Finestre e facciate con celle fotovoltaiche: l’asso nella manica dell’edilizia sostenibile

Il futuro energetico delle prossime generazioni dipende principalmente da come si riuscirà a immagazzinare sempre meglio l’immensa energia elettromagnetica liberata dal sole.

Le radiazioni solari sono parte integrante della vita del nostro pianeta e rappresentano la fonte primaria di energia disponibile sulla Terra.

Da diversi decenni la scienza è riuscita a captare e a conservare l’energia della stella nel modo più diretto possibile: attraverso l’uso dell’effetto fotovoltaico questa energia incidente è trasformata in energia elettrica. E per migliorare ulteriormente il rendimento, per unità di superficie delle celle fotovoltaiche, si segue il processo di sviluppo e miniaturizzazione dei componenti coinvolti, così come è avvenuto con successo nel campo dei transistor.

In questa direzione ci stanno portando numerosi studi e applicazioni il cui fine è quello di assicurare la massima efficienza energetica agli edifici, in modo da porsi in linea con una delle sfide più cruciali per l’umanità: ridurre le emissioni di CO2 così da contrastare in maniera proattiva il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici a esso strettamente relazionati.

Del resto, siamo tutti ormai consapevoli del ruolo fondamentale che le fonti rinnovabili rivestono in un’edilizia sostenibile e il più possibile a impatto zero.

SOMMARIO:

Finestre e facciate con celle fotovoltaiche: l’asso nella manica dell’edilizia sostenibile

• Il ruolo delle fonti rinnovabili nell’edilizia sostenibile
• Celle fotovoltaiche applicate a finestre e facciate: gli sviluppi della scienza
• Facciate e finestre fotovoltaiche: i nuovi progressi
• Fotovoltaico ed efficienza energetica: un binomio di successo
• Finestre e facciate con celle fotovoltaiche: quali tecnologie?
• Estetica delle finestre fotovoltaiche
• Pro e contro delle finestre e facciate con celle fotovoltaiche
• Da COS.FER serramenti e infissi dalla massima efficienza energetica

Il ruolo delle fonti rinnovabili nell’edilizia sostenibile

Si stima che il comparto edile sia responsabile di circa il 40% delle emissioni di CO2 in atmosfera. Se ne deduce l’importanza strategica di mettere in atto una serie di interventi che permettano di accelerare il suo processo di decarbonizzazione.

Tra gli obiettivi più ambiti nel contesto di un’edilizia che possa considerarsi davvero sostenibile emerge il raggiungimento del più alto livello di efficienza energetica possibile, tanto negli immobili di nuova costruzione quanto in quelli sottoposti a ristrutturazione.

Oltre a consentire di salvaguardare le nostre risorse naturali, un simile approccio può essere considerato una delle azioni più impattanti per abbattere le emissioni di CO2 e degli altri gas serra.

Cambiare rotta è possibile e lo si può fare con una certa rapidità. Tra le opere di più grande rilevanza per procedere con la decarbonizzazione del settore edile, un ruolo di primo piano è occupato dalla possibilità di produrre energia a partire da fonti rinnovabili come il sole negli immobili stessi.

Al centro del dibattito che riguarda l’edilizia sostenibile del presente e del futuro spicca d’altronde il tema dei cosiddetti nZEB, acronimo che sta per “nearly Zero Energy Building” ovvero “edificio a energia quasi zero”. Si tratta di edifici contraddistinti da un’efficienza energetica molto elevata.

A introdurre il concetto di nZEB è stata la direttiva 2010/31/UE, dove questa particolare tipologia di immobile viene descritta come “edificio ad altissima prestazione energetica in cui il fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo è coperto in misura significativa da energia da fonti rinnovabili, prodotta in situ”.

A oggi ogni paese membro dell’Unione Europea ha recepito le direttive comunitarie, definendo criteri e requisiti per la realizzazione degli edifici ad energia quasi zero. A partire da gennaio 2021, l’obbligo NZEB è stato tra l’altro introdotto nel nostro paese per tutti i nuovi edifici o per gli interventi che prevedono una demolizione e una successiva ricostruzione.

Per la realizzazione di edifici a energia quasi zero risultano centrali alcune misure strutturali e l’adozione di specifiche tecnologie.

In quanto produttrici di energia rinnovabile, anche le finestre e le facciate con celle fotovoltaiche possono essere considerate componenti edili determinanti per la creazione di simili immobili che hanno un impatto minimo sull’ambiente e che contribuiscono in maniera estremamente efficace alla lotta contro il riscaldamento globale e i correlati cambiamenti climatici.

