Promuovere e incentivare la transizione energetica in un'ottica di quartiere: applicazione del concetto di Positive Energy District a un caso studio universitario

I Distretti a Energia Positiva (PED) costituiscono uno strumento chiave per promuovere una visione integrata e sistemica dello sviluppo urbano sostenibile. Essi si configurano come catalizzatori della transizione energetica ed ecologica, favorendo l’interazione tra dimensioni tecnologiche, normative, urbanistiche, economiche, ambientali e sociali. 

Un Distretto a Energia Positiva è concepito come un'area urbana in grado di raggiungere l'autosufficienza energetica e di operare con emissioni nette di CO₂ nella fase d’uso complessivamente pari a zero. Ciò comporta la capacità, non solo di soddisfare il proprio fabbisogno energetico, ma anche di generare un surplus di energia (grazie all’utilizzo di fonti rinnovabili e a basso impatto ambientale) tale da poter essere poi immesso nella rete elettrica. 

I PED, in grado di integrare coerentemente il contesto antropizzato e il tessuto urbano con la mobilità e i modelli di produzione e consumo sostenibili, contribuiscono inoltre alla riduzione dei gas climalteranti e al miglioramento dell’efficienza energetica complessiva. Ne consegue un effetto positivo anche sul benessere della popolazione, con potenziali benefici legati alla riduzione della povertà e della vulnerabilità energetica. 

In un quadro così articolato e complesso, l’edilizia – sia residenziale che non residenziale – assume un ruolo strategico, rappresentando un ambito prioritario per l’attuazione di interventi di riqualificazione energetica mirati. L’approccio adottato in questa ricerca prevede la definizione e l’applicazione di una metodologia operativa flessibile e coerente rispetto ai requisiti energetici e ambientali propri dei PED.

 A partire da un caso studio, sono state modellate e simulate - tramite il tool di analisi energetica EnergyPlus - le prestazioni attuali del distretto analizzato, con l’obiettivo di individuarne criticità e margini di miglioramento. Sono state quindi selezionate strategie di retrofit efficaci e compatibili con il contesto, valutandone anche gli impatti ambientali in un’ottica di ciclo di vita (Life Cycle Assessment), al fine di privilegiare soluzioni coerenti con i principi della sostenibilità. 

Lo studio si inserisce nel Progetto di ricerca “GRINS – Growing Resilient, Inclusive and Sustainable”, finanziato nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) e ha riguardato alcuni edifici del Campus Universitario di Palermo, per i quali sono stati simulati e analizzati diversi scenari di riqualificazione.

La metodologia adottata si è articolata secondo i seguenti step operativi:

1. In riferimento agli edifici universitari selezionati – nello specifico quelli afferenti al Dipartimento di Ingegneria (cfr. Figure 1 e 2) – sono stati condotti numerosi sopralluoghi. A questi ha fatto seguito la raccolta e l’analisi di dati e report tecnici, utili ad integrare nei modelli energetici (sviluppati tramite il software EnergyPlus) le seguenti informazioni:

• Caratteristiche e proprietà termofisiche dell’involucro edilizio.
• Sistemi di illuminazione, di condizionamento e apparecchiature elettriche.
• Dati mensili di consumo elettrico e fabbisogno di gas per il riscaldamento, insieme ai profili orari di carico elettrico e termico relativi al periodo compreso tra il 2019 ed il 2023. 
• Tasso di occupazione medio
   

2. È stata poi effettuata la simulazione in regime dinamico, con verifica dell’accuratezza e dell’attendibilità dei modelli (anche sulla base delle condizioni al contorno e della configurazione complessiva degli edifici), assicurandosi che i risultati simulati rientrassero in un margine massimo di scostamento del ±10% rispetto ai consumi storici registrati.

3. Sono state quindi individuate e integrate nei modelli le diverse soluzioni di efficientamento energetico riportate di seguito, simulandone gli impatti attesi in termini di miglioramento delle prestazioni e riduzione dei consumi:

• Isolamento termico dell’involucro.
• Sostituzione degli infissi esistenti con l’utilizzo di serramenti a taglio termico e vetri ad alte prestazioni.
• Efficientamento dei sistemi di illuminazione con l’utilizzo di tecnologie LED.
• Ottimizzazione degli impianti di riscaldamento e raffrescamento e contestuale elettrificazione completa degli stessi.
• Installazione di impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili (sistemi fotovoltaici installati sulle coperture degli edifici).
   

4. Le strategie di intervento selezionate – analizzate sia singolarmente che in forma integrata – sono state valutate anche dal punto di vista ambientale mediante un approccio di ciclo di vita.

5. Infine, è stata verificata la fattibilità tecnica del raggiungimento di un bilancio energetico positivo, in funzione dei requisiti previsti per i PED.

