Corso di laurea in Ingegneria Industriale
Analisi tecnico-economica di interventi di ot- timizzazione energetica degli edifici:
Stato dell'Arte.
Relatore Studente
Prof. Dario Ambrosini Michela Spalvieri
Correlatore Matricola
Prof. Tullio De Rubeis 254423
A.A. 2019/2020
Università degli Studi dell’Aquila
Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione e
di Economia
I
Indice
Introduzione ... 1
Capitolo 1 ... 3
1.1Consumo energetico nello scenario internazionale degli ultimi anni ... 3
1.2 Consumo energetico in Europa... 5
1.3 Bilancio energetico nazionale ... 9
Capitolo 2 ... 14
2.1 La norma BS EN 15459:2017 ... 14
2.1.1 Il metodo “Costo globale”: il calcolo STEP by STEP ... 15
2.2 Modelli LCA e LCC ... 23
Capitolo 3 ... 28
3.1 Metodologia comparativa per i casi di studio ... 28
3.2 Studio di letteratura ... 29
3.3 Quadro sintetico della letteratura: comparazione degli studi ... 35
Conclusione ... 40
Sviluppi futuri ... 41
Lista delle Figure ... 42
Lista delle Tabelle ... 44
Lista degli Acronimi ... 45
Sitografia ... 47
Bibliografia... 48
Appendice A (informativa) ... 51
1
Introduzione
Il presente elaborato nasce dall’idea di conciliare due aspetti, quello economico e quello tecnico, entrambi al servizio di un tema ancor più importante, la sostenibilità ambientale. La decisione di affrontare un argomento legato all’efficienza energetica è da ricondurre al fatto che si tratta di una questione di estrema attualità e di assoluta necessità per il futuro, un futuro non troppo lontano se si considerano le condizioni in cui riversa il pianeta e la tendenza negativa delle emissioni.
Lo scopo del lavoro è analizzare economicamente e tecnicamente interventi di riqualifi- cazione energetica su edifici esistenti e/o nuovi, attraverso una specifica metodologia. La tesi si articola in tre capitoli.
Il primo capitolo ha l’obiettivo di fornire uno sguardo a trecentosessanta gradi del conte- sto energetico mondiale, europeo ed italiano. L’energia, infatti, rappresenta uno degli aspetti che più influenza la vita umana, dal punto di vista economico, politico e sociale. Si può affermare che il progresso di una società sia strettamente legato allo sviluppo energetico, e viceversa. Argomento cardine del primo capitolo saranno proprio i consumi energetici all’in- terno dello scenario internazionale prima, del quadro europeo e nazionale poi. L'avanza- mento dello sviluppo per circa il 50% del mondo crea una proiezione futura di una notevole crescita della domanda energetica. Per soddisfare tale richiesta bisogna considerare l’energia in tutte le sue forme: esistono infatti molteplici fonti energetiche quali petrolio, carbone, gas naturali, rinnovabili ecc. Il mix energetico per rispondere all'aumento della domanda, fron- teggiando al contempo gli impatti ambientali (compresi i rischi del cambiamento climatico), varia a seconda dei settori.
Nel secondo capitolo si entrerà nel vivo dell’analisi, a partire dal metodo utilizzato per la valutazione economica degli interventi di ottimizzazione energetica degli edifici. Tale valu- tazione consiste nel confrontare i costi sostenuti e i ricavi raggiunti in un determinato periodo (detto periodo di calcolo). Ovviamente, se i guadagni superano le spese, l’investimento ri- sulterà essere conveniente. Per effettuare tale operazione la norma BS EN 15459:2017 defi- nisce un parametro: il costo globale, da cui deriva la denominazione della metodologia im- piegata. Negli ultimi anni, inoltre, il settore edilizio ha allargato “i propri orizzonti” soste- nendo un approccio Life Cicle Thinking, volto ad analizzare la sostenibilità ambientale, eco- nomica e sociale di un prodotto considerando tutte le fasi del ciclo di vita. L’LCT si esplica essenzialmente in due metodi: Life Cicle Assessment e Life Cicle Costing.
2 Tali strumenti qualificano e quantificano il ciclo di vita di un prodotto, di una soluzione costruttiva, di un edificio in termini ambientali ed economici, misurando l’effettivo impatto della produzione/attività sull’ambiente.
Il terzo ed ultimo capitolo sarà incentrato sulla revisione di parte della letteratura scienti- fica relativa ad interventi di ottimizzazione energetica, effettuati su edifici in zone climatiche differenti e valutati secondo l’analisi ottimale in termini di costo globale. Verranno, poi, discussi i risultati ottenuti dall’indagine di studio.
Infine, si procederà con l’esposizione dei punti salienti dell’indagine svolta, ipotizzando inoltre, eventuali sviluppi futuri.
3
Capitolo 1
1.1 Consumo energetico nello scenario internazionale degli ul- timi anni
Da quanto riportato dall’International Energy Agency (IEA) [1] si evince che dal 1971 al 2018 il consumo mondiale di energia è cresciuto costantemente, ad eccezione del periodo delle crisi energetiche negli anni '70 e del periodo della crisi economica globale del 2008, come illustrato nella figura 1.1.
1. L'Asia non-OCSE esclude la Cina.
2. Comprende l'aviazione internazionale e i bunker marittimi internazionali.
Figura 1.1 - Approvvigionamento energetico mondiale totale per regione, Mtep (IEA - Key World Energy Statistics 2020 (iea.org)).
Nel 1973 si contava un consumo energetico pari a 6 098 Mtep, in meno di 50 anni il mondo è arrivato a consumare più del doppio, precisamente 14 282 Mtep. Ciò che fa riflet- tere è che l’andamento nelle varie aree non è equilibrato, per il fatto che la crescita del fab- bisogno di energia non è stata ovunque uguale. Non facendo distinzione tra Paesi OCSE1 e non-OCSE, ma considerando solo i 5 continenti e i bunker, la tabella 1.1 mostra chiaramente che dal 1990 al 2018 il consumo di energia primaria in Europa e nelle Americhe è addirittura diminuito, in particolare in Europa è crollato di quasi la metà.
1 L’Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico lavora per costruire politiche migliori per una vita migliore. I paesi all'interno dell'OCSE sono caratterizzati da infrastrutture economiche più estese ri- spetto a quelli non appartenenti all'OCSE (detti anche economie in via di sviluppo o economie di modernizza- zione). L'OCSE è stata fondata nel 1961 e comprende 37 paesi. Altri paesi cooperano con l’organizzazione ma non ne sono membri.
4 Tabella 1.1 - Quote per aree dell’approvvigionamento energetico mondiale totale (1990 e 2018), Mtep
(IEA - Elaborazione personale dati Key World Energy Statistics 2020 (iea.org))
1990 2018
Nord e sud America 29,50% 23,40%
Asia 29,40% 48,60%
Europa 33,20% 18,00%
Africa 4,40% 5,90%
Oceania 1,20% 1,10%
Bunker 2,30% 3,00%
100,00% 100,00%
La causa può essere attribuita con alta probabilità alle crisi energetiche degli anni ‘70 che hanno spinto i paesi sviluppati ad adottare politiche e tecnologie ad efficienza energetica.
Nello stesso periodo hanno registrato un aumento del fabbisogno energetico percentuale i paesi del continente africano e asiatico, in quest’ultimo caso in particolare, la Cina. Infatti, la richiesta energetica è maggiore nelle prime fasi dello sviluppo economico per l'esigenza di costruire le infrastrutture e per l'utilizzo di tecnologie a bassa efficienza. Nelle economie sviluppate, invece, la crescita della domanda di energia primaria si riduce per l'applicazione delle tecnologie sempre più avanzate e per la tendenziale saturazione dei mercati. Il fabbi- sogno energetico viene soddisfatto attraverso le fonti di energia, come riportato dalla tabella 2.1.
