Materia Rinnovabile numero 23-24 / settembre-dicembre

Edifici integrati: un vantaggio economico e per l’ambiente

di Cara Carmichael, Victor Olgyay

Focus edilizia

Tra fornitori di servizi, operatori della rete elettrica, proprietari di edifici e piccoli proprietari si fa un gran parlare di edifici che interagiscono in modo dinamico con la rete elettrica, contrariamente a quelli che fanno un utilizzo indiscriminato di energia. Gli edifici integrati costituiscono un’opportunità di andare oltre al consumo netto nullo di energia e ridurre l’inquinamento e di portare significativi vantaggi per la rete elettrica, oltre a un ritorno economico per i proprietari degli edifici. 

Gli edifici interattivi sono progettati per creare carichi minori, con meno oscillazioni e flessibili in modo da ridurre i costi per i proprietari. Possono anche offrire servizi alla rete quali il servizio di demand-response, la riduzione del carico e il bilanciamento del sistema di distribuzione. In definitiva, dato che interagiscono con la rete e la supportano, gli edifici interattivi comportano i costi più bassi per la decarbonizzazione della rete, offrendo allo stesso tempi risparmio e altri vantaggi. Rappresentando un’occasione per i proprietari di immobili e i fornitori di servizi di giocare nella stessa squadra e condividere i benefici di un’opportunità vantaggiosa per tutti. 

Gli edifici interattivi sono anche in linea con l’andamento degli edifici a consumo netto di energia nullo (sono aumentati del 700% negli ultimi 5 anni) e degli edifici a emissioni zero. 

 

Un serio problema che riguarda gli edifici a consumo netto di energia nullo

A prima vista potrebbe sembrare che gli edifici a consumo netto di energia nullo abbiano un impatto ambientale minore paragonati agli edifici standard, ma vale la pena di analizzare più a fondo questa ipotesi. 

Per arrivare ad avere un edificio a consumo netto di energia nullo si parte da un edificio super efficiente dal punto di vista energetico, con un buon involucro e una bassa intensità di uso energetico, di solito inferiore a 94 kWh/m2/anno. Efficienti tecniche HVAC e controlli aiutano a minimizzare l’utilizzo di energia. Infine, per arrivare agli obiettivi di consumo netto nullo, vengono integrati nell’edificio opzioni ottimizzate di generazione di energia rinnovabile in situ, quali il geotermico, l’eolico e il fotovoltaico. 

Ma anche quando sono presenti tutti questi elementi, la situazione non è del tutto ottimale per la rete, e nemmeno per i proprietari. Gli edifici a consumo netto di energia nullo utilizzano la rete come “batteria”, prelevando l’energia dalla rete quando necessario e restituendola alla rete quando ne producono in eccesso. Questo è il motivo per cui non sono edifici a emissioni zero (dato che spesso prelevano dalla rete energia a forte intensità di carbonio che rimpiazzano con energia a bassa intensità di carbonio), e contribuiscono a creare picchi di richiesta sulla rete, che possono anch’essi essere ad alta intensità di carbonio. Per questo motivo l’intensità di carbonio e il bisogno di infrastrutture di rete degli edifici a consumo netto di energia nullo possono essere spesso paragonati a quelli degli edifici normali, dato che fanno sì che la rete si alimenti attraverso energia non pulita e causano picchi nella generazione di energia nei momenti di maggior richiesta.

Nei mercati in cui si sta affermando il solare come in California e in Colorado, la limitazione (curtailment) sta diventando un evento comune: in pratica i fornitori di servizi devono respingere l’energia da fonti rinnovabili (sia solare sia eolico) perché l’offerta di energia supera la domanda durante i picchi quotidiani. Ciò è esemplificato dalla “curva dell’anatra”. Si tratta del profilo di carico giornaliero che mostra come la generazione di energia da fotovoltaico causi un brusco calo nella domanda di elettricità sulla rete quando sorge il sole, e una brusca impennata quando tramonta il sole. Questo determina vulnerabilità nella rete e ha effetti negativi per raggiungere la carbon neutrality. Però è possibile insegnare a queste anatre a volare, progettando edifici che contribuiscano a creare dei profili di carico più razionali (curve di carico più basse, più piatte, più flessibili e con minori impennate). 

 

 

Gli edifici interattivi affrontano questo problema 

Per risolvere questi problemi dobbiamo rendere i nostri edifici più intelligenti e più flessibili, e farli interagire dinamicamente con la rete di distribuzione. Come per gli edifici a consumo netto di energia nullo, l’efficienza energetica è sempre il primo passo per ottenere misure di riduzione delle emissioni dal costo più basso e con il maggiore impatto. Ma oltre all’efficienza, gli edifici interattivi comprendono un’ampia varietà di tecnologie utili a incrementare la loro flessibilità di carico così da rispondere ai segnali della rete. 

