuove versioni delle 3 direttive principali per aggiornarle. La scelta della rivisitazione di queste direttive è legata al fatto che man mano si definisce nuovamente l’obiettivo. In tutti gli esercizi di scenario la pietra angolare delle costruzioni è sempre un piano di riqualificazione degli edifici massivo. Il futuro si dovrà occupare di riqualificazione, senza dubbio, perché non ha molto senso agire solo sulle rinnovabili senza prima riqualificare: richiederebbe degli investimenti troppo importanti.

RED II

L’obiettivo in vigore è il 32%. Questi obiettivi sono vincolanti per tutti gli Stati membri, ci sono obiettivi vincolanti anche sui trasporti (almeno il 14% entro il 2030). È prevista almeno una certa penetrazione di biocombustibili.