Hot Heart propone una risposta innovativa, integrata, economica e sostenibile, basata su tecnologie già disponibili, al problema dello stoccaggio alla scala urbana dell’energia termica da fonte rinnovabile.
Ben prima che il conflitto in Ucraina rendesse il metano una risorsa scarsa per le economie occidentali, la Municipalità di Helsinki aveva bandito un concorso internazionale per realizzare un’infrastruttura al servizio della rete urbana di teleriscaldamento, finalizzata a eliminare l’uso del carbone per la produzione del calore (entro il 2030) e a contribuire al conseguimento dello status di “città carbon neutral” per la capitale finlandese (entro il 2035).
L’Helsinki Energy Challenge è stato recentemente aggiudicato a un team multidisciplinare coordinato dallo studio di progettazione torinese CRA-Carlo Ratti Associati, in collaborazione con alcune fra le più importanti società di ingegneria e gruppi industriali europei fra cui Ramboll, Transsolar, Danfoss Leanheat, Schneider Electric, OP Financial Group, Schlaich Bergermann partner e Squint/Opera. Hot Heart – questo il nome del progetto vincitore – prevede la costruzione di isole artificiali al largo della città, destinate a svolgere il duplice ruolo di bacini di accumulo dell’energia termica – prodotta da pompe di calore ad acqua di mare, che convertono in calore l’energia eolica e solare, e da altre fonti rinnovabili – e di spazi collettivi per la socializzazione, la formazione e le attività ricreative rivolte alla popolazione locale e ai turisti.
Sinergie sostenibili
«Guardiamo al 2029: non sappiamo quale sarà il miglior mix energetico per riscaldare la città di Helsinki, dipenderà dal futuro sviluppo tecnologico e dalle condizioni del mercato. Sappiamo però che il prezzo dell’energia elettrica rinnovabile è diminuito rapidamente negli ultimi 20 anni e oggi è inferiore a quello di tutte le altre fonti. Tuttavia, le energie rinnovabili sono intermittenti, di conseguenza assistiamo a squilibri crescenti sulla rete e a prezzi dell’energia variabili, a volte anche negativi. Pertanto è imperativo trovare un accumulo di energia a basso costo, ma il prezzo dell’accumulo elettrico è diminuito più lentamente del prezzo di produzione ed è ancora estremamente alto».
Queste frasi introducono il rapporto finale dell’Helsinki Energy Challenge, che continua così: «La percentuale di energie rinnovabili nella rete finlandese è in rapido aumento, in particolare l’energia eolica. Sono attualmente in programma 18,5 GW di progetti di parchi eolici, ovvero più del doppio del carico medio della rete Fingrid di 8,9 GW nel 2020. Tutto ciò significa che la Finlandia sperimenterà variazioni maggiori nel prezzo dell’elettricità (compresi i prezzi negativi) e richiederà un bilanciamento del carico significativamente maggiore. Sebbene l’accumulo di energia elettrica stia diventando più economico, è ancora significativamente più costoso (~200.000 euro/MWh) rispetto all’accumulo di energia termica (200 euro/MWh)».
Dal punto di vista energetico ed economico, il principale obiettivo strategico del progetto è chiaro: utilizzare l’elettricità in eccesso, resa disponibile dalle fluttuazioni della produzione dalle fonti rinnovabili rispetto alla domanda proveniente dalla rete elettrica, per produrre calore da stoccare a medio termine in vista dei picchi legati al riscaldamento invernale, liberando così la stessa rete dalla necessità di ricorrere ad accumuli molto più costosi.
Hot Heart nasce al duplice scopo di permettere la decarbonizzazione della rete di teleriscaldamento di Helsinki, creando una gigantesca batteria termica alimentata con energia rinnovabile, prodotta a basso costo durante i periodi di sovrapproduzione/sottoconsumo, e di contribuire al bilanciamento sulla rete elettrica nazionale, in modo che in futuro possano essere utilizzate sempre più energie rinnovabili a un costo competitivo.