Celle fotovoltaiche applicate a finestre e facciate: gli sviluppi della scienza

L’essere umano non può fare a meno di consumare energia. La stragrande maggioranza delle sue attività deriva proprio da essa. Nel contempo, però, l’uomo si trova più che mai a fronteggiare il delicato compito di ridurre l’impatto ambientale derivante dalla produzione energetica. Proprio in quest’ottica da svariato tempo l’attenzione mondiale è sempre più focalizzata sulle fonti rinnovabili.

I passi compiuti in tal senso sono già significativi ma l’innovazione è destinata ancora a stupirci.

Da diversi anni si sono sviluppate specifiche tecnologie per usare le fonti rinnovabili come il fotovoltaico in diversi ambiti. Nel ventaglio di applicazioni possibili, la scienza si sta muovendo con grande impegno anche nel tentativo di sfruttare le potenzialità delle celle fotovoltaiche applicate a finestre, facciate e in generale al settore edile.

Risale ad alcuni anni fa una interessante ricerca che ha sviluppato delle pellicole colorate con pigmenti speciali. Queste, applicate alle vetrate dei serramenti e delle facciate, sono in grado di concentrare in modo selettivo la radiazione solare.

La ricerca è stata condotta dal dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa, congiuntamente a esperti dell’Università di Groningen in Olanda.

La scoperta prevede che il trasporto attivo dell’energia solare avvenga tramite un processo foto fisico conosciuto con l’acronimo FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer o trasferimento di energia per risonanza): la pellicola, per svolgere il lavoro di concentrazione delle radiazioni solari utilizza dei pigmenti speciali, detti fluorescenti.

L’energia elettromagnetica del sole, così concentrata, può essere convertita in energia elettrica da opportune celle fotovoltaiche dagli ingombri ridotti, e collocate nei serramenti degli edifici. Ma l’uso di questi pigmenti fluorescenti consente la fabbricazione di pellicole dai diversi colori che, oltre a migliorare la resa produttiva di energia elettrica, sono in grado di aumentare il comfort visivo e l’estetica dell’ambiente, con una perfetta integrazione sotto il profilo edile.

Facciate e finestre fotovoltaiche: i nuovi progressi

La scienza continua nel frattempo a fare enormi passi in avanti rispetto a questa tecnologia destinata a essere un pilastro nel futuro energetico dell’intero pianeta.

Un’ulteriore importante novità nella realizzazione di dispositivi fotovoltaici integrabili negli edifici nel pieno rispetto della loro estetica è stato di recente e ancora una volta compiuto nel nostro paese, grazie a una ricerca condotta da un team di specialisti italiani, coinvolgendo  l’Università di Milano – Bicocca e l’Istituto di Struttura della Materia del CNR.

Dal lavoro sinergico degli esperti è nato un innovativo materiale per la creazione di concentratori solari luminescenti (LSC) trasparenti integrati nelle finestre fotovoltaiche con elevata efficienza energetica. Il nuovo materiale è stato sintetizzato mediante un processo innovativo a basso impatto ambientale, capace di ridurre il rapporto in peso tra scarto e prodotto, indicatore comunemente noto come E factor.

Quelli appena citati sono solo alcuni tra i numerosi esempi di ricerche tecnico-scientifiche condotte sull’argomento. L’interesse globale rispetto alle finestre e facciate con celle fotovoltaiche è notevole e ci si attende significativi sviluppi nell’immediato futuro e sul lungo termine.

Fotovoltaico ed efficienza energetica: un binomio di successo

Partiamo dal presupposto secondo cui in qualsiasi edificio il rivestimento di facciata inclusivo delle finestre è una componente di primaria importanza per l’isolamento termico e per quello acustico.

Realizzare la facciata di un immobile con prodotti di ultima generazione dalle elevate prestazioni isolanti costituisce già di per sé un punto di partenza cruciale per assicurare l’efficienza energetica dello stesso. Ma le cellule fotovoltaiche applicate a facciate e finestre rappresentano un’ulteriore enorme opportunità offerta a progettisti, architetti, ingegneri e costruttori per raggiungere l’essenziale obiettivo della realizzazione di edifici a energia quasi zero.

Allo stato attuale, le finestre e facciate con celle fotovoltaiche sono impiegate soprattutto sugli edifici commerciali ma le nuove soluzioni iniziano progressivamente a diffondersi anche nell’ambito dell’edilizia privata. Un recentissimo esempio lo troviamo in un condominio di sette piani ospitato nel pieno centro di Milano.

Nel 2020, l’immobile in questione è stato interamente ristrutturato, con l’integrazione sulla propria facciata di un impianto fotovoltaico di 156 metri quadrati, dotato di una potenza nominale di 17,85 kWp. Ma siamo solo all’inizio di un percorso che promette grandi traguardi a supporto del futuro energetico dell’umanità.

