Corso di Fisica Tecnica Ambientale –- Architettura-energia-ambiente: introduzione alla sostenibilità
Laboratorio Integrato 1°anno CLASARCH indirizzo sostenibilità
Architettura-energia-ambiente:
introduzione alla sostenibilità
Università IUAV - Venezia
Cos’è la sostenibilità
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)
Il concetto di
sostenibilità nasce
dalla consapevolezza
che l’equilibrio del
pianeta Terra è
fragile
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
eventi
uomo cacciatore che
non usa il fuoco
scoperta del fuoco
uomo cacciatore che
usa il fuoco
consumi
pro-capite
percentuale del
consumo
attuale
10 MJ/die
(2500 kcal/die)
0,1 tep/ anno
1%
20 MJ/die
0,2 tep/ anno
2%
200000
40 MJ/die
4%
8-10000
anni da ora
rivoluzione agricola
uomo agricoltore
allevamento
navigazione a vela
ruota
mulini ad acqua
mulini a vento
rivoluzione industriale
uomo tecnologico
macchina a vapore
combustibili fossili
elettricità
100 MJ/die
10%
200 -250
uomo nelle società
industrializzate
energia nucleare (1942)
1000 MJ/die
9 tep/anno
100%
0
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)
Æ Q 1 = L + Q2
Æ L + Q2 = Q1 (sembrerebbe)
Esiste però il secondo principio.
Nella realtà:
Q1 – Q2 = L + Ta·ΔSirr (ciclo diretto)
Æ Q1 = L + Q2 + Ta·ΔSirr Æ 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.
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 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.
• 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).
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
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.
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:
⎛ Ta ⎞
l = q1 ⋅ ⎜⎜1 − ⎟⎟ + he − hu − Ta ⋅ (se − su ) +
⎝ T1 ⎠
ωe2 − ωu2
+
+ g ⋅ (ze − zu )− Δsirr ⋅ Ta
2
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.
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
•
•
•
•
•
•
Carbone
kg
Petrolio
barile
Gas naturale
m3 standard
Fissione Nucleare – non autofertilizzante
Le fonti rinnovabili
•
•
Combustibili fossili:
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)
•
Uso razionale dell’energia (Legge 10-1991 – DL 192
-2005)
RSU
Fissione Nucleare autofertilizzante e Fusione
Nucleare
Consumi energetici mondiali nel 2004 (Mtep)
Ex- Unione Sovietica
OPEC
OCSE
Africa sub-sahariana
Nord Africa
Africa
Medio Oriente
Pacifico
India
Asia meridionale
Giappone
Cina
Asia orientale
America latina
USA
Nord America
Russia
CSI*
UE (25)
UE (15)
Europa
0
1000
2000
3000
4000
5000
Consumi mondiali per fonti primarie (Mtep)
12000
10000
Gas Naturale
Carbone
Petrolio
Energia Elettrica
Biomasse
Geotermia
Solare termico
Totale
8000
6000
4000
2000
0
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
6000
2004. Consumi per area geografica e fonte (Mtep)
Africa sub-sahariana
Nord Africa
Africa
Medio Oriente
Pacifico
India
Asia meridionale
Giappone
Cina
Asia orientale
America latina
USA
Nord America
Russia
CSI*
UE (25)
UE (15)
Europa
0
Petrolio
200
Gas
400
Carbone
600
800
Elettricità
1000
Biomassa
1200
1400
Calore
Centrali solari a concentrazione
Solare termodinamico / Progetto Archimede
Il panorama energetico: statistiche italiane
Consumo di energia in Italia. Fonte: Libro Bianco sull’energia ENEA 2005
Fabbisogno Energetico:
195.5 Mtep
Popolazione:
56 Milioni
Consumi italiani di energia per fonte nel
2004 (195,5 Mtep)
=> Procapite: 3.5 tep/anno
Usi finali dell'energia in Italia nel 2004
(143,3 Mtep)
Combustibili solidi
Industria
Gas naturale
Trasporti
Prodotti petroliferi
Residenziale e
terziario
Agricoltura
Fonti rinnovabili
Usi non energetici
Importazioni nette
energia elettrica
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.
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).
Consumo italiano di energia primaria (Mtep)
Combustibili solidi
200
180
Gas naturale
160
140
Prodotti petroliferi
120
100
Fonti rinnovabili
80
60
Importazioni nette
energia elettrica
40
20
0
Totale
1995
2000
2001
2002
2003
2004*
Settore USI CIVILI. domanda energetica per fonte (ktep)
.
Energia elettrica
Gas
45.000
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0
Prodotti
petroliferi
GPL
Gasolio
Olio combustibile
Carbone
2004(***)
2003
2002
2001
2000
1995
1990
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).
Italia 2003. Usi finali energia nella residenza.
4.404; 16%
1.486; 5%
2.952; 11%
19.123; 68%
Riscaldamento
Acqua calda
Usi cucina
Usi elettrici obbligati
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)
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.
• 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
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
2002
UE- 15
Italia
2002 2003 2002 2003 2002 2003
Offerta
10230,7 5345,7 5390,81489,41513,1172,7180,7
energia
totale
Biomassa 1117,7 178,4 181,1 56,7 59,7 2,5 3,1
Solare,
8,8
7,6
8,2
3,8
4,4
0,2 0,2
eolico
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
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
Rinnovabili
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 globali di CO2 sono così ripartite:
•
39% produzione di calore ed energia
elettrica,
•
26% trasporti,
•
16% industria (in Italia è il 18%).
• 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).
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.
