BIPV Building Integrated Photovoltaic

L’Unione Europea ha stabilito che tutti gli edifici di nuova costruzione dovranno avere un consumo netto di energia quasi nullo entro il 2020. A tale scopo, incorporare sistemi di generazione di energia rinnovabile negli edifici, come ad esempio i sistemi fotovoltaici, risulta una strada furbamente percorribile.

137 Nel 2017 l’elettricità fotovoltaica era responsabile di circa il 10 % della produzione totale di energia rinnovabile nei 28 Stati membri dell’Unione Europea.

A tal proposito, i sistemi BIPV “Building Integrated Photovoltaic” stanno guadagnando enorme popolarità per quanto riguarda la produzione di energia, anche perché permettono di ridurre il fabbisogno di terreni per le installazioni FV solari “off-site”. Pertanto, la generazione di energia FV può essere considerata un punto chiave per ottenere una profonda decarbonizzazione, con un simultaneo alto grado di elettrificazione nel 100 % degli scenari energetici che presentano fonti di energia rinnovabile (RES - “Renewable Energy Sources”). A differenza dei sistemi FV integrati, i moduli FV tradizionali, appoggiati in superficie, vengono solitamente installati sulle coperture, a causa della struttura relativamente pesante dei moduli fotovoltaici in silicio; inoltre, risentono ancora del loro colore blu, che rende più complicata l’integrazione nelle facciate degli edifici. Un altro aspetto importante consiste appunto nel fatto che gli edifici alti, come ad esempio grattacieli destinati ad uffici, semplicemente non possiedono coperture abbastanza grandi per soddisfare i requisiti di performance energetica mediante l’utilizzo dei moduli FV convenzionali. Questo porta naturalmente il progettista ad optare per lo sfruttamento della facciata con sistemi BIPV.

In generale, i prodotti BIPV, divenuti commercialmente disponibili negli anni ’90, sono stati progettati in modo specifico per essere integrati nell’involucro dell’edificio, ma generalmente possono esser integrati facilmente anche in copertura, divisori esterni dell’edificio, facciate semitrasparenti, finestre e sistemi di oscuramento.

Nonostante i sistemi fotovoltaici in facciata ricevano meno irradiazione rispetto che le installazioni di copertura o di pavimento, essi offrono minori variazioni

138 giornaliere e stagionali, e possono quindi contribuire in modo sostanziale alla generazione locale di elettricità. La tecnologia fotovoltaica può essere quindi integrata nell’involucro dell’edificio, dove i convenzionali materiali da costruzione possono essere facilmente sostituiti da moduli FV.

In termini costruttivi, dunque, i sistemi BIPV devono rivestire lo stesso ruolo degli elementi tradizionali di rivestimento per facciate e coperture che vanno a sostituire. Di conseguenza, essi devono ricoprire tutte le tipiche questioni di un prodotto da costruzione, come l’aspetto, la resistenza alle intemperie, il carico del vento, la vita utile dei materiali e i rischi e conseguenze degli aspetti di

sicurezza (costruzione, fuoco, elettricità, ecc.).

Il principio basilare di un sistema BIPV è quello di utilizzare i moduli fotovoltaici come componenti dell’edificio; in questo modo, i moduli BIPV diventano uno strato multifunzionale dell’edificio, non solo per essere integrati fisicamente e funzionalmente, ma anche per costituire una possibilità innovativa per quanto riguarda la progettazione degli involucri edilizi. Un elemento BIPV per facciate deve tener conto delle proprietà di isolamento termico, di fattori come la trasparenza, in modo tale da permettere guadagni solari quando possibile o un buon controllo solare se necessario, e degli aspetti collegati alle condizioni climatiche e al comfort da raggiungere.

Un modulo FV può quindi essere considerato come un BIPV se prende parte all’integrità e totalità delle funzionalità dell’edificio. In altre parole, quando un modulo FV integrato nell’edificio viene smontato, deve essere sostituito da un componente edilizio adeguato. Questo significa che i moduli BIPV devono essere capaci di ricoprire una o più delle seguenti funzioni:

139 • Protezione nei confronti dei principali impatti metereologici: pioggia,

neve, vento;

• Economia energetica, come oscuramento, illuminazione naturale, isolamento termico;

• Protezione al fuoco; • Isolamento acustico.

