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Percorsi verso il vapore decarbonizzato

Verso un futuro positivo

Factory with renewable energy and solar panels

Spesso sembra che la nostra attenzione si concentri sull'ottimizzazione. Rendere i sistemi a vapore il più efficienti possibile è ancora una parte fondamentale della nostra attività e continuerà ad esserlo. Le ragioni per cui ciò ha senso non scompariranno quando l'uso dei combustibili fossili si esaurirà.

Qualunque sia il percorso che un'industria decide di seguire lungo la strada della decarbonizzazione, il primo passo sarà sempre fondamentale per massimizzare l'efficienza. Migliorare il modo in cui il calore viene generato, fornito e consumato non solo riduce i costi energetici ora, ma crea anche le basi per le parti successive del viaggio. Ma l'eliminazione dei combustibili che emettono carbonio è l'obiettivo finale: la decarbonizzazione.

La posta in gioco è alta e la sfida è significativa. L'energia termica è vitale per così tanti settori e ha così tanti modi diversi di essere utilizzata, non c'è un'unica strada per raggiungere gli obiettivi net zero. Il calore è responsabile di due terzi di tutta la domanda di energia nell'industria degli Stati Uniti, ma solo il 10% di questa proviene da fonti rinnovabili. Nel Regno Unito la situazione è simile: il 70% del fabbisogno energetico industriale britannico è destinato al riscaldamento.

Non è in discussione come il vapore sia diventato così diffuso in tutti i tipi di industria. È una questione di fisica, o più precisamente di termodinamica. La capacità del vapore di trasferire l'energia termica dove è necessaria non ha eguali. La relativa facilità con cui può percorrere le distanze - anche chilometri in un impianto di grandi dimensioni - significa che è anche un mezzo tremendamente efficiente. Le industrie non prendono decisioni a cuor leggero; se utilizzano il vapore, è perché non è ancora stata trovata un'alternativa migliore.

In realtà, non è il vapore a dover essere decarbonizzato. Come sosteniamo da tempo, il vapore è una tecnologia naturale che dà il meglio di sé. Il problema deriva dal modo in cui lo generiamo.

Si tratta di una distinzione importante, perché spesso il vapore viene accomunato ai combustibili fossili tradizionalmente utilizzati per la sua produzione: gas, petrolio e carbone.  Oggi sappiamo che queste fonti energetiche stanno danneggiando il nostro pianeta, innalzando i livelli di gas serra fino a renderli dannosi.

Il vapore non è una fonte di energia, ma un mezzo di trasferimento dell'energia.

Per le innumerevoli industrie che hanno bisogno di vapore per operare ai livelli di produzione ed efficienza che tutti noi abbiamo imparato a conoscere, questa è una buona notizia. Dobbiamo solo procedere sulla strada della decarbonizzazione della produzione di vapore.

Proprio come la ruota, il vapore non ha bisogno di essere reinventato

Riportate la vostra mente indietro di qualche anno e pensate a quanti veicoli elettrici (VE) avete visto ogni giorno. Pochissimi, con il motore a combustione interna, alimentato a benzina o diesel, completamente dominante. Poi, nel 2003, Tesla è apparsa sulla scena e ha promosso instancabilmente la promessa di auto a trazione elettrica. I progressi nella tecnologia delle batterie e, in ultima analisi, i modelli più convenienti hanno aumentato la diffusione delle opzioni decarbonizzate. Oggi le vendite di veicoli elettrici stanno aumentando in modo esponenziale, anche se da una base molto piccola.

Ma una cosa non è cambiata: si affidano ancora alla ruota. La fisica di un asse combinato con ruote non è cambiata molto in oltre 6.000 anni, ma i mezzi per alimentarlo sì. E, proprio come nel caso della ruota, è possibile mantenere tutti i vantaggi offerti dal vapore cambiando il modo in cui viene prodotto.

Cinque percorsi chiave verso la decarbonizzazione del vapore

La natura versatile dell'uso del vapore nell'industria significa che ogni settore dovrà scegliere il proprio percorso di decarbonizzazione. Potrebbe anche non seguire un percorso lineare dalla A alla Z; è più probabile che ci siano diverse misure da impiegare per raggiungere l'obiettivo finale.

Tuttavia, se il vapore è ancora considerato una parte vitale delle operazioni di quell'industria, a un certo punto è fondamentale trovare un modo per utilizzarlo che non produca emissioni di carbonio (o che le riduca significativamente). Al momento, sono cinque i principali contendenti per vincere questa sfida.

