Isole di calore: il ruolo (ad)attivo di soluzioni in calcestruzzo cool e drenanti per città più resilienti nell’era del global boiling

Restano 7 anni a disposizione per raggiugere gli obiettivi di riduzione di 55% delle emissioni di GHG (gas serra, CO₂ in primis) entro il 2030, secondo gli impegni che l’Unione Europea ha rinforzato (-40% era il target per il 2030 inizialmente previsto nell’Accordo di Parigi) nel contesto della sua più ampia Agenda 2030 in materia di energia e sul cambiamento climatico. Già nel 2018, l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) ha evidenziato la portata senza precedenti della sfida necessaria per limitare il surriscaldamento globale (GW) entro +1,5°C. Cinque anni dopo, questa sfida è diventata ancora più grande e prioritaria: più di un secolo di utilizzo e di crescente dipendenza dai combustibili fossili e di uso non sostenibile dell’energia e del suolo hanno, infatti, portano a registrare oggi un GW di 1,1°C rispetto ai livelli preindustriali.

Secondo quanto riportato nel Sesto Rapporto di Valutazione sui Cambiamenti Climatici AR6 (Climate Change 2023, AR6) dell’IPCC, è adesso il momento di agire! Il passaggio dall’era del global warming a quella del global boiling è annunciato dalle prime pagine di giornali e notiziari e testimoniato, tra l’altro, da eventi meteorologici macroscopici ed estremi, sempre più frequenti e più intensi, temperature record o precipitazioni violente, con nefasti impatti sugli ecosistemi e sulla popolazione in ogni regione del mondo. Il mese di luglio 2023 appena trascorso è stato il mese più caldo mai registrato sul nostro pianeta dal 1850, ossia da quando sono iniziate le rilevazioni di temperatura. Il ritmo delle azioni di contrasto – secondo l’IPCC – e i piani finora attuati risultano insufficienti ma, per quanto esiguo, esiste ancora margine per un’azione accelerata di adattamento e mitigazione ai/dei cambiamenti climatici, alla quale devono concorrere tutte le possibili soluzioni, nessuna esclusa.

Le strategie per ridurre le emissioni di CO2: principali evidenze
Le primarie strategie per combattere il GW e ridurre le emissioni di GHG e CO₂, quali principali responsabili, risiedono nella riduzione della dipendenza dai combustibili fossili, l’utilizzo di energie alternative rinnovabili, biocarburanti e idrogeno verde, nell’efficientamento energetico, ottimizzazione di progettazione, processi e prodotti, ridotto ricorso alle materie prime naturali a favore di un’economia sempre più circolare. Ad oggi, nessuna di queste opzioni rappresenta la soluzione assoluta del GW. In una situazione così critica, come quella evidenziata dal rapporto Climate Change 2023 dell’IPCC, l’integrazione sinergica delle molteplici strategie di mitigazione può favorire il miglior equilibrio tra fattibilità tecnica, impatto ambientale e sostenibilità economica.

È anche per questa ragione che, alle strategie consolidate, la moderna geoingegneria affianca anche tecniche di Carbon Dioxide Removal (rimozione della CO₂) e di SRM, Solar Radiation Management. Ormai non esiste soluzione che, pur apportando anche un piccolo contributo, non meriti di essere vagliata. In quest’ottica, le tecnologie di CCUS (Carbon Capture, Usage and Storage) nell’ambito delle tecniche CDR così come le superfici cool, tra le più recenti tecniche di SRM, possono contribuire a massimizzare il potenziale di sostenibilità ambientale e sociale di cui il nostro pianeta ha urgente bisogno.

