L'uso delle micro-alghe per garantire comfort ambientale agli ambienti scolastici e non solo

Nel campo dei sistemi di ombreggiamento a carattere responsivo, l'uso di foto-bioreattori (PBR) contenenti microalghe sembra essere una tecnologia promettente. L’articolo riassume le principali conclusioni raggiunte attraverso due studi su sistemi di ombreggiamento che utilizzano i PBR come elementi di schermatura traslucidi, in grado di regolare la luce naturale per fornire un adeguato comfort visivo e un miglioramento della qualità dell’aria in ambiente: infatti, le microalghe coltivate all'interno degli elementi di ombreggiamento contribuiscono a migliorare l'ambiente attraverso la “bio-sequestrazione” di CO₂ e la produzione di ossigeno, oltre a garantire una resa architettonica visivamente coinvolgente. 

Fotobioreattori a base di microalghe come sistema di ombreggiamento dinamico

I sistemi foto-bioreattori (Photo-Bio Reactor - PBR) combinano la capacità delle colture di microalghe verdi di proteggere uno spazio architettonico dalla luce solare diretta, con la capacità di generare biomassa ricca di composti bioattivi. Il sistema ha diversi vantaggi: 

• sequestrazione di anidride carbonica e apporto di ossigeno risultante dalla fotosintesi eseguita dalle microalghe (in grado di migliorare la qualità dell'aria di uno spazio interno); 
• produzione di biomassa nella coltivazione indoor; 
• miglioramento del comfort ambientale. 

Proprio quest’ultimo elemento viene garantito dai PBR grazie ad una migliore qualità dell'aria, ad un'efficace ombreggiatura dalla luce solare diretta e al fascino visivo della superficie verde, che produce un impatto sul benessere psicologico degli occupanti.

L’articolo riporta alcune delle conclusioni raccolte durante diverse campagne di sperimentazioni effettuate nell’ambito di edifici scolastici dal Politecnico di Torino e da Arpa Valle d’Aosta.

Cosa sono le micro-alghe

Le alghe presenti negli oceani, nei fiumi e nei laghi costituiscono circa il 10% della biomassa totale della vita vegetale del mondo; nonostante ciò, sono responsabili di circa metà della produzione di ossigeno del pianeta. Oltre alle alghe “macroscopiche” più comunemente conosciute esistono, infatti, anche micro-alghe, piccoli organismi unicellulari o coloniali che producono la maggior parte dell'ossigeno generato da tutti i tipi di vegetazione acquatica. A differenza delle piante, le microalghe sono in grado di assorbire direttamente i nutrienti, senza la necessità di un sistema vascolare. Inoltre, sono in grado di convertire la CO₂ in varie materie prime (a seconda della specie). Proprio questa capacità di assorbire grandi quantità di CO₂ (“bio-sequestrazione”) offre un'alternativa interessante per la sequestrazione delle emissioni di CO₂ da attività industriali. Le specie considerate tra i principali “sequestratori di carbonio” sono i generi Chlorococcum, Chlorella, Euglena e Scenedesmus. 

Quando si progettano sistemi di ombreggiamento basati su micro-alghe, è necessario tenere a mente che il tasso di crescita delle microalghe nei PBR a sistema chiuso è il parametro chiave per il loro corretto funzionamento; questo è influenzato da vari fattori e condizioni operative come: parametri ottici, quantità di CO₂ in ambiente, temperatura, trasferimento di calore, livelli di acidità (pH), miscelazione delle colture per evitare la sedimentazione delle cellule di alga, “pulibilità” e manutenibilità dei componenti. 

