Concetto energetico residenziale per un nuovo quartiere abitativo

La sfida

Lauber IWISA, uno studio di tecnica degli edifici dell’Alto Vallese, si è associato a Sympheny, alla Scuola universitaria di scienze applicate di Lipsia e all’autore Simon Bach per pianificare l’approvvigionamento energetico di un nuovo quartiere residenziale svizzero: dieci edifici collettivi e sei case unifamiliari, ovvero circa 12’000 m² di superficie riscaldata. Sullo sfondo di preoccupazioni di approvvigionamento, dell’aumento dei prezzi dell’energia e dell’obiettivo di neutralità climatica 2050, il progetto doveva determinare i costi annuali, le emissioni annuali in equivalente CO₂ e il grado di autarchia per più opzioni di fornitura.

La parte difficile era adattare i parametri alla struttura del modello. Numerose variabili di ingresso plasmano il risultato, e il quartiere disponeva di un’ampia gamma di concetti di fornitura plausibili: centralizzato versus decentralizzato, elettrico versus combustione, mono-fonte versus accoppiato settorialmente. Selezionare i parametri delle fonti, dell’accumulo e delle tecnologie di conversione in modo da produrre risultati credibili e comparabili era un’attività di modellazione non banale.

Come è stato utilizzato Sympheny

Il team ha utilizzato Sympheny per modellare l’intero quartiere e lasciare che l’ottimizzazione di sistema facesse emergere le opzioni a costo più basso e CO₂ più bassa attraverso tre varianti esplicite: Variante 1, pompe di calore ad aria decentralizzate in ogni edificio; Variante 2, captazione centralizzata su falda freatica con rete di distribuzione e pompe di calore su falda decentralizzate; Variante 3, una centrale di combustione a biomassa centrale che alimenta una rete di teleriscaldamento con sottostazioni di trasferimento per casa. Sono state passate al vaglio anche tecnologie meno comuni (idrogeno, elettrolizzatori, acque reflue come fonte di pompa di calore), con l’idrogeno scartato per ragioni di costi.

• Ottimizzazione su scala di quartiere: ha modellato i 16 edifici come un unico sistema invece di una serie di calcoli autonomi, così che i costi dell’infrastruttura centrale fossero dimensionati rispetto alla domanda condivisa.
• Insieme di candidati aperto sulle tecnologie: ha valutato l’aria, la falda freatica e la biomassa accanto a opzioni meno comuni come l’idrogeno e il calore delle acque reflue, lasciando decidere all’algoritmo invece che alla convenzione cosa sopravvive.
• Vista di compromesso a tre criteri: ha presentato ogni variante su costi, equivalente CO₂ e autarchia insieme, così che la scelta ingegneristica potesse essere fatta sui tre criteri, e non sul solo costo.

Risultato

Su costi annuali ed equivalente CO₂, le due varianti a pompa di calore differiscono solo leggermente: il capex più elevato delle pompe di calore su falda freatica è compensato nel tempo da costi di elettricità inferiori a quelli dell’aria. La variante biomassa, ovvero la combustione di cippato di legno, che batte la combustione di pellet sia sui costi sia sulla CO₂, presenta i costi annuali più bassi delle tre.

È l’autarchia a cambiare la raccomandazione. La Variante 3 (biomassa) ha un’autarchia nettamente più bassa rispetto alle opzioni a pompa di calore, il che significa che i suoi costi annuali dipendono fortemente dai prezzi futuri del cippato di legno. Una volta pesati insieme costi, equivalente CO₂ e autarchia, la pompa di calore centrale su falda freatica vince: costi annuali leggermente superiori, ma la più alta autarchia delle tre e la minore esposizione ai prezzi dei vettori energetici importati. È il modello Sympheny ad aver reso praticabile il confronto a tre criteri: l’algoritmo ha restituito direttamente le soluzioni a costo più basso e CO₂ più bassa per ogni variante.

Soluzioni ottimali in senso di Pareto per le tre varianti di fornitura. La biomassa (grigio) è la più economica sui costi annuali, ma più bassa sull’autarchia; la variante su falda freatica vince una volta presa in considerazione l’autarchia.