Isole di calore urbano (UHI): di cosa si tratta
A render ancor più complesso il quadro del surriscaldamento globale contribuisce anche il fenomeno dell’urbanizzazione. Secondo le ultime stime delle Nazioni Unite, all’inizio del 2023 la popolazione mondiale ha raggiunto 8,01 miliardi di individui; di questi oltre la metà, poco più del 57%, vive e abita in contesti urbani. Entro il 2030, la popolazione urbana mondiale potrebbe crescere di 700 milioni di unità, raggiungendo quota 5,2 miliardi. Ciò significa che quasi il 65% della popolazione mondiale vivrà nelle città. Secondo C40, la rete delle più grandi città mondiali impegnate a fronteggiare il climate change, il numero di città esposte a temperature estreme sarà quasi triplicato entro il 2050. Sono circa 200 i milioni di abitanti che, attualmente, in più di 350 città, vivono con temperature estive superiori ai 35°C.

Le enormi distese di superfici costruite dell’ambiente urbano, la carenza di spazi verdi, la concentrazione di attività umane/industriali, l’uso intensivo di energia e trasporti, con le conseguenti emissioni di GHG, sono i principali responsabili di un surriscaldamento sempre più marcato delle città rispetto alle aree suburbane o rurali, fenomeno microclimatico noto come “isola di calore urbana” (UHI, Urban Heat Island). L’incremento delle temperature medie dell’aria nelle aree metropolitane urbanizzate può arrivare fino a 3°C e oltre, mentre l’escursione termica tra giorno e notte può raggiungere i 12°C. Inoltre, durante le ore notturne, le superfici e i suoli di colore scuro restituiscono una quota significativa di energia termica che produce un riscaldamento ininterrotto. Le strade, i marciapiedi in asfalto, le coperture scure degli edifici rappresentano gran parte della superficie esposta all’irradiazione solare. In particolare, l’asfalto utilizzato per la pavimentazione stradale, avendo una bassa albedo e un’alta capacità termica volumetrica, dà luogo a elevatissime temperature superficiali, che possono raggiungere oltre 60°C nelle giornate estive più calde.

Il ruolo attivo e sostenibile delle città
In questo contesto, le città possono e devono offrire il proprio contributo responsabile alla mitigazione dell’effetto UHI.  Grandi metropoli come Miami (Florida), Los Angeles (California), Melbourne (Australia), Monterrey (Messico), Santiago (Cile), Atene (Grecia), North Dhaka (Bangladesh) e Freetown (Sierra Leone), in cui il fenomeno è particolarmente significativo, si sono già dotate di una figura nuova, il Chief Heat Officer (CHO), un manager incaricato di accelerare gli sforzi di protezione dal calore esistenti e di avviare nuovi lavori per ridurre i rischi e gli impatti del caldo estremo per i loro residenti e componenti. Questi funzionari, creati da Adrienne Arsht-Rockefeller Foundation Resilience Center (Arsht-Rock) e l’Extreme Heat Resilience Alliance (EHRA), sono responsabili dell’unificazione delle risposte dei loro governi cittadini al caldo estremo (Meet the 7 Chief Heat Officers who are making their cities more resili (fastcompany.com).

Strategie sinergiche per combattere le isole di calore
La rigenerazione dei sistemi urbani è fondamentale per ottenere significative riduzioni dei fenomeni locali di surriscaldamento delle nostre città e, in generale, delle emissioni di anidride carbonica, responsabile principale del surriscaldamento globale, promuovendo uno sviluppo resiliente ai cambiamenti climatici. Nel contesto urbano, la riduzione del traffico veicolare, con sostegno al trasporto pubblico sostenibile nonché alla mobilità attiva (es. camminare e andare in bicicletta), il ricorso a energie alternative a quelle derivanti dall’impiego di combustibili fossili con contributo diretto alla decarbonizzazione e le virtuose pratiche di economia circolare sono fattori imprescindibili per lo sviluppo sostenibile delle città e per la riduzione del fenomeno UHI.

