Calore a zero: è troppo caldo per essere gestito?

Tra tutte le misure che saranno necessarie per ridurre le emissioni di gas serra, la trasformazione del modo in cui produciamo e consumiamo il calore nell’industria e negli edifici è una delle più grandi e intrattabili.

Il calore – utilizzato per regolare la temperatura negli edifici e per supportare i processi industriali a varie temperature – rappresenta più del doppio della domanda di energia della generazione globale di elettricità ed è responsabile del 55% delle emissioni energetiche globali. Le catene di approvvigionamento dei vari settori industriali, dall’alimentare al cemento, richiedono calore diretto o vapore per processi quali l’essiccazione, la calcinazione o le reazioni chimiche. Oggi, le nostre tecnologie di generazione del calore si basano in gran parte sul gas naturale e sul carbone, e il solo riscaldamento a gas è responsabile di oltre il 10% delle emissioni totali di energia.

La riduzione delle emissioni di calore – o l’obiettivo di raggiungere l’azzeramento – è quindi un importante imperativo di decarbonizzazione, ma ad oggi gli sforzi per farlo sono spesso frammentati, considerando separatamente argomenti come l’elettrificazione, l’idrogeno, la biomassa e la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS) per vari usi finali. In questo articolo esploreremo i potenziali benefici di un sistema energetico più integrato e il ruolo che lo stoccaggio di calore può svolgere per accelerare questa integrazione nel breve termine.

La transizione verso un sistema energetico completamente decarbonizzato, stabile e affidabile, riducendo al contempo al minimo i costi del sistema, presenta molte complessità a livello di generazione, trasmissione e utilizzo. Sarà necessaria una combinazione di capacità di stoccaggio per l’energia elettrica, il calore e l’idrogeno, nonché un “accoppiamento settoriale”, come la trasformazione di energia in calore, energia in idrogeno o idrogeno in calore.

Ad esempio, utilizzare l’energia durante i periodi di abbondanza di fonti rinnovabili per produrre e immagazzinare idrogeno o calore verde aiuterebbe il sistema a far fronte alla variabilità intrinseca delle fonti rinnovabili. Un approccio integrato consente inoltre di ottenere energia e calore puliti 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a costi inferiori.

Un cambio di paradigma per energia, calore e idrogeno

Tradizionalmente, la produzione di energia elettrica è centralizzata e opera con capacità di dispacciamento. La generazione di calore è localizzata e utilizza caldaie a gas e a carbone. I sistemi di energia e calore spesso funzionavano in modo indipendente.

Quattro sviluppi sismici stanno modificando i sistemi energetici. In primo luogo, la rapida crescita della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (principalmente eolica e solare, che forniscono entrambe energia a basso costo ma variabile); in secondo luogo, la crescita prospettica dell’idrogeno verde basato sull’energia rinnovabile e sull’elettrolisi flessibile; in terzo luogo, la progressiva elettrificazione del calore negli edifici e nell’industria; infine, le tecnologie di stoccaggio emergenti sia per l’energia elettrica che per il calore.

Queste quattro tendenze stanno fondamentalmente ridisegnando l’offerta e la domanda di elettricità che un futuro sistema energetico dovrà gestire. La variabilità delle risorse eoliche e solari crea picchi e cali nell’offerta, mentre l’emergere dell’industria dell’idrogeno verde e l’elettrificazione del calore creeranno nel tempo un aumento sostanziale della domanda. È ragionevole cercare opportunità di accoppiare i settori del calore, dell’energia e dell’idrogeno per creare sinergie. L’accoppiamento di questi settori crea un sistema energetico in grado di gestire l’interazione più complessa tra domanda e offerta in questo nuovo mondo.

Le sfide lungo questo percorso non devono essere sottovalutate. Una delle principali difficoltà è l’ampia scala di sviluppo richiesta nei prossimi decenni, non solo in termini di produzione di energia, ma anche di infrastrutture di trasmissione e distribuzione. Saranno necessari investimenti in infrastrutture per l’energia elettrica, il calore e il gas per gestire una maggiore capacità di potenza media e di picco. Ad esempio, secondo le nostre stime, nei prossimi due decenni gli Stati Uniti avranno bisogno di quadruplicare la capacità totale di produzione di energia elettrica per soddisfare la domanda prevista per il 2040. Questo richiederà una massiccia espansione delle reti di trasmissione e distribuzione per portare l’energia dove è necessaria.

Un’altra sfida importante per l’elettrificazione della generazione di calore è la tempistica. Data l’entità degli investimenti necessari e la lunghezza dei cicli di investimento nell’industria pesante e nel teleriscaldamento, il giorno in cui l’elettricità potrà fornire tutto il nostro fabbisogno di riscaldamento è ancora lontano nel tempo.

Tuttavia, ci sono strade pratiche prontamente percorribili per garantire una migliore corrispondenza tra domanda e offerta di elettricità mentre continuiamo a sviluppare le energie rinnovabili e a elettrificare il calore. Una di queste è la flessibilità termica, che utilizza l’accumulo di energia termica (TES).