Lo studio ha analizzato diverse strategie di riqualificazione energetica del distretto - inclusa l’integrazione di fonti rinnovabili - con l’obiettivo di verificarne la conformità rispetto alle specifiche dei Positive Energy Districts. Tali strategie sono state valutate, sia dal punto di vista energetico che ambientale, grazie all’applicazione della metodologia LCA. 

Ai fini della ricerca, sono stati considerati i consumi energetici in situ e la produzione di energia da impianti fotovoltaici installati in copertura, con una valutazione condotta su base annua secondo l’equazione (1).

Dove: B è il bilancio energetico annuo del distretto (in energia finale); Gj è l’energia prodotta, su base oraria, dai pannelli fotovoltaici in copertura (j = 1–8760); Cj è l’energia oraria consumata all’interno del distretto (j = 1–8760).

Per poter estendere la valutazione in ottica PED rispetto al mero confronto annuo tra consumi e produzione fotovoltaica (equazione 1), è stato introdotto un ulteriore criterio ambientale. L’equazione (1) è stata quindi integrata da una condizione di verifica estesa, come segue:

Dove: B′ è il bilancio ambientale annuo del distretto; EbIj è il contributo annualizzato dell’indicatore ambientale per lo scenario pre-riqualificazione (per ogni categoria di impatto j); ErIj,k è il contributo annualizzato degli interventi di riqualificazione k (per tutte le categorie j).

Secondo quanto mostrato nella Figura 3 (che illustra il comportamento energetico del distretto riqualificato per un anno tipo), nei mesi tra aprile e settembre la produzione fotovoltaica riesce a coprire - e talvolta a superare - il fabbisogno del distretto.

Su base annua, tuttavia, la sola installazione dei pannelli fotovoltaici in copertura non garantisce l’autosufficienza energetica, pur a fronte di una domanda sensibilmente ridotta. Tramite la completa elettrificazione del distretto, l’adozione di tecnologie ad alta efficienza e l’integrazione di fonti rinnovabili, è possibile coprire con generazione locale fino all’80% della domanda energetica complessiva.

Questo risultato evidenzia la necessità di valutare soluzioni aggiuntive, come ad esempio l’espansione delle superfici fotovoltaiche, l’adozione di interventi più incisivi ed ulteriori misure di efficientamento energetico.

Per quanto concerne i risultati della valutazione ambientale, emerge un quadro piuttosto articolato. La Tabella 1 presenta un raffronto tra gli indicatori di impatto ambientale del distretto riqualificato, illustrando le variazioni percentuali annue tra lo scenario ante e quello post-intervento. I risultati mostrano andamenti disomogenei e irregolari dei diversi indicatori analizzati.

Alla luce della complessità e multidimensionalità del tema trattato, si riassumono di seguito gli elementi chiave emersi dall’analisi:

Risultati principali

• Miglioramento netto delle prestazioni energetiche del distretto (riduzione dei consumi elettrici nell’ordine del 40% e dei consumi di gas del 100%).
• Il modello di riqualificazione proposto mostra che la generazione in situ copre fino all’80% del fabbisogno energetico annuo.

Criticità rilevate 

• Produzione da fonti rinnovabili a livello di distretto variabile e stagionale (valori compresi tra 52,43 MWh in dicembre e 165,57 MWh in luglio).
• Impatti ambientali associati ai materiali e alle tecnologie impiegate (embodied) non trascurabili.

Evidenze dall’analisi LCA

• Dal confronto tra gli scenari pre-riqualificazione e post-retrofit si registra una riduzione significativa di alcuni impatti ambientali, tra cui: domanda cumulativa di energia (-63%), esaurimento abiotico combustibili fossili (-40%) e potenziale di riscaldamento globale (-34%). 
• È tuttavia necessario condurre un’analisi estesa e più completa, poiché alcuni impatti ambientali presentano un incremento (eutrofizzazione +54%, esaurimento abiotico elementi +61%, riduzione dello strato di ozono +63%).

Strategie necessarie

• Adozione di approcci integrati, flessibili e adattabili ai contesti locali.
• Impostazione del PED come ecosistema urbano interconnesso, fondato su una stretta integrazione tra dimensione energetica e ambientale.

Prospettive future

• Estensione dell’analisi a distretti urbani di scala più ampia.
• Sviluppo, sperimentazione e applicazione del modello PED in aree pilota della città di Palermo e in altri contesti del bacino mediterraneo.
• Redazione di linee guida per l’applicazione di un approccio PED adeguato ai contesti urbani mediterranei.

Ringraziamenti

Lo studio pubblicato è stato finanziato dall'Unione Europea – NextGenerationEU, Missione 4, Componente 2, nell’ambito del progetto GRINS - Growing Resilient, INclusive and Sustainable (GRINS PE00000018 – CUP B73C22001260006). I punti di vista e le opinioni espresse sono esclusivamente quelle degli autori e non riflettono necessariamente quelle dell'Unione Europea, né può l’Unione Europea essere ritenuta responsabile per esse.