Un concetto energetico di campus autosufficiente

La sfida

Neuhof è un’istituzione educativa a Birr, in Svizzera, che accompagna giovani attraverso strutture di orticoltura, giardinaggio, gastronomia, agricoltura, pittura, metallurgia e falegnameria, accanto a spazi residenziali e di formazione. Distribuito su nove strutture educative, uffici, alloggi e terreni agricoli, ovvero 18’000 m² di superficie costruita su 172’000 m² di terreno, il campus ha la varietà di un piccolo villaggio. Oggi la sua energia proviene dall’elettricità e dal gas della rete. Neuhof si è posto l’obiettivo di diventare un faro per gli altri: un sistema energetico 100% rinnovabile e interamente autosufficiente.

Questo obiettivo impone l’accoppiamento settoriale. L’autosufficienza completa significa che ogni vettore di domanda, ovvero il riscaldamento degli ambienti, l’elettricità e i carburanti dei veicoli, compresi i trattori agricoli, deve essere coperto da risorse rinnovabili in loco o immediatamente circostanti. Una nuova struttura di formazione e il risanamento di edifici esistenti modificano il profilo di domanda. E un sistema autosufficiente ha bisogno di spazio fisico per la produzione e l’accumulo decentralizzati in loco, così che ogni concetto debba essere spazialmente realizzabile, e non solo ottimale sul piano energetico.

Come è stato utilizzato Sympheny

Il team di Sympheny ha innanzitutto quantificato i profili di domanda di riscaldamento degli ambienti, di acqua calda e di elettricità a risoluzione oraria per ogni edificio del sito, oltre ai profili di domanda energetica dei veicoli e dei trattori, utilizzando una combinazione di misure e simulazioni energetiche. Sul lato dell’offerta, le risorse rinnovabili in loco sono state valutate e quantificate a partire da valutazioni precedenti del potenziale geotermico, delle velocità del vento e delle portate d’acqua, coprendo il solare, la geotermia, l’eolico, l’idraulica, i rifiuti agricoli, il liquame e i rifiuti organici della zona circostante. È stato specificato un ampio insieme di tecnologie candidate di conversione e accumulo (Agri-PV, sonde geotermiche, biodigestore, batterie, accumulo di ghiaccio, accumulo di acqua calda in fossa, accumulo di idrogeno e di metano, elettrolizzatore, cella a combustibile, metanatore, cogeneratore a gas) e l’algoritmo di Sympheny ha iterato attraverso le configurazioni di sistema possibili per trovare una traiettoria a costo minimo e tecnicamente realizzabile verso l’autarchia completa.

• Autosufficienza su tutti i vettori: ha ottimizzato insieme il calore, l’elettricità e i carburanti dei veicoli, così che l’algoritmo potesse sfruttare l’accoppiamento settoriale invece di trattare ogni vettore isolatamente.
• Integrazione delle risorse agricole: ha trattato le superfici agricole, il liquame e i rifiuti organici come risorse energetiche a pieno titolo, accanto al solare, alla geotermia, all’eolico e all’idraulica.
• Logica di accumulo stagionale: ha dimensionato l’accumulo di metano e di idrogeno in modo che i surplus estivi portassero il sito attraverso l’inverno senza alcun prelievo dalla rete.

Il sistema energetico di Neuhof come configurato in Sympheny: sottosistemi solare-PV, biogas-e-metano, idrogeno e calore-ed-elettricità collegati in un unico modello autosufficiente.

Risultato

Dopo più iterazioni di ottimizzazione, Neuhof e Sympheny hanno identificato un concetto che presenta un equilibrio particolarmente attraente tra bassa complessità di sistema e bassi costi del ciclo di vita: un grande impianto Agri-PV, un grande serbatoio di metano per l’accumulo stagionale di energia, un cogeneratore a gas, una pompa di calore ad aria e diversi sistemi di accumulo più piccoli per l’accumulo di più breve termine. Il calore, l’elettricità e il metano dei veicoli agricoli sono forniti principalmente dalla combinazione del solare dell’impianto Agri-PV e dei rifiuti organici provenienti dalle aziende agricole in loco e circostanti: i rifiuti organici passano in un biodigestore e vengono valorizzati in metano, con l’accumulo stagionale del metano che assicura un approvvigionamento sufficiente durante i mesi invernali senza alcun prelievo dalla rete elettrica o del gas.

L’impianto Agri-PV produce anche un surplus estivo significativo, che in questo concetto viene convertito in idrogeno, immagazzinato temporaneamente in loco e venduto a terzi, trasformando lo squilibrio stagionale in ricavo esterno. Il concetto sfrutta esattamente ciò che rende Neuhof distintivo: ampie superfici agricole e un flusso regolare di rifiuti organici. Questo lo rende direttamente riproducibile su altri siti agricoli e in zone rurali.

L’esercizio annuale del concetto ottimale: produzione Agri-PV nel corso dell’anno, produzione mensile di H₂ a partire dal surplus estivo, elettricità da cella a combustibile ai picchi invernali, e il profilo di esportazione di H₂ che ne risulta.