Tabella 2.1 - Quote approvvigionamento energetico mondiale totale per fonte (1973 e 2018), Mtep (IEA - Elaborazione personale dati Key World Energy Statistics 2020 (iea.org))
1973 2018
Petrolio 46,2% 31,6%
Carbone 24,5% 26,9%
Gas naturale 16,0% 22,8%
Energia nucleare 0,9% 4,9%
Idro 1,8% 2,5%
Biocarburanti e ri-
fiuti 10,5% 9,3%
Fonti rinnovabili 0,1% 2,0%
100,0% 100,0%
La produzione di energia primaria è attualmente basata sullo sfruttamento dei combustibili fossili per l’81% del fabbisogno. Nel dettaglio, il petrolio è il più largamente utilizzato, pur avendo su- bito un calo della quota di quasi il 15%
dal 1973. Il gas naturale è aumentato del 7% circa, la quota di energia nucleare del 4% e le fonti rinnovabili sono passate dallo 0,1% al 2% del totale.
5 In linea con ciò che è stato appena detto, vi è il fatto che nel 2019 la crescita del consumo energetico è stata trainata dalle fonti alternative e dal gas naturale, che insieme hanno con- tribuito per tre quarti all'espansione. Le emissioni di carbonio derivanti dal consumo di ener- gia sono aumentate “solo” dello 0,5%, con una crescita media minore negli ultimi dieci anni (1,1% all’anno) [2]. Questo porta il mondo a fare un ulteriore passo in avanti in termini di sostenibilità ambientale. Quello che si è presentato questo anno, però, è uno scenario total- mente inaspettato che ovviamente ha cambiato le sorti e le abitudini del mondo, compreso quello energetico. “La pandemia di Covid-19 ha causato più disagi al settore energetico di qualsiasi altro evento nella storia recente, lasciando difficoltà che si ripercuoteranno negli anni seguenti.” Secondo l’International Energy Agency la domanda globale di energia è de- stinata a scendere del 5% nel 2020. Il calo stimato dell'8% della domanda di petrolio e del 7% nell'uso del carbone è in netto contrasto con un leggero aumento dell’1% delle fonti rinnovabili. La riduzione della domanda di gas naturale è di circa il 3%, mentre la domanda globale di elettricità sembra destinata a scendere di un 2% relativamente modesto per l'anno in corso. Come conseguenza della riduzione dei consumi di combustibili fossili, la IEA stima che nel 2020 le emissioni dei gas a effetto serra si ridurranno del 7% rispetto all’anno precedente [3].
1.2 Consumo energetico in Europa
I Paesi europei consumano una quantità di energia leggermente inferiore rispetto a dieci anni fa, sia in termini di consumo primario sia finale. Il lieve calo decennale non implica una discesa progressiva dei consumi, anzi, ciò che si evince dalle tabelle riportate in seguito è proprio l’inverso. Dopo diversi anni di diminuzione ne sono seguiti altrettanti di aumento (pur non superando il valore del 2009), tanto che dal 2014 al 2017 il consumo energetico primario è aumentato di anno in anno fino all’ammontare totale del 4% (Tabella 3.1). Ana- logo è il discorso per il consumo di energia finale (Tabella 4.1). Per quanto riguarda l’anno 2018, l’impiego di energia nell'Unione Europea (UE2) è rimasto più o meno costante rispetto all’anno precedente. Il consumo energetico primario è arrivato a circa 1 376 milioni di ton- nellate equivalenti di petrolio, lo 0,71% in meno rispetto al 2017, mentre il consumo di ener- gia per uso finale ha raggiunto su per giù 990 Mtep, lo 0,02% in più rispetto all’anno prece- dente.
2 L'Unione Europea (UE) si riferisce alla sua composizione con 27 Stati membri, al 1° febbraio 2020, e com- prende Belgio, Bulgaria, Cechia, Danimarca, Germania, Estonia, Irlanda, Grecia, Spagna, Francia, Croazia, Italia, Cipro, Lettonia, Lituania, Lussemburgo, Ungheria, Malta, Paesi Bassi, Austria, Polonia, Portogallo, Romania, Slo- venia, Slovacchia, Finlandia e Svezia. Il Regno Unito ha lasciato l'Unione Europea il 31 gennaio 2020.
6 Tabella 3.1 – Consumo di energia primaria, Mtep, *UE dopo il 1° febbraio 2020; **19 paesi dal 2015
(Eurostat - Elaborazione personale dati Eurostat - Data Explorer (europa.eu))
Tabella 4.1 – Consumo di energia per uso finale, Mtep, *UE dopo il 1° febbraio 2020; **19 paesi dal 2015 (Eurostat - Elaborazione personale dati Eurostat - Data Explorer (europa.eu))
Il consumo energetico si può analizzare dal punto di vista dei combustibili utilizzati, come mostrato in figura 2.1, la quale riassume l’evoluzione dell’impiego di energia finale. Nel corso degli anni la quantità e la quota di combustibili fossili solidi hanno subito una decre- scita graduale, a partire dal 6,9% nel 1990, per poi passare al 3,6% nel 2000 e al 2,8% nel 2010, fino ad arrivare al 2,4% nel 2018. Opposto è stato il cambiamento delle fonti rinnova- bili di cui si delinea un significativo miglioramento, caratterizzato da un progressivo incre- mento di decennio in decennio. Nel 1990 la loro quota sul totale era pari al 4,3%, nel 2000 al 5,3%, all'8,8% nel 2010 ed infine nel 2018 al 10,5%.
Figura 2.1 - Consumo finale di energia per combustibile, UE-27, 1990-2018, Mtep (Eurostat - Energy, tran- sport and environment statistics (europa.eu) , pag.20)
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
EU27* 1404 1458,4 1413,3 1397,5 1385,3 1331,2 1353,7 1365,5 1384,9 1375,6
EU28 (2013-2020) 1600 1663,5 1603,4 1592,7 1576,9 1511,9 1536,2 1544,3 1561,7 1551,7 Euro area** 1129,6 1166,7 1124,4 1116,3 1109,3 1062,7 1083,2 1087,6 1097,8 1085,9
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
EU27* 980,8 1023,9 982,5 980,5 978,8 937,8 957,7 976,7 989,1 989,4
EU28 (2013-2020) 1118,8 1167,1 1114,7 1116,3 1115,7 1067,9 1090,3 1110,4 1122,6 1123,9
Euro area** 792,8 826,6 789,5 789,6 791,5 754,6 769,9 782 787 786,4
7 Dunque, in 30 anni circa, l’uso delle fonti energetiche rinnovabili è più che raddoppiato.
Il gas naturale, invece, è rimasto abbastanza stabile nello stesso periodo, con piccole varia- zioni tra il 18,8% (nel 1990) e il 22,6% (nel 2005), raggiungendo il 21,4% nel 2018. Ciò che non è cambiato in questi anni è il fatto che la quota maggiore nel mix energetico è detenuta dal petrolio e i prodotti petroliferi, seguita dall'elettricità (intesa come energia secondaria) e dal gas naturale. In particolare, nel 2018 i loro valori sono rispettivamente del 36,7%; 23,0%;
21,4%. Analizzando il consumo per uso finale a livello di settore, nel 2018 le categorie trai- nanti sono: trasporti (30,5%), famiglie (26,1%) e industria (25,8%) (vedere figura 3.1). Nel 2018 l’impiego di energia di tutte le modalità di trasporto nell'UE è stato complessivamente pari a 287 Mtep. Dal 1990 fino al 2007 il consumo è costantemente aumentato, dopo quell’anno si è avuta una radicale trasformazione. Infatti, nel 2008, con l'inizio della crisi finanziaria ed economica globale, il consumo di energia a fini di trasporto è diminuito dell'1,4%. Tale calo si è rafforzato nel 2009 (-2,5%), avanzando a un ritmo più sostenuto nel 2010 (-0,2%) e nel 2011 (-0,4%), per poi decrescere in maniera decisa nel 2012 (-3,5%) e 2013 (-1,3%). Nel 2014 e nel 2015 sono stati registrati aumenti dell’1,3%, che sono prose- guiti anche nel 2016, 2017 e 2018 con quote rispettivamente pari a 2,4%, 2,1% e 0,6%. Ad ogni modo, tra il massimo relativo del 2007 e il minimo del 2013, il consumo finale energe- tico per i trasporti nell'UE è sceso del 9,0%, ovviamente con differenze significative tra le diverse modalità.