I grafici che seguono (figura 4) rappresentano diversi profili di carico di edifici. Il primo grafico mostra un tipico profilo di carico di un edificio commerciale con un picco di domanda a mezzogiorno. Il secondo scenario mostra i benefici offerti dall’efficienza energetica che abbassa complessivamente il profilo di carico e riduce l’utilizzo e la domanda di energia. L’efficienza energetica influenza positivamente e in modo affidabile il profilo di carico più di ogni altra cosa, e dovrebbe essere alla base di qualsiasi soluzione. Il terzo scenario mostra un edificio efficiente con impianto fotovoltaico PV in loco. Un tipico edificio a consumo netto di energia nullo (NZE) potrebbe avere questo profilo quotidiano, che bilancia l’utilizzo e la generazione di energia nel corso dell’anno. Nonostante ciò l’edificio potrebbe avere ancora notevoli picchi nella domanda (per esempio a causa di una nuvola di passaggio che riduce la produzione dell’impianto fotovoltaico). Le conseguenze sottostimate di un edificio a consumo netto di energia nullo dal punto di vista delle utility includono rapidi picchi e valli di immissione quando l’impianto fotovoltaico produce in eccesso. L’ultimo scenario mostra un misto ottimizzato di efficienza energetica, fotovoltaico, immagazzinamento di energia e flessibilità di carico, con un profilo di carico molto più basso e meno ondulazioni, e che grazie all’accumulo tramite batteria e con sistemi smart di controllo della flessibilità del carico, permette agli edifici di rispondere ai segnali della rete. Questo profilo può offrire un buon potenziale di rendita con le attuali tariffe, e permette agli edifici di adattarsi a eventuali futuri cambiamenti nelle tariffe: in tal modo gli edifici possono continuare a portare benefici alla rete e un ritorno finanziario ai loro proprietari.

 

 

Gli edifici devono comunicare con la rete, utilizzando OpenADR o un simile protocollo di rete smart, per poter rispondere ai segnali di emissione delle utility. Si tratta di forme di controllo smart che possono essere abbinate a sistemi avanzati di misurazione ripartita e tecnologie quali l’accumulo di energia per facilitare la flessibilità di carico e permettere agli edifici di modificare la domanda, rendendo possibile la riduzione dei costi operativi.

L’accumulo tramite batteria, che permette a un edificio di accumulare energia elettrica e di utilizzarla quando la domanda è più alta, è una tecnologia già disponibile che permette di evitare tariffe elevate. Un recente blog del Rocky Mountain Institute spiega nel dettaglio come l’accumulo tramite batteria può essere conveniente se l’edificio ha tariffe di anche solo 9 dollari per kW. Secondo un recente studio del National Renewable Energy Laboratory (NREL), “Alcuni delle tariffe più alte si sono riscontrate in Stati che non hanno costi per l’elettricità particolarmente elevati, come il Colorado, il Nebraska, l’Arizona e la Georgia”. Se ultimamente non avete controllato la vostra bolletta, fatelo! 

La flessibilità della domanda non si limita però all’elettricità. Può essere anche realizzata con sistemi di accumulo dell’energia termica, sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. Quest’ultimo è spesso ottenuto con sistemi di accumulo di acqua o ghiaccio. L’elettricità può essere utilizzata per raffreddare materiali (o sostanze quali l’acqua), laddove vi sia abbondanza di elettricità a basso costo. Successivamente l’acqua può essere utilizzata per raffreddare l’edificio quando il costo dell’elettricità è elevato, evitando pertanto i costi elevati delle ore di punta o delle tariffe massime.

Alcuni metodi per il trasferimento di carico possono essere implementati semplicemente attraverso un migliore utilizzo degli edifici. Per esempio, sistemi di controllo smart possono essere utilizzati per raffreddare preventivamente edifici ad alta massa termica quando è in previsione l’arrivo del caldo, evitando in tal modo le tariffe elevate di mezzogiorno. Allo stesso modo anche apparecchiature quali asciugatrici o boiler elettrici, o anche caricatori elettrici per veicoli smart, possono interagire con la rete per approfittare delle curve di carico delle utility. 