  • Elettrificazione
  • Biomassa
  • Idrogeno a basse emissioni di carbonio
  • Accumulo termico
  • Cattura e stoccaggio del carbonio (CCS)

Elettrificazione

L'utilizzo di energia elettrica generata da fonti rinnovabili o da energia nucleare, nota come "elettricità benefica", è uno dei primi posti. Le ragioni sono diverse. La prima è che si tratta di una tecnologia collaudata: le caldaie elettriche sono in grado di convertire l'elettricità in calore con un'efficienza di quasi il 100% e con minime perdite per irraggiamento dalle superfici della caldaia. Poi c'è il costo di capitale potenzialmente interessante: uno studio ha rilevato che per le caldaie elettriche è inferiore di quasi il 40% rispetto a una caldaia equivalente alimentata a gas naturale.¹

Ulteriori vantaggi derivano dal fatto che non sono necessarie modifiche nei processi di utilizzo finale, ma solo nel locale caldaia. Esistono opzioni per elettrificare altre parti dei processi industriali, ma spesso è necessario modificare i processi produttivi e le tecnologie esistenti.

La principale barriera che impedisce una maggiore diffusione di questa opzione è che l'elettricità è ancora relativamente più costosa dei combustibili fossili. Anche quando questa percentuale si ridurrà, come è probabile con l'aumento della quota di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, le reti dovranno essere ampliate per soddisfare l'aumento della domanda.

Per questo motivo si prevede un aumento temporaneo delle emissioni di CO2, mentre l'industria della produzione e della distribuzione di energia elettrica si mette al passo con il cambiamento.

Biomassa

Se prodotta in modo sostenibile, la biomassa è una prospettiva promettente per sostituire i combustibili fossili in alcune industrie, anche se la sua combustione può ancora emettere carbonio, a livelli inferiori rispetto ai combustibili fossili. In Danimarca, ad esempio, una società energetica ha già completamente decarbonizzato la propria produzione di calore, compresa la fornitura di vapore per l'industria, utilizzando la biomassa al posto del carbone per le unità di cogenerazione.

Idrogeno a basse emissioni di carbonio

Ancora in fase iniziale e relativamente costoso, l'idrogeno è visto come una possibilità concreta di sostituire i combustibili fossili nei processi ad alta temperatura e sarà in grado di generare vapore, a qualsiasi temperatura richiesta. Ci sono ancora problemi legati alla necessità di catturare alcune emissioni durante la produzione e l'utilizzo, e il controllo dei bruciatori non è così semplice.

Accumulo termico

Questo settore emergente del cleantech è molto promettente, soprattutto se si considera la natura intermittente di alcune fonti di energia rinnovabile. La possibilità di catturare l'elettricità rinnovabile in eccesso o a basso costo riscaldando un mezzo di accumulo a temperature fino a 400°C è attualmente di gran lunga superiore a quella ottenibile con le pompe di calore. Si sta lavorando anche sulla cattura del vapore stesso per periodi di breve durata, utile quando non è necessario per un processo continuo.

Cattura e stoccaggio del carbonio (CCS)

Alcune industrie, a causa della natura intensiva delle loro attività, continueranno probabilmente ad avere bisogno di combustibili fossili, almeno in parte. In alcuni casi si tratta di superare periodi in cui la produzione non può essere interrotta, ma non sono disponibili alternative a bassa emissione di carbonio o a basso contenuto di carbonio.

Il vapore non ha raggiunto da un giorno all'altro la sua posizione dominante come mezzo indispensabile per il riscaldamento industriale. Non dobbiamo nemmeno pensare di non poter più usufruire dei suoi numerosi vantaggi. Il nuovo capitolo del vapore decarbonizzato si sta già svolgendo. Non si tratta tanto di abbandonare ciò che ha funzionato così bene per decenni, quanto di ripensarlo per il futuro.

Con il giusto impegno e l'innovazione, le industrie possono continuare a sfruttare la potenza del vapore, ma in modo da allinearsi all'impegno globale per un futuro sostenibile. Le prospettive sono promettenti e, con uno sforzo collettivo, un futuro decarbonizzato non è solo una possibilità, ma una realtà imminente.

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Fonti

1Ali Hasanbeigi, Lynn A. Kirshbaum, Blaine Collison e David Gardiner: Elettrificare l'industria statunitense: Un approccio alla decarbonizzazione basato sulla tecnologia e sui processi, 2021.

Edward Rightor, Andrew Whitlock e R. Neal Elliott: Elettrificazione vantaggiosa nell'industria, luglio 2020

Ricardo: Pathways to Industrial Heat Decarbonisation,  novembre 2022.

M. Jibran S. Zuberi, Ali Hasanbeigi, William R. Morrow: Elettrificazione delle caldaie nell'industria manifatturiera statunitense, 2021.

Lisa Neusel, Simon Hirzel, Matthias Rehfeldt: Ancora vivo, ma diverso nel futuro? La decarbonizzazione delle caldaie industriali a vapore da una prospettiva multidimensionale, 2022.