Figura 3.1 - Consumo finale di energia per settore, UE-27, 2018, % del totale, basato su tonnellate equi- valenti di petrolio. *I dati sull' “aviazione internazionale" non sono inclusi nella categoria Trasporti e quindi sono inclusi nella categoria "Altro". (Eurostat - Energy, transport and environment statistics (europa.eu))
Per quanto riguarda il settore famiglie, nell’Unione Europea “l'uso principale dell'energia da parte delle famiglie è per il riscaldamento delle loro abitazioni (63,6% del consumo finale di energia nel settore residenziale). L'elettricità utilizzata per l'illuminazione e la maggior
2,9%
14,2%
25,8%
26,1%
30,5%
0,5%
0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0% 35,0%
Agricoltura e Silvicoltura Servizi Industria
Famiglie Trasporti Altro *
8 parte degli apparecchi elettrici rappresenta il 14,1% (ciò esclude l'uso dell'elettricità per prin- cipali sistemi di riscaldamento, raffreddamento o cottura), mentre la percentuale utilizzata per il riscaldamento dell'acqua è leggermente superiore, pari al 14,8%. I principali dispositivi di cottura richiedono il 6,1% dell'energia utilizzata dalle famiglie, mentre il raffreddamento spaziale e gli altri usi finali coprono rispettivamente lo 0,4% e l'1,0%. Di conseguenza, il riscaldamento dello spazio e dell'acqua rappresenta il 78,4% dell'energia finale consumata dalle famiglie” [4].
I dati riportati finora delineano l’evoluzione del settore energetico, arrestandosi al 2018.
Ciò che è avvenuto nell’ultimo anno, infatti, merita un discorso a parte. Con l’esplosione dell’emergenza sanitaria dovuta al Covid-19, i governi dei vari Paesi europei hanno appli- cato misure restrittive, che includevano la chiusura di fabbriche, scuole, ristoranti, bar, hotel e l’obbligo di non uscire di casa. Per tale motivo, molte aziende hanno ridotto i livelli di produzione, diversi uffici non hanno consumato corrente per le luci, i computer e l’aria con- dizionata, contribuendo alla diminuzione della domanda e del consumo di energia, con con- seguente riduzione dei prezzi. Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia, nel 2020 l'UE registra un calo sia della domanda sia dell’offerta di energia, con una stima per l’intero anno 2020 di un 10% in meno della domanda rispetto ai livelli del 2019, calo importante tenendo conto che rappresenta il doppio di quello rilevato durante la crisi finanziaria del 2008-2009.
Addirittura, nel primo trimestre del 2020 nell’UE è stata evidenziato un abbassamento della domanda di carbone pari al 20%. Le pubblicazioni dei diversi enti, come EMBER e Eurostat, sono accumunate dalla stessa attenta valutazione, ovvero un’importante diminuzione dei consumi di energia con i combustibili fossili soggetti al colpo più duro insieme alle energie non rinnovabili [5]. La situazione, però, ha avuto anche risvolti positivi. Le misure di confi- namento attuate nei diversi Paesi europei hanno causato, infatti, una riduzione delle emis- sioni di anidride carbonica e, di conseguenza, dell’inquinamento atmosferico, segnalando un miglioramento della qualità dell’aria. Stando a quanto riportato dall'Agenzia europea dell'ambiente (EEA) vi è stato un calo record delle emissioni di inquinanti atmosferici, prin- cipalmente di biossido di azoto (NO2), derivato maggiormente dalla riduzione del traffico e da altre attività. Altro aspetto positivo è legato alle fonti rinnovabili che hanno visto un au- mento della loro domanda [6]. Da quanto emerge dai dati di EMBER, nei primi sei mesi del 2020 hanno generato il 40% dell’elettricità dell’UE, con un sorpasso storico nei confronti dei combustibili fossili, che si fermano al 34%. Inoltre, nella prima parte del 2020 la produ- zione di energia da fonti rinnovabili è salita dell’11%: l’energia solare del 16%, quella idrica del 12% e quella eolica dell’11%.
9 Ben il 21% dell’elettricità in Europa, nella prima metà del 2020, è stato generato dalle sole energie eolica e solare [7]. Questi numeri rappresentano un’opportunità per l’Europa per proseguire nell’impegno di elaborare politiche trasformative che rendano possibile l’im- piego di energie pulite in tutti i settori dell’economia.
1.3 Bilancio energetico nazionale
L’andamento energetico italiano ricalca nel complesso quello europeo. Come riportato dall’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sosteni- bile (ENEA), la domanda di energia primaria nel 2018 è stata di 157 Mtep, circa l’1,6% in meno rispetto all’anno precedente. Tale abbassamento deriva da una diminuzione, in termini assoluti, dell’utilizzo di gas naturale (-2 Mtep), che tuttavia, rimane la principale fonte. In- fatti, nel 2018 il suo impiego conta 59,5 Mtep, seppur in calo del 3,3% rispetto al 2017, mentre il petrolio annovera 54,8 Mtep (-1,2%). A livello percentuale sono i combustibili solidi a segnalare una diminuzione più grande rispetto al 2017 (3,5 Mtep, ovvero -2,8% ri- spetto al 2017). Per contro, si evidenzia una crescita del 16,3 % per il consumo di elettricità e dell’1,6% per il consumo di energia da fonte rinnovabile. Tendenzialmente il consumo primario rimane ad un livello inferiore rispetto a quello dei primi dieci anni del Duemila, e supera di poco (2,5 Mtep) la quota del 1991. Dopo un periodo in discesa a partire dal 2006, la domanda di energia ha avuto un innalzamento nell’ultimo quinquennio, seppur leggero (Figura 4.1). Ad ogni modo, dal 1990 è stata soggetta ad un aumento complessivo con media annua dello 0,2%, marcato da uno straordinario incremento del consumo di energia da fonti rinnovabili, che nel periodo in esame è circa cinque volte maggiore.
Figura 4.1 - Domanda di energia primaria in Italia. Dettaglio per fonte. (1990-2018), Mtep (Report ENEA - raee-2020.pdf (enea.it), pag.47)
Il quadro energetico si è presentato negli anni con un mix piuttosto diversificato. Nel 1990 le fonti fossili costituivano circa il 94% del consumo totale e, tra queste, il petrolio era
10 il più utilizzato, tanto da più che duplicare la quantità di gas naturale consumata. Oggi in- vece, pur avendo la quota predominante, i combustibili fossili rappresentano il 78,2% del consumo totale (Figura 5.1). Un altro aumento degno di nota è quello registrato dalle energie rinnovabili, che dal 1990 al 2018 mostrano un progresso medio annuo del 5,5%. Nel 2018 le fonti alternative riescono a coprire un consumo di 29,3 Mtep, ovvero il 18,7% del totale.
Tra il 1990 e il 2018 l’eolica è l’energia che ha evidenziato l’aumento medio annuo mag- giore, ossia il 38,4%, seguita dai biogas con +30,9% medio annuo e dall’energia solare con +24,1% medio annuo. Anche la domanda di energia elettrica nell’intera serie storica ha com-
piuto un balzo in avanti, “con un tasso di crescita medio annuo attorno al’1%.”
Figura 5.1 - Domanda di energia primaria in Italia. Dettaglio per fonte, anni 1990 e 2018 (%) (Report ENEA - raee-2020.pdf (enea.it), pag.48)
Per quanto riguarda i consumi finali di energia, se ne annoverano 121,6 Mtep nel 2018, perfettamente in linea con l’anno precedente. Negli ultimi dieci anni se ne contano 16,4 Mtep in meno con una decrescita media annua di -1,3%. Esaminando lo sviluppo sull’intero pe- riodo, riportato in Figura 6.1, si rileva un andamento dei consumi finali attorno ai livelli medi registrati nella metà degli anni Novanta.
Figura 6.1 - Consumi energetici finali in Italia. Dettaglio per settore, anni 1990-2018, Mtep (Report ENEA - raee-2020.pdf (enea.it),pag.51)
Fino al 2005 si registra una continua crescita di tutti i settori, mentre il periodo successivo mostra un progressivo cambio di direzione dei consumi. In particolare, è il settore industriale
11 a risentirne maggiormente, con una riduzione media annua dell’1,2% tra il 1990 e il 2018.
In questo ultimo anno i consumi finali sono stati pari a 24,3 Mtep, scendendo del 2,5% ri- spetto al 2017, a sua volta in calo rispetto all’anno precedente.