Tra i più efficaci sforzi da intensificare rientra sicuramente l’aumento della superficie urbana destinata agli specchi d’acqua e, soprattutto, alle aree verdi, grazie al loro effetto nella riduzione delle temperature più elevate nelle città rispetto alle aree rurali. Tra le priorità delle agende urbane nazionali e internazionali, è ricorrente, infatti, l’esigenza di dare vita a programmi e progetti sia per la manutenzione del verde e del patrimonio vegetale esistente che per l’integrazione delle aree verdi. La “forestazione urbana” deve prevedere un’adeguata progettazione delle soluzioni di reinserimento di orti, viali alberati, ma anche facciate e, soprattutto, coperture verdi, oltre ovviamente a parchi e boschi, anche in aree periurbane, strategicamente integrati per prevenire effetti indesiderati di crolli o abbattimenti forzati in occasione di eventi tempestosi violenti. Da Barcellona a Londra, passando per centri più piccoli come Valencia o Vitoria-Gasteiz – nei Paesi Baschi, capitale verde europea già nel 2012 – da Milano a Firenze e Parma, solo per citare qualche esempio, le Amministrazioni comunali stanno aumentando le superfici destinate a piante e verde. Non è un caso che il PNRR abbia destinato un investimento di circa 330 milioni di euro per la forestazione urbana. 

Il contributo delle superfici cool in calcestruzzo per città più resilienti

Sebbene talvolta il settore delle costruzioni sia citato solo come corresponsabile dei fenomeni di UHI, i principali player mondiali del cemento e del calcestruzzo sono decisi a contribuire con materiali durevoli e processi sostenibili e circolari, a ridotta impronta carbonica, progettazione e costruzione di nuove strutture efficienti dal punto di vista energetico, retrofitting sostenibile delle strutture esistenti, ingegnerizzazione di superfici cool, con aumentata capacità di riflettere la radiazione solare.

La capacità di una superficie di riflettere la radiazione solare è misurata dall’“albedo” (o riflettanza), ovvero dal rapporto (percentuale oppure no) tra la frazione di radiazione solare riflessa e la frazione incidente (intervallo di variabilità tra 0 e 100 o tra 0 e 1 rispettivamente). La capacità della stessa superficie di emettere/rilasciare l’energia assorbita sotto forma di radiazione termica è espressa dall’emissività termica (ε). La combinazione non lineare di queste due proprietà consente di calcolare SRI (Solar Reflectance Index). SRI è una sorta di scala di temperatura superficiale, che indica quanto si surriscaldi una superficie piana rispetto a una superficie nera standard (albedo=0.05, ε=0.90) e una superficie bianca standard (albedo=0.80, ε=0.90).

Incrementare il verde urbano, ridonando spazio ad alberi e aiuole – una delle politiche a cui stanno facendo ricorso molte grandi città nel mondo, come evidenziato qualche riga fa – consente di offrire ai cittadini maggiore possibilità di ombreggiamento e benefico aumento dell’albedo rispetto a superfici scure o asfaltate. Per farsi un’idea dell’effetto delle aree verdi, basti pensare che l’albedo di un asfalto invecchiato (superiore di quello di un asfalto appena posato) non supera 0.10; l’albedo dell’erba verde è 0.23 e quello di un bosco in autunno è 0.26. I più alti valori di albedo, come testimoniano molti studi scientifici, tra gli altri effetti, sono, quindi, i benefici apportati da cool roof, tetti verdi, che comportano, nella stagione calda, notevole abbattimento della temperatura di superficie e del flusso di calore verso l’interno delle abitazioni, con effetto di mitigazione del surriscaldamento delle città che li ospitano.

Una strategia sinergica per ridurre la temperatura superficiale di tetti e pavimentazioni urbane si basa anche su superfici “cool” o fredde, straordinariamente riflettenti, che contrastano l’assorbimento di energia termica grazie a materiali innovativi che le caratterizzano, i cosiddetti “cool material”.  I “tetti freddi” (cool roof), compresi quelli a base cementizia, che inglobano cool material, permettono di ridurre le temperature superficiali delle coperture, aumentando il comfort interno degli occupanti degli edifici e il comfort esterno dei fruitori delle aree aperte circostanti, riducendo la domanda di energia per raffrescamento nelle stagioni calde.