Le tecnologie di accumulo termico non sono nuove. I sali fusi, un noto materiale di accumulo del calore, sono stati utilizzati per la prima volta nel 1950, quando l’Oak Ridge National Laboratory ha iniziato a sviluppare e testare un motore aeronautico a propulsione nucleare. Il primo impianto solare che ha utilizzato i sali fusi per l’accumulo di energia è stato sviluppato nel 1993 e da allora sono stati sviluppati 6,5 GW di capacità. Tuttavia, è solo di recente che l’accumulo termico ha iniziato a essere preso in considerazione per soluzioni autonome di accumulo e rilascio di elettricità e calore. Se diffuso su larga scala, il TES trasformerebbe il calore di scarto o il calore nullo elettrificato prodotto da fonti rinnovabili variabili in una risorsa energetica discreta e fungibile, con molteplici applicazioni finali, che consentirebbe una significativa riduzione delle emissioni.

Attualmente sono disponibili tre tipi di tecnologie TES: l’accumulo di calore sensibile, che immagazzina energia termica modificando la temperatura di specifici materiali solidi o liquidi, come la silice o l’acqua; l’accumulo di calore latente, che avviene attraverso cambiamenti di stato dei materiali (cambiamenti di fase), ad esempio da solido a liquido o da liquido a gas; e l’accumulo di calore termochimico, che utilizza reazioni chimiche reversibili.

Sebbene la diffusione dei TES oggi sia trascurabile – meno dell’1% dello stoccaggio energetico globale nel 2019 era termico – il suo potenziale è molto significativo. Le soluzioni TES possono essere applicate in applicazioni industriali, commerciali e residenziali, supportano un’ampia gamma di temperature di scarico (dal raffreddamento al riscaldamento ad alta temperatura >1000 ˚C) e immagazzinano calore per durate che vanno da giorni a diversi mesi. Controintuitivamente, l’efficienza dell’accumulo termico (power-to-heat) supera il 90%.

Inoltre, dato che la maggior parte delle tecnologie TES si basa su materiali semplici e facilmente accessibili, come la sabbia e i mattoni termici, il loro costo è basso, aggiungendo solo pochi dollari incrementali per ogni MWh di calore immagazzinato. Una maggiore adozione di queste tecnologie porterebbe a una maggiore conoscenza e familiarità nell’industria – il termine “costo livellato del calore” potrebbe diventare ampiamente adottato come “costo livellato dell’elettricità” quando si confrontano le opzioni di riscaldamento.

Vantaggi della flessibilità termica

Un’adozione più diffusa della flessibilità termica potrebbe ridurre la necessità di costruire infrastrutture di generazione, trasmissione e distribuzione, in quanto la flessibilità richiederebbe solo che i sistemi vengano costruiti per un carico “medio” invece di dover soddisfare i picchi. Questo, a sua volta, aumenterebbe l’utilizzo delle reti elettriche, riducendo così i costi sociali degli investimenti infrastrutturali. I primi modelli integrati di un singolo sito (ad esempio, un sito di raffinazione dell’allumina) stimano che l’incorporazione di TES nel sistema potrebbe ridurre il fabbisogno complessivo di capacità del 15-30%, in quanto il sistema integrato può utilizzare al massimo la capacità elettrica esistente. Questo utilizzo più elevato si ottiene con il “trasferimento dell’energia”utilizzando la generazione in eccesso a metà giornata per caricare il sistema di accumulo e scaricandola durante il resto della giornata per fornire la fornitura stabile richiesta dall’industria.

Come secondo esempio, la flessibilità termica potrebbe gestire le grandi variazioni stagionali naturali della domanda di calore negli edifici residenziali. L’accumulo termico può essere caricato dall’energia del sole durante l’estate e soddisfare i picchi di domanda in inverno, riducendo così i requisiti di capacità di picco. Esempi di questo tipo sono già in funzione nella regione nordica, con soluzioni come i “pozzi” sotterranei per l’acqua calda.

L’accumulo termico, ormai ben oltre la fase di ricerca e sviluppo, viene utilizzato in progetti commerciali in tutti i settori. Brenmiller Energy, ad esempio, sta sostituendo le caldaie a gas di un impianto di produzione di alimenti e tabacco con sistemi di accumulo da 18,5 MW e 31,5 MWh per coprire il 100% del fabbisogno di vapore, dimostrando come questo sistema si stia già affermando come una valida alternativa su larga scala ai combustibili fossili.

Un invito a presentare prove

Siamo agli albori e molti ostacoli devono essere superati prima che la TES diventi una realtà diffusa. Un ostacolo cruciale è la limitata comprensione del potenziale dei TES all’interno dei sistemi energetici integrati e la mancanza di parametri di riferimento e casi aziendali standardizzati con cui stabilire la competitività dei costi delle opzioni di decarbonizzazione basate sui TES.

Un’ampia collaborazione tra le aziende del sistema energetico e i responsabili delle politiche pubbliche potrebbe accelerare questa comprensione. La TES è solo una delle possibili strade per ridurre le emissioni di carbonio dalla produzione di calore, ma è una tecnologia potente per ridurre ulteriormente i costi della transizione energetica.

Contenuto ispirato a https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/sustainability-blog/net-zero-heat-is-it-too-hot-to-handle