I trasporti, invece, presentano un tendenziale aumento fino al 2007 per poi passare ad un costante calo che ha riportato i consumi ai livelli di metà anni Novanta. Ciò nonostante, tale settore presenta un tasso di crescita medio annuo dello 0,3% sull’intera serie storica, e nel 2018 consumi sui 35,6 Mtep, segnando addirittura un incremento di essi del 3,1% rispetto al 2017. Il settore agricolo è rimasto pressocché immutato, fluttuando tra 2,5 e 3 Mtep annui, anche se tra il 2017 e il 2018 ha evidenziato un aumento dei consumi del 3,8%. L’unico settore che ha mostrato un andamento incrementale costante è quello civile, il quale in media presenta un aumento annuo dei consumi pari all’1,5%. Nel dettaglio, “nel 2018 il settore ha consumato 51,4 Mtep di energia, segnando un aumento dello 0,5% rispetto al 2017. A spin- gere maggiormente la crescita lungo tutto l’orizzonte analizzato è stato il comparto dei ser- vizi.” Comparando il primo e l’ultimo anno del periodo in esame, si nota un radicale muta- mento della ripartizione settoriale dei consumi finali (Figura 7.1).
Figura 7.1 - Consumi energetici finali in Italia. Dettaglio per settore, anni 1990 e 2018, (%) (Report ENEA - raee-2020.pdf (enea.it), pag.51)
Nel 1990 l’industria assieme agli usi civili possedevano, in termini di quota percentuale, più della metà dei consumi totali, contendendosi il primato. Subito a seguire vi era il settore dei trasporti con una quota ad ogni modo importante, ben il 28% del totale. Nel 2018 la situazione risulta molto cambiata, presentando al primo posto il settore civile con il 43% dei consumi finali contro il 29% (circa) dei trasporti e il 21% dell’industria. È proprio quest’ul- tima ad aver ceduto la quota maggiore, quasi il 10%, a favore degli usi civili, mentre il settore trasporti ha mantenuto i suoi consumi stabili. In termini di energia secondaria, ossia energia elettrica, i consumi finali sono aumentati in quasi tutti i settori nel 2018 rispetto all’anno precedente, registrando nel complesso una crescita dello 0,5% [8].
12 Dalle stime ENEA, nel 2019 il consumo interno lordo di energia primaria è stato al di sotto di 170 Mtep, in calo di circa l’1,3% rispetto all’anno precedente, dopo gli aumenti della stessa entità registrati nei due anni precedenti. Tuttavia, i consumi rimangono comunque al di sopra del 2% rispetto al minimo del decennio, raggiunto nel 2014. La riduzione stimata nel 2019 risulta compatibile con la spinta negativa scaturita dalle primarie variabili guida (abbassamento crescita economica, calo produzione industriale, clima più mite nei mesi in- vernali e calo prezzi dell’energia). “In termini di fonti primarie la riduzione di circa 2 Mtep rispetto al 2018 è imputabile al minor ricorso a solidi (-21%), import di elettricità (-13%) e in misura minore petrolio (-0,8%), per un totale di oltre 3 Mtep. Sono invece in aumento le rinnovabili (+1,3%) e soprattutto il gas naturale (+2,3%), in particolare nella termoelettrica”
(Figura 8.1).
Figura 8.1 - Fabbisogno di energia primaria per fonte (var. rispetto anno precedente, Mtep) (ENEA - 01-analisi-trimestrale-2020.pdf (enea.it), pag.27)
Nel mix energetico le fonti fossili continuano a mantenere una quota percentuale pari a 2/3 del totale, in particolare a detenere il primato nel 2019 è il gas naturale con il 36%.
Così come i consumi energetici primari, anche quelli finali sono scesi di oltre l’1% ri- spetto al 2018 annoverando circa 125,5 Mtep. Il calo è da ricondurre alle diminuzioni in tutti i settori di impiego finale (Figura 9.1). Nell’industria si registra un -1,3% rispetto al 2018 in correlazione all’abbassamento della produzione industriale, ed una riduzione nel settore ci- vile in coerenza con un clima più mite nella stagione invernale. Nei trasporti vi è stata una crescita dei consumi aerei che, tuttavia, ha bilanciato solo leggermente il calo dei trasporti stradali, pari al -1%.
13
Figura 9.1 - Consumi finali di energia per settore (media mobile ultimi tre anni, Mtep) (ENEA - 01-analisi-trimestrale-2020.pdf (enea.it), pag. 29)
Nel 2020 l’Italia è stato il primo Paese europeo a subire lo shock della pandemia, con conseguenti impatti negativi sul sistema energetico. ENEA, sulla base di dati provvisori, ha effettuato una stima sui consumi di energia primaria nel primo trimestre, che risulterebbero inferiori di più del 7% rispetto allo stesso periodo del 2019. Il calo maggiore è maturato a marzo, quando il governo ha dichiarato il lockdown nazionale, rilevando di conseguenza un fabbisogno energetico minore del 15% rispetto allo stesso mese nel 2019. Considerazioni e dati analoghi sono state ottenuti da stime sui consumi finali. Sempre valutando stime su dati parziali, in termini di fonti primarie la diminuzione si è attestata sui 3,5 Mtep nei primi tre mesi rispetto allo stesso periodo del 2019. Le fonti trainanti sono state petrolio e gas (-1,5 Mtep circa ciascuno, -12% il petrolio, -6% il gas), seguite dai solidi con un calo maggiore a 0,5 Mtep. Rimangono stabili, invece, le fonti rinnovabili. Se queste sono le premesse del primo trimestre, il secondo sarà ancora più problematico in termini di consumi energetici.
Secondo le stime ENEA, infatti, “pur ipotizzando ottimisticamente un ritorno alla normalità già a giugno, la domanda di energia del II trimestre risulterebbe in calo tendenziale di quasi il 20% mentre complessivamente, nell’insieme del I semestre, il calo sarebbe ben superiore al 10% (rispetto al I semestre del 2019)” [9].
14
Capitolo 2
2.1 La norma BS EN 15459:2017
Quando si effettuano interventi di ottimizzazione energetica sugli edifici bisogna tener presente che vi sono diversi metodi per elaborare un’analisi tecnico-economica adeguata.
La valutazione economica è uno degli aspetti più importanti da tenere in considerazione in fase di progettazione di interventi di riqualificazione di edifici. Innanzitutto, si definiscono alcune ottimizzazioni plausibili, sia in maniera singolare che secondo combinazioni diverse, poi si conteggiano i possibili risparmi energetici relativi ed infine si prosegue con una valu- tazione di carattere economico. Tale valutazione avrà l’obiettivo di individuare quale solu- zione ha il rapporto costi/benefici più favorevole e soprattutto di valutare il tempo di ritorno degli investimenti.
La norma BS EN 15459:2017 [11] trova applicazione proprio nella diagnosi energetica degli edifici, di cui l’analisi economica degli interventi di miglioramento delle prestazioni energetiche rappresenta una delle fasi nodali, allo scopo di individuare quale operazione di ottimizzazione sia più vantaggiosa al livello economico.
Lo scopo dello standard è quello di:
✓ definire i tipi di costi, indispensabili per il calcolo dell’efficienza economica delle alternative di risparmio energetico;
✓ indicare i dati necessari per la determinazione dei costi riguardanti i sistemi conside- rati;
✓ fornire un metodo di calcolo.
Nello specifico la norma fornisce una metodologia per il calcolo economico di sistemi di riscaldamento e di altri sistemi che influiscono sulla domanda di energia e sul consumo ener- getico di qualsiasi tipo di edificio. Consente di effettuare un’analisi economica dettagliata attraverso un’accurata valutazione che considera non solo i costi iniziali, ma anche i flussi di cassa in esercizio.
Rispetto alla normativa del 2007, la BS EN 15459:2017 presenta degli aggiornamenti. In particolare, è stato aggiunto nel metodo di calcolo il Payback Period che prevede i costi addizionali dovuti alla fine della vita dell’edificio. La revisione è stata resa coerente con il regolamento UE sul costo ottimale.
15 Questa revisione include la definizione di ammortamento dell'investimento e l'inclusione del costo dovuto alla demolizione dell’intervento stesso. Inoltre, il documento che presen- tava il costo annualizzato è stato rimosso.