Se, mediamente, in un centro urbano i tetti rappresentano il 25% della superficie costruita (circa 60% in totale), le pavimentazioni urbane ne rappresentano il 35%! Perciò, vale la pena di rivolgere l’attenzione anche a “cool pavement”, pavimentazioni con spiccata albedo (anche colorate con albedo superiore a 0,29), capaci di riflettere una frazione di radiazione solare davvero rilevante rispetto a pavimentazioni di colore scuro, come quelle in asfalto tradizionale.

Che cosa sono i cool material

I cool material sono materiali organici o inorganici, caratterizzati da una straordinaria capacità di respingere la radiazione solare in virtù di un elevato indice di riflettanza solare (SRI). In generale, maggiore è SRI, maggiore è la capacità della superficie di rimanere “fredda”. Non è un caso che i tetti degli edifici di molti paesi dell’area mediterranea (in Italia, Spagna, Grecia, Tunisia, ecc.) abbiano un colore bianco. I materiali bianchi, infatti, sono di per sé riflettenti e, già nelle antiche tradizioni, rappresentavano una “naturale” strategia per limitare il surriscaldamento delle abitazioni esposte all’intenso soleggiamento estivo in questi luoghi. La loro capacità di azione è legata principalmente alla riflessione della luce solare nel cosiddetto campo del visibile.

È utile considerare che la radiazione solare ha componenti anche in regioni caratterizzate da lunghezze d’onda diverse dal campo del visibile. In particolare, il surriscaldamento superficiale è dovuto all’assorbimento di radiazione nella regione del NIR (ovvero del vicino infrarosso). I cool material NIR-riflettenti, indipendentemente dal colore della loro superficie, hanno la proprietà di riflettere la radiazione solare nel NIR, aumentando la quota di energia solare riflessa laddove si concentra la radiazione termica. Pertanto, la loro potenzialità può esplicarsi direttamente nel contributo alla riduzione delle temperature delle superfici urbane e indirettamente dei consumi di energia elettrica degli edifici nei mesi estivi.

La ricerca Italcementi: i cool material statici e dinamici

Nella più accreditata letteratura scientifica sugli effetti delle superfici cool, è stato stimato – dal Prof. Akbari e dal suo gruppo di ricercatori del Lawrence Berkley National Laboratory della California – che una variazione di +0,01 dell’albedo superficiale, in tutte le città delle regioni tropicali e temperate del mondo, avrebbe un effetto di raffreddamento globale potenzialmente equivalente a una compensazione del riscaldamento prodotto dall’emissione di 7 kg di CO₂ per ogni m2 di superficie interessata (doi:10.1088/1748-9326/7/2/024004).

I cool material sono stati indagati per applicazioni a base cementizia dal gruppo di colleghi ricercatori di Italcementi che ho avuto il privilegio di coordinare, sia nella versione statica che dinamica. I primi sono caratterizzati da proprietà di riflettanza solare “fisse”, specifiche del “fissato” colore, mentre i cool material dinamici avrebbero la potenzialità di adattare la propria capacità di riflettere la radiazione del sole in funzione di un parametro, la temperatura ad esempio, come i cool material termocromici. Questa capacità adattiva consentirebbe loro, per esempio, di restare più scuri al di sotto di una temperatura di soglia prescelta e transire verso tonalità più chiara al di sopra di esse. I test di invecchiamento naturale e accelerato condotti da Italcementi hanno evidenziato la rapida tendenza alla fotodegradazione della natura organica dei materiali cool termocromici reperibili in commercio, indipendentemente dalla matrice cementizia in cui sono stati integrati. È per questo motivo che Italcementi guarda, ad oggi, con interesse applicativo alla realizzazione di cool material cementizi di natura statica.

