L’energia trasparente

In occasione dell’incontro “Energy Efficient Technologies for Building Envelopes” che si è tenuto tra il 25 e il 27 novembre scorsi, il consorzio di ricerca Switch2Save, che dall’ottobre del 2019 segue l’evoluzione del progetto finanziato dall’Unione europea "Lightweight switchable smart solutions for energy saving large windows and glass façades" per migliorare la disponibilità e l’accessibilità economica delle tecnologie di vetro intelligente elettrocromiche e termocromiche, ha presentato i suoi primi importanti risultati: “L’uso di queste tecnologie in combinazione con protocolli di commutazione intelligenti può ridurre fino al 70 % il consumo di energia primaria degli edifici ampiamente vetrati”. Oggi molta dell’energia trasferita attraverso l’involucro esterno degli edifici moderni passa dalle finestre di vetro. Questa trasmissione di energia fa sì che gli spazi interni perdano calore in inverno e diventino fastidiosamente caldi in estate, aumentando oltre all'inquinamento anche i costi di riscaldamento e raffreddamento degli edifici. La tecnologia delle soluzioni “Smart Glass”, come le finestre elettrocromiche (EC) e termocromiche (TC) e le facciate in vetro sviluppate da Switch2Save “Controllano il trasferimento di energia della radiazione e possono quindi ridurre drasticamente la richiesta di energia per il riscaldamento e la climatizzazione di grandi edifici. Inoltre, consentono un comfort di illuminazione interna superiore rispetto alle tradizionali tende da finestra meccaniche”. 

La commutazione EC si basa su materiali che modificano la loro trasmissione luminosa applicando una bassa tensione elettrica, mentre le celle TC si basano su materiali che cambiano le loro proprietà di riflessione infrarossa con l’aumentare della temperatura. Per questo un primo passo del progetto è stato lo sviluppo di protocolli per definire una strategia di commutazione per le celle TC ed EC utile a massimizzare il potenziale di risparmio energetico delle Insulating Glass Units – IGU.  Per i ricercatori di Witch2Save “Questi protocolli di commutazione consentono di controllare lo stato delle IGU da luminoso a scuro, tenendo conto di una serie di parametri relativi all’edificio". Lo stato ottimale delle IGU dovrebbe garantire comfort visivo e termico oltre che risparmio energetico.  La sperimentazione della strategia di commutazione automatica nelle IGU di Switch2Save, testate in zone climatiche diverse come Atene e Stoccolma, evidenzia  “Un potenziale di risparmio energetico riscaldamento-raffreddamento variabile tra il 10% e il 70% rispetto alle tipiche finestre a triplo vetro con frangisole interni. Questo potenziale di risparmio energetico dipende non solo dalla zona climatica ma anche dalla modalità di funzionamento, dalle caratteristiche dell’edificio e dal rapporto finestra-parete dei rispettivi edifici”.

I risultati erano attesi, ma sono riusciti a stupire anche gli scienziati che puntano in pochi anni a commercializzare unità di vetro isolante intelligenti a “energia leggera” adatte per grandi finestre e facciate in vetro: “La commutazione EC si basa su materiali che cambiano la loro trasmittanza luminosa applicando un voltaggio elettrico basso, mentre le celle TC sono basate su materiali che cambiano le loro proprietà di riflessione di infrarossi con l’aumento della temperatura” Per John Fahlteich del Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology, e coordinatore del progetto “I modelli e le simulazioni sviluppati dimostrano che questo protocollo di commutazione è in grado di ottimizzare il comportamento delle nostre nuove IGU, portando alla massima riduzione possibile di consumo primario di energia, assicurando o persino migliorando il comfort visivo e termico”. Nel corso di questo 2021 appena iniziato il progetto prevede di implementare e rendere pienamente operativa questa tecnologia nei due edifici dimostrativi scelti da Switch2Save: il secondo ospedale più grande della Grecia ad Atene e un edificio per uffici a Uppsala, in Svezia. Saranno per questo sostituite tutte le principali finestre e porte-finestre e oltre 200 metri quadri di facciata in vetro degli edifici con le nuove IGU e verrà eseguito un confronto completo “prima-dopo” della domanda di energia in entrambi gli edifici. Per il team di ricercatori di Switch2Save “I risultati accelereranno l’implementazione diffusa dell’energy smart glass e contribuiranno in modo significativo alla realizzazione dell’obiettivo di un settore immobiliare a emissioni zero nell’Ue prima del 2050”.

Il progetto non è certo l’unico nel suo genere. Già dal 2015 i ricercatori della Michigan State University (Msu) lavorano ad un nuovo tipo di tecnologia chiamata “Transparent luminescent solar concentrator” (LSC) che attraverso materiali trasparenti simili al vetro può essere utilizzata su edifici, telefoni cellulari e qualsiasi altro dispositivo che abbia una superficie adatta per convertire i raggi del sole in energia. Secondo Richard Lunt del College of Engineering del Msu questa nuova tecnologia LSC che utilizza piccole molecole organiche sviluppate da Lunt e dal suo team di chimici è in grado di assorbire specifiche lunghezze d’onda della luce solare: “Siamo in grado di sintonizzare questi materiali, per raccogliere solo gli ultravioletti e le vicine lunghezze d’onda infrarosse, che poi balenano in un’altra lunghezza d’onda nell’infrarosso”. Il “baleno” della luce infrarossa viene convertito in energia elettrica da sottili strisce di celle solari fotovoltaiche.  I vantaggi di questo nuovo processo tecnologico che potrebbe ampliare a dismisura il mercato del fotovoltaico, oltre alla sua trasparenza, sono la sua flessibilità e i bassi costi. Anche se la tecnologia è ancora in fase di sviluppo, ha il potenziale per essere portata ad applicazioni commerciali o industriali molto diverse con un costo decisamente abbordabile. 

Ma la sperimentazione e l’ottimizzazione dell’ LSC  non è una prerogativa solo americana. Lo studio “Highly efficient large-area colourless luminescent solar concentrators using heavy-metal-free colloidal quantum dots” avviato sempre nel 2015 grazie a finanziamenti di Fondazione Cariplo e dell’Unione europea ha già permesso di applicare la tecnologia LSC lungo il perimetro di alcune finestre che raccolgono la luce intrappolata, convertendola poi in elettricità. I protagonisti di questo lavoro di ricerca sulla “finestra fotovoltaica” è un team di ricerca italiano, del dipartimento di Scienza dei materiali dell’Università di Milano-Bicocca coordinato dai professori Francesco Meinardi e Sergio Brovelli, in collaborazione con il Los Alamos National Laboratory (Usa) e l’azienda UbiQD. Questi ricercatori hanno fatto di una finestra parzialmente trasparente un generatore di elettricità in grado di alimentare i computer di un ufficio e il condizionatore d’aria in una giornata afosa.  Grazie a IGU e LSC è ormai aperta una nuova strada per utilizzare l’energia solare in un modo meno intrusivo e costoso. Certo prima di vedere queste tecnologie applicate è necessario un ulteriore lavoro per migliorare l’efficienza di produzione energetica, ma la strada per creare superfici di raccolta dell’energia solare trasparenti e di cui non ci si accorga neanche è tracciata e promette bene!