Il metodo è utile per diverse applicazioni, quali:
• Analisi di fattibilità economica delle alternative per il risparmio energetico negli edi- fici;
• Raffronto tra le varie soluzioni di ottimizzazione energetica negli edifici;
• Valutazione delle performance complessive degli edifici;
• Valutazione dell'effetto di possibili misure di risparmio energetico su un sistema di riscaldamento esistente, mediante calcolo economico del costo del consumo di ener- gia con e senza la misura di risparmio energetico.
Nonostante il testo risulti piuttosto complesso e articolato, vi sono dei semplici principi base sul quale si fonda: il periodo di calcolo, il quale indica la durata temporale considerata per il calcolo che va adeguata alla vita utile dei componenti; le voci di costo e di ricavo, fondamentali per il calcolo del costo globale, che generano flussi di cassa:
• i costi di investimento iniziale, che comprendono la progettazione, l’acquisto, l’in- stallazione e l’avviamento dei componenti volti a migliorare l’efficienza energetica dell’edificio;
• i costi periodici come il servizio di contabilizzazione, la manutenzione del sistema installato, la sostituzione periodica dei componenti la cui vita utile è inferiore alla durata del periodo di calcolo;
• i costi di smaltimento del componente al termine della sua vita utile;
• i ricavi periodici come, ad esempio, i risparmi di combustibile attesi annualmente in seguito all’intervento effettuato;
• i possibili ricavi da incentivi fiscali;
• il valore finale (residuo) del componente al termine del periodo di calcolo.
2.1.1 Il metodo “Costo globale”: il calcolo STEP by STEP [11]
In un quadro generale, lo standard propone una procedura che consente di associare costi del passato, del presente e del futuro in un periodo di calcolo, tenendo conto anche della decostruzione dell’edificio. Per tale motivo, il metodo è denominato “Costo globale”.
Il risultato, ottenibile a fronte di un certo scenario e dati di input, è proprio il valore del costo globale che si può utilizzare per il confronto di diverse soluzioni.
16 D’altro canto, il Payback Period mostrerà il potenziale delle differenti opzioni comparate tra di loro, e quando la spesa iniziale sarà recuperata.
Si va adesso ad analizzare passo dopo passo la procedura fornita dalla norma per la valu- tazione di convenienza economica dell’investimento.
Figura 1.2 – Diagramma di flusso delle diverse fasi del metodo (BS EN 15459:2017: Energy perfor- mance of buildings - Economic evaluation procedure for energy systems in buildings Part 1: Calculation
procedures, Module M1-14).
STEP 1 – Dati finanziari
Nella prima fase è necessario che vengano individuati gli elementi finanziari utili per il calcolo:
17
• la durata del calcolo, che può essere fissata in base alla durata della vita utile degli edifici, alla durata dell’ipoteca sottoscritta, ecc.
• il tasso di inflazione, che viene stimato a partire dai dati dell’istituto economico di- sponibile;
• il tasso di sconto, o fattore di attualizzazione, che in genere viene stabilito a livello nazionale;
• il tasso di sviluppo dei costi operativi umani, il quale dipende dall’incremento dei costi dell’operato umano in funzione (solitamente il tasso di sviluppo dei costi di gestione umana è superiore al tasso di inflazione);
• il tasso di sviluppo dei prezzi dell’energia, che viene considerato uguale al tasso di inflazione o che viene reso disponibile presso i gestori di servizi energetici (tale va- lore può essere positivo o negativo);
• se necessario, oltre l’energia è possibile aggiungere informazioni su altre fonti come l’acqua.
STEP 2 – Dati del progetto
In questa fase vengono individuati i sistemi da considerare nei calcoli economici e ven- gono forniti i dati di progetto che servono per effettuare il calcolo. Le informazioni si pos- sono ricavare dall’analisi delle relazioni di progetto e riguardano:
➢ l’ambiente di progetto, i cui dati sono fondamentali per l’individuazione dei vincoli che potrebbero influire (negativamente o positivamente) sul consumo energetico e sulle scelte tra le soluzioni alternative che vengono esaminate, come ad esempio paese o regione, ubicazione dell’edificio, tipo di edificio etc.
➢ i dati meteorologici, utili per i calcoli relativi al consumo energetico;
➢ vincoli e/o opportunità associati all’energia, i cui dati sono indispensabili per ricono- scere i vincoli / opportunità nei sistemi HVAC (acronimo inglese di Heating, Venti- lation and Air Conditioning, Riscaldamento, Ventilazione e Aria Condizionata, un sistema di controllo dell’aerazione industriale che assicura ottimi risultati in termini di efficienza energetica) relativi all'energia (ad esempio, combustibile proibito, orientamento degli edifici, presenza di canna fumaria, presenza di distribuzione di acqua calda distrettuale; eventuali difficoltà di accesso all'energia per la distribuzione di carburante, vicinanza della rete di gas combustibile, possibilità di energia rinno- vabile come ad es. collettori solari, celle a combustibile, ventilazione naturale, pompa di calore, approccio dei clienti in materia di comfort e occupazione).
18 STEP 3 - Raccolta dati
La raccolta dati consiste nel riunire più informazioni e dati possibili riguardo sistemi e
componenti, in particolare in relazione a durata, manutenzione e funzionamento.
Dunque, è utile distinguere delle sottofasi in modo da identificare:
STEP 3.1 - Costi di investimento, riguardanti la preparazione e la progettazione del terreno, i quali includono, per l’appunto, costi di progettazione, acquisizione di terreni, con- tributi locali per l'edilizia, allestimento del terreno, attacco alla rete e servizi. Inoltre, costi di investimento per i sistemi legati all’energia, che racchiudono un’ampia gamma di costi:
quelli di investimento per i servizi relativi alle prestazioni energetiche (elementi strutturali e fondazioni, allacci elettrici, acqua, trasporti ecc.); costi per la costruzione di involucri termici e costruzione di edifici, ovvero la parte della struttura che è correlata all'efficienza energetica o al consumo di energia (ad es. tessuti per l'edilizia, isolamento, aperture, vetrate, porte) e più in generale tutti gli elementi dell'involucro edilizio che hanno un impatto sulla trasmit- tanza termica. Questa categoria di costi comprende: coperture e isolamento del tetto, pareti, vetri e aperture, piastra di base, soffitti del seminterrato; poi vi sono costi per il riscaldamento degli ambienti. Quest’ultimo gruppo include sia il sistema di generazione (es. caldaia o pompa di calore o sottostazione con controllo e scambiatore di calore, produzione combinata di calore ed energia e sistema di scarico) che di stoccaggio (es. serbatoio di accumulo e sistema di controllo (valvola, sensore, scambiatore di calore), ed anche il sistema di distri- buzione, emissione e controllo; infine, i costi impiantistici relativi al sistema di ACS, venti- lazione, raffrescamento, illuminazione;
STEP 3.2 - Costi periodici per le sostituzioni, fase in cui si effettua una raccolta dati sui tempi e i costi per la sostituzione di sistemi e componenti. I costi periodici comprendono anche la certificazione energetica dell’edificio.
STEP 3.3 - Costi d’esercizio (eccetto costi energetici), ovvero costi annuali che inte- ressano operazioni di manutenzione ordinaria e riparazioni ed eventuali assicurazioni e tasse relative ai sistemi energetici.
STEP 4 – Costo dell’energia
I contratti energetici sono principalmente divisi in due parti:
la prima è chiaramente connessa al consumo di energia in base ai contatori o al con- sumo di carburante dell’edificio;
19
la seconda è fissata in funzione della quantità di energia sottoscritta con i servizi di pubblica utilità o di noleggio di sistemi energetici.
I costi ambientali potrebbero essere introdotti come un costo relativo all’energia.
STEP 4.1 – Costi energetici iniziali
In questa fase si analizzano i costi energetici sostenuti durante il periodo di costruzione.
STEP 4.2 – Energia per la costruzione
L'energia per la costruzione può essere basata sulla situazione misurata o sulla quantità di combustibili utilizzati per il funzionamento di gru, ascensori e preparazione del calce- struzzo locale che sono i principali contributori. Il calcolo del consumo di energia durante la fase di costruzione deve essere eseguito secondo metodi standardizzati.