Dal 2017, Italcementi ha unito i propri sforzi a quelli del Centro Ricerche ENEA e si è impegnato come capofila del progetto “COOL IT” (CCSEB_00114-COOL-IT_ReportFinale.pdf (csea.it)), finanziato dal Fondo di Ricerca di Sistema Elettrico e concluso con successo nel 2022 (DOI: 10.1061/JAEIED.AEENG-1415). L’obiettivo di ricerca applicata è stato la verifica dell’effetto di superfici a base cementizia orizzontali e verticali ingegnerizzate con cool material nella mitigazione dell’UHI e nella riduzione della spesa energetica per raffrescamento estivo di edifici del parco edilizio nazionale. I risultati hanno confermato che l’aumento dell’albedo delle superfici in calcestruzzo può contribuire a ridurre l’effetto UHI, nonché all’energy saving di energia elettrica per raffrescamento estivo (almeno 5% di risparmio per le tipologie di edificio analizzate). I vantaggi di un’applicazione estesa di superfici in calcestruzzo cool nelle nostre città, soprattutto in aree non affollate da edifici particolarmente alti e ravvicinati, si esprimerebbero in un ritrovato comfort urbano negli ambienti all’aperto, con vivibilità degli spazi esterni e qualità della vita dei cittadini migliorate, oltre che nel minor consumo energetico per i sistemi di condizionamento nelle stagioni estive e/o nei climi caldi.

Cool material cementizi di natura statica: l’applicazione sostenibile alle pavimentazioni in calcestruzzo

In ambito urbano, le superfici pavimentate tradizionali forniscono una prova empirica degli effetti delle “isole di calore urbano”. Sarà capitato a tutti di percepire il caldo che “sale” dalla pavimentazione esterna. Da questo punto di vista, le superfici bitumate risultano quelle a maggiore impatto rispetto a quelle cementizie. Pavimentazioni in calcestruzzo, anche tradizionale, consentono la riduzione della sensazione di calore avvertito dai pedoni nel periodo estivo di svariati gradi in meno rispetto a quella in asfalto. In un’ottica di miglioramento continuo, Italcementi, per sua natura orientata allo studio di prodotti green, continua a lavorare alla realizzazione di pavimentazioni in calcestruzzo “cool” avanzate, caratterizzate da superfici altamente riflettenti, con obiettivi diretti di contrasto dell’isola di calore urbano.

Nell’ambito del citato progetto “COOL IT”, pavimentazioni cementizie sperimentali realizzate con pigmenti cool statici con elevata riflettanza nel NIR, anche di colorazione scura, hanno evidenziato la potenzialità di garantire valori di SRI maggiori di 29, che rappresenta la soglia minima da raggiungere per ottenere crediti LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) di sostenibilità ambientale delle pavimentazioni (LEED è un sistema di certificazione standard applicato in oltre 100 Paesi nel mondo). Rispetto alle rispettive superfici con colorazione confrontabile realizzate con pigmenti tradizionali, per le superfici di calcestruzzi drenanti cool si sono calcolati incrementi di SRI dal 20% al 50%. Le pavimentazioni in calcestruzzo cool ad elevato SRI sono, quindi, in grado di incidere positivamente sull’isola di calore urbano, riducendo la temperatura delle superfici di piazze, marciapiedi, parcheggi e pavimentazioni in generale con esse realizzate, migliorando il comfort esterno dei cittadini all’aperto, soprattutto quando applicate in aree estese, non soffocate dall’affollamento di edifici circostanti, meno soggette al limite dell’”urban canyon”. Come quello dei tetti verdi o dei cool roof, anche l’effetto dei cool pavements è proporzionale alle aree rivestite: più sono estese le superfici cool, più sono le aree in cui il cittadino può risentire del loro effetto benefico di mitigazione del calore urbano.

Lungi dal rappresentare la “soluzione” esclusiva e definitiva del problema di mitigazione degli effetti di UHI, le pavimentazioni in calcestruzzo “cool” rientrano a pieno titolo nell’antologia di soluzioni in grado di contribuire all’azione di contenimento delle temperature e del calore nelle città, integrando le opzioni di intervento primario, finalizzate alla riduzione diretta delle emissioni di CO₂.

