Integrare produzione energetica, coltivazioni e tecnologie per l’efficienza degli edifici è una delle sfide più interessanti della transizione energetica. In questa direzione si inserisce uno studio sviluppato da Shanza Neda Hussain e Aritra Ghosh dell’Università di Exeter, che ha analizzato la fattibilità di un sistema agrivoltaico installato sul tetto di un edificio residenziale.
L’obiettivo della ricerca è ambizioso: dimostrare come l’energia solare possa convivere con la coltivazione di ortaggi, la produzione di idrogeno verde e l’utilizzo di finestre intelligenti ad alta efficienza, contribuendo alla realizzazione di edifici più sostenibili e autonomi dal punto di vista energetico.
Uno studio pensato per ridurre il conflitto tra energia, edilizia e agricoltura
Lo studio nasce dall’esigenza di affrontare una criticità sempre più evidente: la competizione tra superfici destinate all’agricoltura, produzione energetica e sviluppo urbano. Attraverso simulazioni digitali, i ricercatori hanno valutato una soluzione integrata capace di tenere insieme sostenibilità ambientale, impatto economico e funzionalità dell’edificio.
Il progetto prende forma come un ecosistema tecnologico composto da:
- pannelli fotovoltaici monofacciali e bifacciali;
- elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM) per la produzione di idrogeno;
- finestre gasocromiche sottovuoto ad alta efficienza.
Il tutto è stato modellato su un edificio residenziale situato a Birmingham, esclusivamente tramite simulazioni.
Come è stato progettato l’agrivoltaico sul tetto
Per valutare il comportamento del sistema agrivoltaico, il team ha testato diverse configurazioni dei moduli fotovoltaici, considerando sia la tipologia dei pannelli sia il loro orientamento.
Le configurazioni analizzate prevedono:
- pannelli monofacciali e bifacciali;
- orientamento verticale a 90°;
- inclinazione ottimale a 30°;
- disposizione a cupola.
L’altezza dei pannelli è stata progettata per garantire sufficiente illuminazione alle colture sottostanti: 3 metri per le configurazioni inclinate e a cupola, 1 metro per quella verticale. In questo modo è stato possibile valutare l’impatto dell’ombreggiamento sulla coltivazione di pomodori.
Produzione agricola ed energetica: i risultati delle simulazioni
Uno degli aspetti più interessanti dello studio riguarda l’equilibrio tra resa agricola ed energetica. Nonostante le diverse configurazioni e i differenti livelli di ombreggiamento, la produzione agricola simulata rimane stabile, con una resa di circa 0,31 kg di pomodori per metro quadrato in tutti gli scenari analizzati.
A variare in modo significativo è invece la produzione di energia elettrica:
- la configurazione con pannelli bifacciali inclinati a 30° ha raggiunto la produzione annua più elevata, pari a 7.919 kWh;
- il costo livellato dell’energia (LCOE) più basso è stato ottenuto con pannelli monofacciali inclinati a 30°, pari a 0,061 sterline/kWh.
Questi dati suggeriscono come l’ottimizzazione della configurazione dei moduli giochi un ruolo centrale nel bilanciamento tra efficienza energetica e sostenibilità economica.
Il ruolo delle finestre gasocromiche
Lo studio non si limita all’agrivoltaico sul tetto. Un altro elemento chiave è rappresentato dalle vetrate gasocromiche sottovuoto (VGC), una tecnologia di smart glazing in grado di modificare la propria trasparenza.
Il funzionamento si basa sull’introduzione di idrogeno nell’intercapedine della vetrata, che provoca la colorazione di uno strato di triossido di tungsteno, riducendo il passaggio di luce e calore. Per ripristinare la trasparenza è sufficiente immettere aria.
Secondo la modellazione effettuata:
- le VGC raggiungono un valore U pari a 1,32 W/m²K, il più basso tra le soluzioni analizzate;
- rispetto alle vetrate elettrocromiche, consentono un miglioramento delle prestazioni energetiche dell’edificio di oltre 8.186 kWh.
Idrogeno verde prodotto direttamente dal tetto
L’idrogeno necessario al funzionamento delle finestre gasocromiche potrebbe essere prodotto direttamente dal sistema agrivoltaico, utilizzando un elettrolizzatore PEM alimentato dall’energia solare.
Secondo le simulazioni:
- per gestire il cambio di trasparenza delle 16 finestre dell’edificio servirebbero circa 52,56 grammi di idrogeno all’anno;
- l’idrogeno prodotto in eccesso potrebbe essere utilizzato per alimentare un veicolo a celle a combustibile.
I ricercatori sottolineano però che il modello presenta dei limiti, legati soprattutto all’impossibilità di monitorare condizioni microclimatiche reali. Un aspetto che rappresenta una sfida importante per il passaggio dalla simulazione all’applicazione concreta.
Un approccio integrato per l’edilizia sostenibile
Lo studio dimostra come l’agrivoltaico sul tetto, integrato con produzione di idrogeno e tecnologie avanzate per l’involucro edilizio, possa rappresentare una soluzione interessante per edifici residenziali più efficienti e multifunzionali.
Sebbene si tratti di un’analisi basata su simulazioni, l’approccio proposto apre scenari concreti per la progettazione di edifici capaci di produrre energia, supportare coltivazioni urbane e migliorare il comfort abitativo, riducendo al contempo l’impatto ambientale.
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