STEP 4.3 – Costo dell’energia in fase operativa
Il consumo di energia è associato alla tariffa per l’energia considerata. L'energia viene calcolata o misurata a seconda della disponibilità dei dati (edificio esistente, edificio in co- struzione o in fase di progettazione). Delle volte, invece, il consumo energetico si calcola in base alla flessibilità o alle tariffe dell’utenza. Queste tariffe (soprattutto per l’elettricità) su- biscono spesso modifiche in relazione a momenti della giornata o specifici periodi dell’anno.
STEP 5 – Calcolo globale dei costi
Questa fase rappresenta il fulcro del metodo. È utile distinguerla in sottofasi in modo da affrontare il calcolo nella maniera più accurata possibile.
STEP 5.1 – Calcolo dei costi di sostituzione
I costi di sostituzione durante tutto il periodo di calcolo sono quantificati in base alla tempistica e ai costi per la sostituzione di sistemi e componenti, come indicato nella fase 3.2.
STEP 5.2 – Calcolo del valore finale (residuo)
La metodologia indicata dalla norma prevede il calcolo anno per anno del valore finale dei componenti, un procedimento contabile per il quale i flussi di cassa annuali, devono essere decurtati del valore residuo del bene, valore che tende ad annullarsi alla fine della sua vita utile. In tal modo è possibile tener conto anche dei beni acquistati la cui vita utile supera l’orizzonte temporale considerato per il calcolo economico. Il valore finale è determinato entro la fine del periodo di calcolo sommando il valore residuo di tutti i sistemi e componenti.
20 Il valore finaleVALfin (j) di un componente è dato dall’ammortamento lineare dell’inve- stimento iniziale fino alla fine del periodo di calcolo e si riferisce all’inizio del periodo di calcolo (Formula (1)).
dove:
VALfin (j) rappresenta l'ultimo costo di sostituzione (al momento della sostituzione) se si tiene conto del tasso di sviluppo del prezzo dei prodotti (RATpr);
n rappresenta il numero totale di sostituzioni per tutto il periodo di calcolo;
[𝒕𝑻𝑪−𝒏∗𝑳𝑺(𝒋)
𝑳𝑺(𝒋) ] rappresenta l'ammortamento a quote costanti dell'ultimo costo di sostitu- zione;
𝑫 _ 𝒇𝒕𝑻𝑪 rappresenta il tasso di sconto (fattore di attualizzazione) alla fine del periodo di calcolo.
Dunque, il valore finale (percentuale), o anche detto residuo, di un sistema o di un com- ponente specifico viene calcolato a partire dalla durata residua (entro la fine del periodo di calcolo) dell'ultima sostituzione del sistema o del componente, assumendo un ammorta- mento a quote costanti per tutta la sua durata. Esso viene successivamente determinato mol- tiplicandolo con il costo di sostituzione appropriato.
STEP 5.3 – Calcolo del costo globale
In questa sottofase le varie categorie di costi (costi di investimento iniziali, costi di sosti- tuzione, costi annuali e costi energetici) e anche il valore residuo vengono riportati all’anno 0, ovvero convertiti in costi globali, applicando il fattore di valore attuale opportuno. Il fat- tore di attualizzazione può variare in dipendenza dai diversi tipi di costi, a causa del diffe- rente tasso di evoluzione dei prezzi per energia, operato umano, prodotti, manutenzione, ecc.
Il costo globale totale si ottiene dalla somma dei costi globali dei costi di investimento iniziali, di sostituzione, operativi, di gestione ed energetici e dalla sottrazione del costo glo- bale del valore finale. Il calcolo dei costi globali si può attuare tramite un criterio per com- ponenti, tenendo conto dell’investimento inizialee, per ogni componente j, dei costi annuali (riferiti all’anno d’inizio) per ogni anno i, dei costi di smaltimento e del valore finale.
(1)
21 La formula per il calcolo sarà pertanto:
dove:
CG sono i costi globali riferiti all’anno 0;
COINIT sonoi costi di investimento iniziali;
COa(i) (j) sono i costi annui per l'anno i per componente o servizio j;
RATxx(i) (j) è lo sviluppo del prezzo per l’anno i per componente del servizio j;
COCO2(i) (j) è il costo delle emissioni di CO2 per la misura j durante l'anno i;
COfin(TLS) (j) è il costo finale (smaltimento) per la disattivazione, la decostruzione e lo
smaltimento nell'ultimo anno di TLS del ciclo di vita della componente j o dell'edificio (ri- ferito all'anno 0);
VALfin(tTC) (j) è il valore residuo della componente j nell'anno TC alla fine del periodo
di calcolo (riferito all’anno 0);
D_f(i) è il fattore di attualizzazione (sconto) per l’anno i;
tTC è il periodo di calcolo.
Conclusione dell’analisi di investimento
Una volta effettuato il calcolo si procede con la valutazione dell’investimento, ovvero se questo risulta essere economicamente conveniente oppure no.
Dal momento che i costi e ricavi dell’investimento avvengono in tempi diversi all’interno del periodo di calcolo, è necessario trasformare tutti i costi/ricavi nominali in costi/ricavi equivalenti al tempo iniziale dell’investimento mediante l’operazione di “attualizzazione”
dei flussi di cassa. Il costo globale, infatti, è valutato in termini di Valore Attuale Netto (abbreviato in VAN). Il VAN è una metodologia molto diffusa per la valutazione economica e finanziaria di progetti a medio/lungo termine tramite cui si definisce il valore attuale di una serie attesa di flussi di cassa, non solo sommandoli contabilmente, ma attualizzandoli sulla base del tasso di sconto (di attualizzazione).
(2)
22 A VAN positivi corrispondono investimenti efficaci sotto il profilo dei costi mentre, ove il VAN sia negativo, l’intervento è da considerarsi non conveniente.
Confrontando il VAN di due o più investimenti alternativi si riesce a valutare l'opzione più vantaggiosa proprio attraverso il meccanismo dell'attualizzazione dei costi e dei ricavi, che prevede il ricondurre ad un medesimo orizzonte temporale i flussi di cassa che si mani- festerebbero in momenti diversi e che quindi non sarebbero direttamente confrontabili.
Il Payback Period (tempo di ritorno) viene infine utilizzato per confrontare il costo di due diverse soluzioni. Di solito, infatti, le opzioni di intervento individuate vengono con- frontate con un riferimento. Il rientro dell’investimento viene considerato favorevole quando il costo globale dell'operazione è inferiore al costo globale del riferimento per uno stesso periodo di calcolo. Per gli edifici esistenti, il riferimento potrebbe essere lo stato reale (non fare nulla); mentre per i nuovi edifici, il riferimento potrebbe essere un edificio che soddisfi i requisiti minimi della normativa nazionale. Il periodo di rimborso (attualizzato) è il momento in cui la differenza tra il costo di investimento iniziale del progetto e quello di riferimento è bilanciata con la differenza di costo annuale attualizzata cumulata in ogni singolo anno:
dove:
CFt è la differenza del costo annuale (differenza di flusso di cassa) tra il caso
opzionale e il caso di riferimento nell'anno t;
TPB è l’ultimo anno per il periodo di rimborso (tempo in cui la somma viene interrotta quando la formula diventa negativa pari a 0);
RATdisc è il tasso di sconto
COINIT sono i costi di investimento iniziale
COINITref è il costo di investimento iniziale per il caso di riferimento (pari a 0 per
l’opzione che non fa nulla)
(3)
(4)
23 Nel caso in cui il flusso di cassa risultasse costante con un’influenza non particolar- mente significativa dei costi di sostituzione, il PB attualizzato si può calcolare nel se- guente modo:
dove:
CF rappresenta il valore costante della differenza dei costi di gestione tra l'alternativa e il caso di riferimento in tutti gli anni.
In conclusione, nella valutazione economica è altresì opportuno tenere conto dei mec- canismi di incentivazione disponibili per gli interventi di efficienza energetica come ad esempio detrazioni fiscali. Si tratta di strumenti a sostegno di questa tipologia di interventi che consentono di recuperare parte dell’investimento. È necessario che il progettista valuti quali di questi strumenti utilizzare e quali di questi siano più convenienti per la situazione in esame. È tuttavia fondamentale mettere in evidenza l’analisi costi-benefici sia in assenza di incentivi e sia attraverso il ricorso alle forme incentivanti.