Pavimentazioni drenanti in calcestruzzi sostenibili e cool già disponibili sul mercato

Nel proprio ventaglio di soluzioni, Italcementi ha validato nel progetto COOL IT più versioni cool pigmentate della pavimentazione drenante ma, già nelle versioni bianca e grigia in commercio, l’effetto benefico sull’isola di calore, soprattutto in ambiente urbano, di i.idro DRAIN emerge evidente.

i.idro DRAIN è la soluzione di pavimentazione in calcestruzzo drenante che Italcementi offre per contrastare il fenomeno UHI. Anche i risultati delle prove effettuate dall’Istituto Giordano – in accordo con le relative norme ASTM (ASTM E903, ASTM E1980, ASTM C 1371 e AST G173) – evidenziano un valore di SRI sempre maggiore di 29, valore minimo stabilito dai criteri ambientali minimi per l’edilizia (CAM) per le superfici esterne.  In particolare, il valore di SRI è pari a 33 per i.idro DRAIN grigio e 46 per i.idro DRAIN bianco. Con l’adozione dei CAM, il Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare si è allineato alle strategie di tutela ambientale già diffuse a livello internazionale.

L’impronta sostenibile per i.idro DRAIN si misura non solo dalle caratteristiche di elevata albedo ma proprio attraverso la sua altissima capacità drenante, circa 100 volte superiore a quella di un terreno naturale, che permette di rispettare il ciclo naturale dell’acqua, favorire il deflusso dell’acqua piovana e contribuire a fronteggiare le bombe d’acqua, fenomeni copiosi e concentrati che si abbattono ormai non più di rado anche sulle nostre città. Rispondendo alle esigenze relative al deflusso e al drenaggio di grandi volumi di acqua piovana, il prodotto riduce, inoltre, la formazione di fenomeni di gelicidio, dovuti a ristagni d’acqua indesiderati in inverno, ed è caratterizzato da ottime proprietà meccaniche. Si tratta di un’applicazione durevole che richiede ridotti interventi di manutenzione rispetto ad altre soluzioni proposte come alternative sul mercato.

Per questa sua capacità, a cui si deve una minore incidenza dei costi legati alla captazione e gestione delle acque meteoriche, il prodotto drenante è particolarmente apprezzato dai progettisti, dalle amministrazioni comunali e da tanti piccoli proprietari che lo utilizzano per rendere più “permeabili” i camminamenti e i cortili intorno alle proprie abitazioni. Con i.idro DRAIN si possono realizzare pavimentazioni dedicate alla mobilità lenta e sostenibile laddove assumono rilievo gli aspetti architettonici (la colorazione ad esempio) e funzionali: i primi legati alla compatibilità e armonia con il contesto paesaggistico, i secondi connessi alla scorrevolezza, all’aderenza, alla capacità drenate, che ne favoriscono sicurezza e percorribilità. Solo scorso anno, Italcementi/Calcestruzzi hanno posato oltre 500 pavimentazioni in tutta Italia.

Il rispetto del ciclo naturale delle acque e l’effetto positivo sulla mitigazione dell’isola di calore in ambiente urbano sono dichiarati nella Dichiarazione Ambientale di Prodotto (EPD) del calcestruzzo i.idro DRAIN. La valutazione in termini di Life Cycle Assessment, LCA, è stata condotta considerando 41 impianti, per un totale di 52 ricette differenti, che includono 32 fornitori di aggregati differenti, 13 cementi differenti per tipo e/o classe e/o provenienza, nel caso di i.idro DRAIN grey, e 3 cementi differenti per tipo e/o classe e/o provenienza per i.idro DRAIN white, con una media ponderale dei consumi idrici, elettrici e di carburanti e dei rifiuti prodotti e/o recuperati.

La responsabilità verso soluzioni di sostenibilità sociale e ambientale contraddistingue Italcementi come la casa-madre Heidelberg Materials (HM): nella realtà italiana e globale del Gruppo HM la sostenibilità è un impegno di carattere ambientale, sociale e culturale concreto al punto da definire che, entro il 2030, almeno il 50% dei propri ricavi proverrà da prodotti a basso impronta carbonica e da soluzioni di economia circolare ed i.idro DRAIN ne fa già parte!