Inoltre, gli elementi fotovoltaici integrati possono essere utilizzati sia in modo autonomo che insieme ad altri materiali da costruzione (come vetro, metallo, calcestruzzo, legno, ceramica, ecc.), sia in superfici opache che semitrasparenti. Affinché sia un prodotto invitante e competitivo, il fotovoltaico deve essere

“integrato” e/o progettato per rientrare nelle necessità dell’architetto.

L’integrazione estetica di tali sistemi costituisce spesso un comune argomento di discussione, essendo ovviamente una criticità: per essere gradevoli da un punto di vista architettonico, i moduli BIPV devono trovarsi in armonia con l’intera immagine dell’edificio, quindi tenendo in considerazione colore, consistenza, dimensione e posizione.

Gli elementi BIPV possono influire sull’orientamento, impronta, layout e forma dell’edificio, e anche sui materiali da costruzione, dal momento che possono comportarsi come importanti elementi costruttivi per l’involucro, e spesso fanno parte della facciata dell’edificio. Molti rivestimenti FV possono essere realizzati mediante pannelli in vetro a cui vengono applicate celle FV per dare vita alla vasta gamma di facciate trasparenti. Inoltre, i moduli possono essere facilmente incorporati in altri sistemi, come i rivestimenti antipioggia.

I moduli semitrasparenti, utilizzati come parti di finestre, facciate ed elementi oscuranti, sono molto utilizzati per motivi estetici, dal momento che permettono

140 la penetrazione della luce solare nelle superfici dell’edificio e all’interno. Più sono trasparenti i moduli solari FV, meno però sarà l’efficienza energetica del sistema BIPV. L’uso di moduli BIPV semitrasparenti nelle finestre comporta punti focali di dispersione della luce e, inoltre, una superficie libera per l’installazione fotovoltaica; infatti, i moduli BIPV possono essere utilizzati come parte di finestre creando una facciata semitrasparente. La trasparenza viene ottenuta, o tramite una tecnologia BIPV con pellicola sottile e flessibile, o mediante una tecnologia BIPV in silicio cristallino. Infine, i moduli BIPV semitrasparenti possono essere usati, di diverse forme, come componenti oscuranti sopra finestre, o come rivestimento della struttura.

Figura 66 – BIPV in copertura ed in facciata.

Un sistema BIPV completo deve includere: • i moduli BIPV;

• un controller di carica, in modo da regolare l’energia in ingresso e in uscita dalla batteria di stoccaggio (nei sistemi “off-grid”);

141 • un’apparecchiatura di conversione dell’energia, comprendente un inverter in modo da convertire la corrente continua DC dei moduli BIPV in corrente alternata AC, compatibile con la rete;

• un alimentatore di riserva come un generatore diesel;

• un hardware di montaggio e supporto, con cablaggio DC e AC e disconnessioni di sicurezza.

Ovviamente, una facciata con un sistema BIPV richiederà più manutenzione rispetto ad una facciata tradizionale, in modo tale da poter assicurare la performance elettrica dell’intero sistema fotovoltaico.

Secondo uno studio, nella maggior parte dei casi di fotovoltaico in facciata, vengono utilizzati sistemi BIPV piuttosto che BAPV “Building Added PV”, cioè quei sistemi in cui i moduli FV sono montati sull’involucro di un edificio senza però adempiere alle funzioni dei BIPV, e quindi l’integrità della funzionalità dell’edificio è indipendente dall’esistenza di moduli fotovoltaici integrati.

Inoltre, il 75 % dei casi studiati con moduli BIPV integrati, riguardano soluzioni per facciate di edifici di nuova costruzione, mentre il restante 25 % corrisponde

a soluzioni di ristrutturazione, che solitamente utilizzano l’approccio di BAPV.

Realizzare ristrutturazioni includendo elementi BIPV avrebbe però il doppio vantaggio di combinare un ammodernamento energetico, col fine di ridurre la domanda di energia, con la generazione fotovoltaica, per raggiungere il quantitativo di energia necessaria.

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Figura 67 – Grafici a torta rappresentativi dei vari utilizzi dei sistemi BIPV.

Infine, è importante ricordare che, in diversi campi, vi è ancora la necessità di una standardizzazione internazionale riguardo le caratteristiche multifunzionali dei moduli e sistemi BIPV.