2.2 Modelli LCA e LCC
Gli interventi di riqualificazione energetica sugli edifici vengono realizzati sostanzial- mente per due ragioni: una economica e l’altra ambientale. La norma precedentemente os- servata dà direttive in relazione al solo aspetto economico. Dal punto di vista ambientale è opportuno analizzare la metodologia LCA, la quale negli ultimi anni si sta facendo strada nel settore edilizio.
Il Life Cycle Assessment (LCA) rappresenta il principale strumento operativo del Life Cycle Thinking (LCT), un approccio innovativo che consente di passare dal tradizionale processo di progettazione ad uno sguardo d'insieme del sistema produttivo, in cui sono in- clusi tutti gli impatti (ambientali, sociali ed economici) che un prodotto ha nel suo intero ciclo di vita. Esso nasce in ambito industriale e solo recentemente è stato adottato anche nel settore delle costruzioni. La procedura LCA è standardizzata a livello internazionale dalle norme ISO 14040 e 14044.
La norma BS EN ISO 14040:2006 [12] definisce il metodo LCA come un mezzo per la
“compilazione e valutazione attraverso tutto il ciclo di vita dei flussi in entrata e in uscita, nonché i potenziali impatti ambientali, di un sistema di prodotto”.
(5)
24 A livello operativo, lo studio LCA si articola in quattro fasi, come illustrato nella figura 2.2:
1. Goal and scope definition - Definizione dell’obiettivo dell’analisi e del campo di applicazione. In questa fase oltre a definire i propositi dell’LCA e i confini del sistema, si stabilisce un’unità funzionale che costituisce il sistema di riferimento, relativo ad un determinato servizio, rispetto al quale vengono contabilizzati i flussi fisici inseriti nell’inventario, tutti gli ingressi e le uscite di energia e materiali. La scelta dell’unità funzionale nella LCA viene effettuata in base all’obiettivo da rag- giungere.
2. Life Cycle Inventory (LCI) - Analisi d’inventario del ciclo di vita nella quale si realizza una raccolta di dati di input (ovvero elementi in ingresso come materiali, energia, risorse naturali) e di output (ovvero elementi in uscita come emissioni in aria, acqua, suolo) relativi al sistema.
Tale fase si scompone in ulteriori tre parti:
• definizione degli obiettivi e dell’ambito
• analisi dell’inventario
• interpretazione
3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA) - Valutazione degli impatti ambientali po- tenziali, diretti ed indiretti, associati a questi input e output.
4. Life Cycle Interpretation - analisi critica dei risultati ottenuti dalle fasi LCI e LCIA e formulazione di eventuali strategie di intervento.
Figura 2.2 – Fasi di uno studio di Life Cycle Assessment (Elaborazione personale)
25 L’obiettivo di tale analisi è quello di indirizzare le scelte progettuali mediante un approc- cio alla valutazione d’insieme dei carichi energetico-ambientali dei materiali, delle tecniche costruttive e delle tipologie degli impianti di servizio che, a livello complessivo e non di singolo componente, corrispondano al minor consumo di risorse ed impatti ambientali.
L’applicazione dell’analisi LCA al settore edilizio consente di valutare la sostenibilità di soluzioni progettuali costruttive, manutentive e di demolizione. Il metodo esamina gli aspetti e i potenziali impatti ambientali durante l'intero ciclo di vita del prodotto a partire dall'ac- quisizione delle materie prime per poi passare alla produzione, l'uso, la manutenzione, il trattamento di fine vita, il riciclaggio e lo smaltimento finale, ottenendo così un’analisi di tipo “from cradle to grave”, dalla culla alla tomba, come illustrato nella figura sottostante.
Figura 3.2 – Approccio LCA sull’intero ciclo di vita del prodotto (Sito Web - biblus.acca.it)
L’approccio metodologico è per sua natura di tipo dinamico e iterativo, consentendo il parallelo, già in fase iniziale, tra varie soluzioni progettuali e mettendo in risalto le perfor- mance energetico-ambientali di ognuna di queste. Dopo aver eseguito le scelte progettuali, se ne valuta la validità tramite l’applicazione iterativa del metodo che consente, inoltre, di misurare l’efficacia di potenziali proposte di aggiornamento e/o miglioramento. Tra l’altro man mano che si approfondisce l’analisi, nuovi dati potranno poi sostituire o aggiornare i vecchi, richiedendo la revisione dei calcoli stessi.
Concettualmente simile al metodo LCA, è il Life Cycle Costing (LCC), un modello che segue la stessa linea di pensiero con la sostanziale differenza che esso si concentra sull’ana- lisi del ciclo di vita di un componente da un punto di vista esclusivamente economico.
26 Infatti, il fine ultimo dell’LCC è fornire un utile strumento che permetta di comprendere dove intervenire per ridurre i costi relativi ad un elemento e/o sistema edilizio. Questo me- todo consente, inoltre, di affrontare il calcolo dell’intero impatto economico dell’edificio, al contrario del “Costo globale” affrontato nella norma BS EN 15459:2017, che fornisce una procedura di calcolo per i soli costi degli impianti di riscaldamento e di altri impianti coin- volti nell'uso energetico di un edificio. Il costo del ciclo di vita (LCC) è definito dall’Inter- national Organization for Standardization (ISO) nello standard Buildings and Built Assets, Service-life Planning, part 5: Life-cycle Costing (ISO 15686-5) [13] come una valutazione economica tenendo conto di tutti i flussi di cassa significativi e rilevanti previsti per un pe- riodo di analisi espresso in valore monetario. I costi previsti sono quelli necessari per rag- giungere livelli definiti di prestazioni, tra cui affidabilità, sicurezza e disponibilità. Pertanto, i costi che in via generale devono essere inclusi in tale analisi sono:
▪ i costi di acquisto e tutti i costi associati come la consegna, l'installazione, la messa in servizio e l'assicurazione;
▪ costi operativi, compresi i costi di utilità come l'uso di energia e acqua e i costi di manutenzione;
▪ costi di fine vita come rimozione, riciclaggio o ristrutturazione e disattivazione;
▪ longevità e tempi di garanzia dell'asset.
Figura 4.2 – Elementi WLC e LCC (BS ISO 15686-5: Buildings and Built Assets, Service-life Planning, part 5: Life-cycle Costing).
27 La figura 4.2 indica graficamente e in maniera approssimativa i costi che dovrebbero es- sere inclusi nel Life Cycle Costing e quei costi e i redditi più ampi che dovrebbero essere indicati come costi dell'intera vita. Generalmente i costi vanno classificati per categorie, per avere un quadro più dettagliato. I costi del progetto prima dell'inizio della progettazione per la costruzione (ad esempio studi di fattibilità) fanno parte del WLC, non dell’LCC. I flussi di cassa ambientali, che fanno parte del costo del ciclo di vita, possono essere negativi (tipo le tasse)o positivi (redditi, ad esempio, reddito da produzione di energia rinnovabile). Dun- que, il metodo è costituito dalla totalità dei costi che incidono sull’edificio o sulla struttura:
dalla costruzione alla gestione fino all’eventuale demolizione. Si tratta di confrontare tutti i costi del ciclo di vita allo stesso istante temporale, tipicamente all’istante t0, tramite la tecnica del VAN o NPV.
L’analisi LCC può essere effettuata nelle quattro fasi cardine del ciclo di vita di qualsiasi bene costruito:
1. investimenti e pianificazione del progetto, analisi strategiche dei costi dell'intero ciclo di vita / del ciclo di vita, pre-costruzione;
2. progettazione e costruzione, costo del ciclo di vita durante la costruzione, a livelli di schema, funzionale, di sistema e di componenti dettagliati;
3. durante l'occupazione, costo del ciclo di vita durante l'occupazione (costo in uso), post-costruzione;
4. smaltimento, determinazione dei costi del ciclo di vita a fine vita / cambio di stato.
Pertanto, l’LCC diviene uno strumento di supporto per:
a) valutare diversi scenari di investimento (come adattare e riqualificare una struttura esistente) nella fase di pianificazione;
b) scegliere tra progetti alternativi per tutto o parte di un bene costruito durante la fase di progettazione e costruzione;
c) scegliere tra componenti alternativi con prestazioni accettabili in fase d’uso;
d) confrontare decisioni precedenti;
e) stimare costi futuri per valutare l’attendibilità di un investimento.