I diversi tipi di sistemi ombreggianti che utilizzano micro-alghe

I sistemi PBR chiusi possono supportare livelli molto elevati di efficienza fotosintetica, produttività della biomassa e concentrazione di biomassa. Di seguito, si riporta una panoramica dei progressi di questa tecnologia presentando le configurazioni e le strategie più comuni:

a) I sistemi tubolari: tra le configurazioni più popolari, sono costituiti da una serie di tubi trasparenti disposti in varie configurazioni e possono essere orientati in orizzontale, verticale o inclinati. Le configurazioni orizzontali e le inclinate sono in grado di fornire un angolo migliore rispetto alla luce incidente in confronto alle disposizioni verticali, aumentando così l'efficienza della quantità di luce naturale raccolta e quindi trasmessa. D'altra parte, però, l’orientamento non verticale porta all'accumulo di calore, che potrebbe richiedere l'aggiunta di costosi sistemi di controllo della temperatura. 

b) I sistemi a colonna verticale rigida: sono generalmente cilindri con un raggio fino a 0,2 m e altezze fino a 4 m. All’interno dei cilindri si crea una turbolenza per assicurare che tutte le cellule siano uniformemente esposte alla radiazione, favorendo così la riduzione di CO2 in ambiente. La semplicità di questo tipo di struttura facilita la manutenzione e i processi di pulizia. Il principale fattore limitante nei PBR a colonna verticale è la penetrazione della luce, fondamentale per i tassi di crescita delle microalghe: questo comporta l’utilizzo di diametri limitati, al fine di garantire una diffusione ottimale della luce in tutto il sistema. 

c) I sistemi a pannello piatto: sono costituiti da lastre trasparenti tipicamente disposte in configurazioni verticali e inclinate, con elevati rapporti superficie-volume illuminati. Questi PBR possono essere orientati per garantire una esposizione ottimale rispetto alla luce solare incidente, e la superficie continua dei pannelli determina una distribuzione uniforme della luce in tutto il sistema. È necessario però chiarire che i PBR sottili sono più costosi da realizzare, più difficili da pulire e più facilmente soggetti a sovraesposizione (fotoinibizione) e fluttuazione della temperatura. 

d) Infine, i sacchetti in plastica sono a basso costo, il che li rende particolarmente attraenti per la produzione su scala commerciale. Questi sacchetti possono anche essere dotati di sistemi di aerazione per migliorarne il rendimento. 

Figura 1 - Esempi di sistemi BPR:(a) Tubolari orizzontali (Varicon Aqua Solutions Ltd); (b) Colonna verticale rigida (SCHOTT AG); (c) Pannello piatto (IGV Biotech); (d) Sacco in plastica (http://www.ethanolproducer.com/).

Ombreggiamento verde per la terrazza della State Library of Queensland (BRISBANE, AUSTRALIA)

Il sistema di ombreggiatura in oggetto è stato progettato per uno spazio di lavoro multiuso all'aperto, situato sulla terrazza panoramica di uno degli edifici della State Library of Queensland (SLQ) a Brisbane. La città di Brisbane è nota per il suo clima tropicale mite, che fornisce in media oltre 7 ore di luce solare al giorno; con temperature medie comprese tra 15 °C e 25 °C. Proprio per queste caratteristiche questa località si è rivelata un banco di prova ideale per la coltivazione intensiva di microalghe e l’applicazione di PBR in architettura. 

Il sistema di schermatura proposto è stato concepito per essere responsivo, offrendo adeguati livelli di comfort visivo per gli occupanti, nonostante l'esposizione alla luce solare diretta in condizioni meteorologiche che variano in maniera dinamica nel tempo. Tra le diverse tecnologie disponibili, l'uso dei PBR è stato selezionato come il più adatto per ombreggiare la terrazza panoramica della Biblioteca, grazie alla sua sostenibilità, in termini di compromesso tra questioni estetiche, comfort ambientale, dimensionamento nello spazio e buona resa finale per gli occupanti.