 

Gli edifici interattivi possono generare reddito

Queste sono alcune delle molte strategie possibili presenti negli edifici interattivi. La questione fondamentale resta la seguente: i proprietari di edifici e gli operatori dovrebbero davvero interessarsi a questo approccio? La risposta è sì! Dovrebbero interessarsi ai servizi di integrazione alla rete perché questi servizi possono farli risparmiare e offrire loro nuove fonti di reddito.

Facendo interagire i propri edifici con la rete si possono aprire significative possibilità di reddito, che varieranno a seconda delle condizioni, come le tariffe, le opportunità offerte dall’edificio e la disponibilità di sole. 

I tipici vantaggi economici per i proprietari di edifici comprendono: 

  • Riduzione dei costi dell’energia: un minore utilizzo di energia (kWh) porta a bollette elettriche più basse.
  • Vendere elettricità: nelle zone in cui le utility supportano la misurazione netta dei consumi, l’energia in eccesso può essere rivenduta alla rete. Dove invece ci sono tariffe più elevate per le ore di punta, è possibile acquistare l’energia quando le tariffe sono basse, e venderla quando sono più alte. 
  • Riduzione delle tariffe: le tariffe si basano sul picco di utilizzo di energia nel periodo di fatturazione: gli edifici interattivi che evitano questi picchi comportano pertanto risparmi diretti e reali sulla bolletta della luce. (Questo al momento costituisce la principale fonte di valore economico). 
  • Capacità domanda/risposta: i proprietari possono essere ricompensati economicamente dalle utility se prendono parte a un programma di domanda/risposta in base al quale gli edifici rispondono alla richiesta di ridurre l’utilizzo di elettricità in un determinato momento.
  • Regolazione della frequenza: nel gruppo dei “servizi aggiuntivi” offerti nella gestione del libero mercato della rete, la regolazione di frequenza ha il valore più alto. Lo stoccaggio di elettricità ha la capacità di svolgere questo lavoro in millesimi di secondo, generando un’entrata per il proprietario come compenso per i servizi di regolazione di cui si avvantaggia la rete.
  • Resilienza: la resilienza, ossia l’evitato costo di interruzione, è un beneficio economico la cui dimensione può variare ampiamente a seconda delle circostanze. Il rapporto del NREL Valuing the Resilience Provided by Solar and Battery Energy Storage Systems mostra che attribuire un valore alle perdite subite dalla rete a causa delle interruzioni può rendere un impianto fotovoltaico e un sistema di stoccaggio un valido investimento. Il rapporto fa riferimento a un altro studio che ha stimato il costo di un’ora persa in caso di interruzione del servizio per vari tipi di edifici, tra cui una scuola elementare (2.368 dollari), un hotel di grandi dimensioni (5.317 dollari), e un ufficio sempre di dimensioni estese (14.365). Con questi numeri lo stoccaggio tramite batteria diventa alquanto attraente.

Accedere anche solo a pochi di questi flussi di entrate può cambiare notevolmente il rapporto costi/benefici della gestione di un edificio, ottimizzando le interazioni con la rete. Utilizzarne un numero maggiore può modificare il paradigma della gestione di un edificio, trasformandolo da un centro di costo a una fonte di entrate. 

 

Unire il valore economico e gli ideali ambientali

Le utility elettriche stanno cambiando rapidamente visto l’aumento di risorse energetiche distribuite che se si aggiungono alla rete. Gli edifici sono sempre più considerati come una parte importante del mix che da un lato favorirà questa transizione, e dall’altro aiuterà la rete elettrica a funzionare meglio. Le utility lo hanno capito, e stanno mettendo in atto politiche volte a incentivare la progettazione di edifici sensibili alla rete, rafforzando i vantaggi economici della loro realizzazione. 

Stiamo vivendo un momento esaltante, in cui gli edifici integrati possono creare un valore reale sia per le utility sia per i proprietari di edifici: ciò è allettante per loro e per chi lavora nell’edilizia. Riconoscere i benefici a entrambe le parti costituisce un incentivo a cooperare e condividere le conseguenti entrate economiche.

Questo processo comporta anche una rapida decarbonizzazione a bassissimo costo della rete, attraverso la migliore integrazione delle risorse energetiche distribuite tra gli edifici e la riduzione del bisogno delle utility di impianti per la produzione di energia non pulita. Rende possibile utilizzare una maggiore quantità di energia pulita rinnovabile, con meno limitazioni. L’ottimizzazione degli edifici e la loro interazione con la rete è un buon affare che consente di avere un ambiente migliore a vantaggio di tutti. 

 

 

Rocky Mountain Institute, https://rmi.org

Rapporto NREL, Valuing the Resilience Provided by Solar and Battery Energy Storage Systemswww.nrel.gov/docs/fy18osti/70679.pdf

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