In conclusione, “attraverso una valutazione comparativa effettuata con l’ausilio delle note metodologie di Life Cycle Assessment e Life Cycle Costing, è possibile individuare, fra le diverse tipologie di componenti e di sistemi costruttivi, quelli che presentino un minor im- patto sull’ambiente e che siano maggiormente sostenibili anche dal punto di vista econo- mico, grazie a più appropriate strategie manutentive” [10].
28
Capitolo 3
3.1 Metodologia comparativa per i casi di studio
Oggetto della discussione saranno casi di studio relativi a soluzioni tecniche, applicate a diversi tipi di edificio in zone europee differenti, il cui fine è valutare l’impatto di interventi di ottimizzazione energetica da un punto di vista tecnico-economico. Gli articoli selezionati sono stati pubblicati da riviste internazionali consultabili online presso il database Science- Direct. Il metodo, o analisi, dei costi globali funge da filo di collegamento tra i vari casi. In particolare, è stato utilizzato come linea guida il regolamento UE n. 244/2012 [14], emanato nel 2012 come integrazione della direttiva UE 2010/31/UE [15], che stabilisce, tra le altre cose, un quadro comparativo e metodologico per il calcolo dei livelli ottimali in termini di costi dei requisiti minimi di prestazione energetica per gli edifici e i loro elementi. Tale me- todologia applicata all’indagine di studio si basa su diverse fasi: in primis, ogni Stato Mem- bro definisce un edificio di riferimento che rappresenta il patrimonio edilizio nazionale re- lativo ad un particolare periodo di costruzione. Ad esso si associa la descrizione degli ele- menti strutturali del tessuto edilizio e parametrizzazione delle proprietà termo-fisiche (tra- smittanza termica, fattore solare, tenuta all'aria, ecc.), l’identificazione del contesto clima- tico, la caratterizzazione dei sistemi tecnici e dei loro componenti in funzione di potenza, consumi ausiliari ed efficienza e la definizione dei profili utente dell'edificio di riferimento.
In secondo luogo, occorre definire una serie di misure di efficienza energetica (Energy Effi- ciency Measures - EEMs) che possono essere combinate in pacchetti EEMs, in quanto l’ag- gregazione di diversi interventi crea sinergie che determinano risultati migliori (sia in termini di costi che di rendimento energetico) rispetto a quelli ottenibili con singole misure. Si cal- cola poi il fabbisogno di energia primaria per ciascun pacchetto di misure applicate all'edi- ficio di riferimento mediante simulazioni dinamiche e con l’ausilio della norma EN 15459 [16] si effettua una stima globale dei costi. Una volta definite le performance energetiche e i costi globali, si esegue un calcolo iterativo così da ottenere il pacchetto che garantisce il raggiungimento del livello economico ottimale. Si procede tracciando un grafico dei risultati che presenta sull’ascisse l'energia primaria, espressa in kWh/(m2•a), e sull’ordinata i costi globali in €/m2 (costi per superficie condizionata) per ciascun pacchetto di misure conside- rato, come illustrato nella figura 1.3. Il minimo della curva rivela la combinazione di inter- venti con il costo più basso. Qualora i pacchetti presentino costi simili, la definizione del
29 livello economico ottimale dovrebbe basarsi sul pacchetto caratterizzato dal minor consumo di energia primaria.
Figura 1.3 – Curva dei costi globali (A = optimum economico, B = scenario di riferimento, C = costo relativo a scenario nZEB). [19]
L'area del grafico più vicina all'asse verticale identifica le soluzioni applicate all'edificio di riferimento che portano alle migliori prestazioni energetiche, indipendentemente dal pa- rametro di costo. Queste soluzioni soddisfano l'obiettivo di un edificio a energia quasi zero (n-ZEB)3 che orienta la costruzione verso un modello ad alta efficienza energetica ma im- plica costi più elevati. Nella fase finale della metodologia sono previste analisi di sensibilità con lo scopo di identificare l'effetto del tasso di sconto sui calcoli economici ottimali.
3.2 Studio di letteratura
Con lo scopo di approfondire lo studio sulla valutazione economica degli interventi di ottimizzazione energetica degli edifici, è stata effettuata un’attenta revisione di parte della letteratura scientifica internazionale relativa a studi di ricerca in tale ambito, i quali preve- dono l'applicazione della metodologia comparativa europea a partire da approcci diversi.
Molte delle opere analizzate propongono una breve review della letteratura in materia. La ricerca copre un lasso temporale di dieci anni, dal 2011 al 2020. Kurnitski et al. [17] hanno riportato una rigorosa procedura scientifica per valutare il rendimento energetico ottimale in termini di costi e nZEB degli edifici residenziali in Estonia. Più precisamente è stata sele-
3 Secondo la direttiva 2010/31/UE per nZEB, “edificio a energia quasi zero”, si intende un edificio ad elevatissime prestazioni energetiche che riduce il più possibile i consumi per il suo funzionamento e l’impatto nocivo sull’ambiente. Inoltre, la quantità quasi zero di energia richiesta dovrebbe essere coperta pressoché del tutto dall’energia proveniente da fonti rinnovabili.
Primary Energy Consumption (kWh/m2) Global Costs (€/m2)
30 zionata una serie di edifici di riferimento che includono diversi concetti di costruzione, va- lutando allo stesso tempo molteplici sistemi tecnici come caldaie a biomassa, pompe di ca- lore, riscaldatori elettrici, nonché teleriscaldamento e raffreddamento. Per i calcoli econo- mici è stata seguita la norma EN 15459, inoltre è stato stimato il costo globale relativo alle prestazioni energetiche incrementali come somma del costo di costruzione attinente a tali performance e del costo energetico scontato per 30 anni, compreso interamente l’impiego di energia elettrica e di riscaldamento, rispetto alla soluzione di riferimento:
dove Cg è il costo relativo alla prestazione energetica incrementale globale incluso nei calcoli, NPV, €/m2; CI è il costo di costruzione relativo alla performance energetica incluso nei calcoli, €; Ca,i è il costo energetico annuo durante l'anno i, €; Rd(i) è il fattore di sconto per l'anno i; Cref è il costo relativo al rendimento energetico globale incluso nei calcoli dell'e- dificio di riferimento BAU, NPV,€; Afloor è la superficie netta riscaldata, m2.
L’analisi dei costi globali ha dimostrato che un consumo di energia primaria annuale di 110 kWh/(m2•a), ottenibile con l'installazione di una pompa di calore geotermica, rappre- senta lo scenario ottimale, di gran lunga inferiore al requisito minimo di 180 kWh/(m2•a) imposto dalla legislazione estone. Al contrario, il livello nZEB (40 kWh/(m2•a)) è ancora lontano dall’essere raggiunto dal momento che comporterebbe un significativo costo di in- vestimento aggiuntivo (239 €/m2).
La stessa area geografica è stata oggetto di interesse da parte di Pikas et al. [18], i quali hanno presentato un caso relativo ad edifici per uffici con l’obiettivo di determinare quali soluzioni di facciata siano ottimali in termini di costi nell'attuale contesto economico nonché il costo aggiuntivo per il raggiungimento di un livello di prestazioni nZEB. Così come per la situazione precedente, è stato calcolato il costo globale relativo alle prestazioni energeti- che incrementali come somma del costo di costruzione relativo al rendimento energetico e del costo energetico scontato per 20 anni. La migliore soluzione a livello economico è stata individuata in un edificio con un consumo di energia primaria ≤130 kWh/m2 rispetto al re- quisito minimo estone pari a 160 kWh/m2. D’altra parte, edifici nZEB (≤100 kWh/m2) non sono ancora convenienti in termini di costi. È emerso che l’efficienza energetica ed econo- mica si può raggiungere tramite l’impiego di finestre riempite di argon a triplo vetro con un piccolo rapporto finestra/parete (Window to Wall Ratio – WWR) e spessori isolanti di 200 mm. Inoltre, grazie ad analisi di sensibilità si prevede che l'ottimo economico risulterà più (6)