Finestre e facciate con celle fotovoltaiche: quali tecnologie?

Quali sono a oggi le principali tecnologie fotovoltaiche applicabili a finestre e facciate? Tra le tecnologie ormai consolidate nell’ambito del fotovoltaico rientrano le celle in silicio cristallino che nel corso degli anni hanno dimostrato di essere performanti, solide oltre che  piacevoli da un punto di vista estetico.

Simili celle fotovoltaiche hanno tuttavia conosciuto uno scarso uso nelle finestre e facciate fotovoltaiche principalmente a causa della loro trasparenza non uniforme.

Accanto al tema dell’efficienza energetica è d’altronde opportuno ricordare la necessità per le soluzioni proposte di integrarsi con l’estetica dell’edificio. In tal senso una delle tecnologie più idonee ad adattarsi a questo tipo di applicazione si ha nel fotovoltaico organico a film sottile, la cui trasparenza supera l’80%.

Il fotovoltaico organico possiede caratteristiche fisiche che lo rendono paragonabile alle vetrate tradizionali ma come punti deboli sono da segnalare la bassa efficienza e la scarsa durata. Si sta quindi lavorando per ottenere prodotti che siano capaci di conciliare in modo più proficuo le diverse necessità.

Estetica delle finestre fotovoltaiche

Tra i vari progetti in corso, la sfida di creare pannelli solari trasparenti cercando di integrarli nelle finestre dei nostri edifici è stata accolta da un gruppo di ricercatori coreani della Incheon National University.

Sotto la direzione del professor Joondong Kim, il team di esperti ha combinato dei semiconduttori, come il biossido di titanio (TiO₂) e l‘ossido di nichel (NiO), entrambi dotati di trasparenza, così da ottenere una eterogiunzione capace di generare corrente elettrica nel momento in cui viene illuminata.

Rientrano a pieno titolo nelle nuove tecnologie capaci di abbinare l’efficienza energetica con l’estetica degli edifici anche le già citate finestre fotovoltaiche basate su concentratori solari luminescenti e ideate presso l’Università di Milano-Bicocca. Come spiega il prof. Franco Meinardi, tra i direttori della ricerca, il trucco consiste nel disaccoppiare il processo di assorbimento della luce dalla sua conversione in energia elettrica.

Mettendo in atto tale disaccoppiamento è stato così possibile ottenere delle finestre fotovoltaiche semitrasparenti e sostanzialmente incolori, facilmente integrabili nelle facciate degli edifici.

Pro e contro delle finestre e facciate con celle fotovoltaiche

Le finestre e le facciate con celle fotovoltaiche possono assicurare una serie di indiscutibili vantaggi agli edifici in cui vengono installate, a partire da quelli di carattere ambientale.

In un momento storico in cui la preoccupazione mondiale è concentrata nella ricerca di soluzioni efficaci per ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera, le finestre e le facciate con celle fotovoltaiche rappresentano una soluzione efficace per contribuire a un simile obiettivo.

In gioco c’è non solo il futuro energetico ma anche quello dell’essere umano stesso. Per chiunque abbia un minimo di coscienza ecologica è chiaro che continuare a emettere in maniera indiscriminata gas serra nell’atmosfera può portare la salute del nostro pianeta a un punto di non ritorno.

I cambiamenti climatici e le tante conseguenze che ne derivano, a partire dalla desertificazione di interi territori fino al prodursi di eventi atmosferici estremi, sono il più evidente segnale del pericolo che l’intera umanità sta correndo. L’adozione di soluzioni che mirano a un migliore efficientamento energetico è quindi tra i passi più rilevanti da compiere per poter fare la differenza.

Le facciate e le finestre fotovoltaiche sono strutture stabili e resistenti, oltre a rivelarsi soluzioni utili sotto il profilo dell’isolamento termico ed acustico. Tra i risvolti positivi più ragguardevoli di queste tecnologie non va poi dimenticata la possibilità di autoprodurre energia, opportunità che comporta per ovvie ragioni benefici di tipo economico.

L’unico neo di una simile soluzione si ha nel fatto che le finestre e le facciate fotovoltaiche sono posizionate a 90 gradi in verticale. Rispetto a un impianto fotovoltaico tradizionale che può essere orientato in base all’irraggiamento solare, la produzione energetica risulta perciò ridotta. Il rendimento è comunque nel complesso buono.

A oggi l’utilizzo di finestre e facciate con celle fotovoltaiche sugli edifici commerciali e sui grattacieli è ormai avviato con successo ma anche l’uso su scala domestica inizia a essere tracciato. La strada è insomma aperta e non mancheranno di sicuro ulteriori applicazioni con risultati di grande profilo.

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