Durante lo sviluppo del progetto sono stati considerati vari fattori relativi al contesto esistente, che possono essere definiti come le tre principali aree di interesse:

• aspetti sociali: riguardanti gli utenti delle strutture della biblioteca, il loro comportamento negli spazi esistenti e le loro esigenze. Tali osservazioni dirette in situ hanno contribuito allo sviluppo delle linee guida del progetto architettonico, identificando le aree chiave per l’intervento;
• aspetti spaziali; riguardanti la relazione tra il progetto e il suo contesto edificato. È stato quindi definito uno spazio per ospitare attività legate al lavoro individuale e di gruppo, nonché per attività di svago. 
• aspetti ambientali e climatiche, riguardanti problemi di impermeabilità, raccolta dell'acqua piovana, controllo della radiazione solare incidente, condizioni del vento e inquinamento acustico. Proprio l'irraggiamento solare è un fattore chiave nel progetto, sia inteso come calore incidente sulle superfici esposte, che può influenzare notevolmente l'efficienza complessiva del sistema, sia in termini di luce naturale, cruciale per le attività che si svolgono nello spazio. I venti incidenti, che rappresentano un ulteriore disturbo per le attività lavorative, sono stati presi in considerazione nella definizione della struttura, identificando i modelli di vento prevalenti e progettando una struttura che ne garantisca un’adeguata schermatura.

Figura 2 - Sezione rappresentativa dell'area di lavoro multiuso (1: guscio in cemento, 2: pannello verticale, sezione, 3: colonna sezionata, 4: pannello PBR verticale, vista frontale, 5: arredamento e 6: pannello PBR orizzontale).

La progettazione architettonica del sistema PBR ha anche affrontato una serie di altre problematiche, quali: 

• La scelta delle microalghe ottimali per il progetto. Sono stati presi in considerazione diversi aspetti, che vanno dalle esigenze fisiologiche dell'organismo stesso, alla sua efficienza nella sequestrazione di CO₂, alla capacità di assorbimento della luce, alla capacità di trattamento delle acque reflue, la tolleranza degli inquinanti e l’attitudine all'estrazione di biocarburanti. La specie Scenedesmus Obliquus ha dimostrato di essere adattabile per l'uso in elementi di schermatura statica, ed è risultata la specie di micro-alghe in grado di fornire i valori più bassi di penetrazione della luce tra le micro-alghe d'acqua dolce con applicazioni di biocarburanti, rendendolo un ideale candidato per l'uso in un dispositivo di ombreggiatura PBR.
• La selezione del tipo di PBR: considerando che l'installazione progettata è una struttura permanente, esposta all'ambiente esterno e destinata all'uso pubblico, i PBR in sacchetti di plastica sono stati considerati inadatti a causa della loro fragilità. Al contrario si è optano per una configurazione ibrida tra tipo tubolare e a schermo piatto, realizzando quindi un PBR ondulato a schermo piatto. Questa scelta ha permesso di creare un movimento fluente del mezzo di coltura all'interno dei pannelli, con conseguente distribuzione uniforme della biomassa. Questo tipo di configurazione di PBR, unita alle proprietà di trasmissione della S. Obliquus, ha offerto una vasta gamma di possibilità operative, in quanto la densità della biomassa all'interno dei pannelli PBR può essere modificata in risposta alle diverse condizioni ambientali.
• Sono poi state definite delle strategie di progetto sostenibili, per limitare il consumo di acqua ed elettricità (entrambe risorse necessarie per il funzionamento dei PBR).

Oltre a queste strategie, sono stati definiti i processi operativi del sistema per massimizzarne l'efficienza. Nello specifico La CO₂ prodotta dalla combustione del biocarburante viene diretta nel sistema PBR dove viene consumata dalle micro-alghe e convertita in ossigeno. Infine, vale la pena sottolineare che la strategia di sostenibilità prevede anche la possibilità di riutilizzare e riciclare i materiali impiegati: le micro-alghe, alla fine della loro vita, possono essere riutilizzate in altri settori come la nutraceutica o il biodiesel. 

Figura 3 - Rendering della terrazza e del sistema PBR con alghe.

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