Stoccaggio termico marino
In estrema sintesi Hot Heart prevede la realizzazione di:
- 10 serbatoi cilindrici (ciascuno diametro 225 m; profondità da 15 a 25 m; volume complessivo ~10.000.000 m2), situati al largo (da poche centinaia di metri fino a 3,5 km dalla costa) e collegati all’attuale rete del teleriscaldamento;
- un’articolata struttura per la produzione del calore basata prevalentemente sullo scambio termico con l’acqua di mare, alimentato esclusivamente da fonti rinnovabili;
- un sistema di controllo che utilizza l’intelligenza artificiale per regolare il funzionamento dell’intera infrastruttura – produzione e consumo, secondo criteri predittivi.
Gli enormi bacini di accumulo sono stati dimensionati considerando il volume d’acqua necessario a fornire circa 870 GWh (700÷1.100 GWh, a seconda del mix energetico), a fronte di una differenza di temperatura nell’ordine di 75 °C (5÷80 °C).
Dal punto di vista strutturale i serbatoi potranno essere di due tipologie: fissi o galleggianti. Nel primo caso saranno realizzati scavando parzialmente il fondale, profondo in media di 20 m, per creare dei bacini a fossa con profondità di 25 m, riutilizzndo il terreno di risulta (circa 2,7 milioni di m3) per costruire pareti spesse 30 m, opportunamente impermeabilizzate e isolate termicamente con materiali innovativi.
I serbatoi galleggianti sono la soluzione alternativa: saranno realizzati con strutture della profondità di 15 m, utilizzando tecnologie consolidate per la costruzione di parchi eolici offshore, in grado di resistere alle maree, al vento e al congelamento della superficie del mare. Le strutture galleggianti saranno composte da tubazioni ad anello sovrapposte (diametro circa 2,5 m) rinforzate con cavi radiali precompressi e chiuse da una membrana metallica inferiore, anch’esse opportunamente termoisolate e ancorate al fondale. La dispersione termica annua complessiva stimata è nell’ordine di 3 GWh.
Entrambe le tipologie dei bacini saranno delimitate superiormente con leggere struttura a cupola geodetica in cuscini gonfiabili di ETFE, riempiti con nanogel per migliorare le proprietà termoisolanti senza compromettere la permeabilità alla luce naturale. Una serie di archi perimetrali irrigidiranno le strutture alla base, consentendo anche l’ingresso sotto la cupola. Le superfici pedonali interne saranno composte da pontili galleggianti in polistirene con rinforzi metallici.
Dal punto di vista operativo i serbatoi saranno mantenuti sempre pieni: durante l’estate saranno caricati termicamente, riempiendoli con acqua riscaldata utilizzando diverse fonti rinnovabili di energia, e risulteranno completamente scarichi dal punto di vista termico alla fine dell’inverno. Le tubazioni di collegamento raggiungeranno le centrali di coge nerazioni esistenti lungo la costa, dalle quali l’acqua calda sara distribuita alla rete urbana.
«La produzione di energia rinnovabile sta diventando più economica, ma lo stoccaggio è ancora estremamente costoso. La nostra idea è utilizzare delle gigantesche “batterie termiche” per immagazzinare energia quando i prezzi sono bassi o addirittura negativi, ed estrarla quando richiesto dal sistema di teleriscaldamento quando la domanda è elevata. Questo modello sarebbe applicabile anche a molte città costiere con climi simili. Inoltre, Hot Heart offre un’esperienza unica, che unisce il mondo naturale e quello artificiale. Si ispira al concetto finlandese di Jokamiehen Oikeudet, che potrebbe essere tradotto come “diritto di ogni persona”: il diritto di riflettere e distendersi godendosi pacificamente la natura».Investire per risparmiare
La produzione del calore sarà gestita in modo flessibile, ma avverra principalmente mediante scambio termico con l’acqua di mare operato da pompe di calore (potenza complessiva 750 MW) funzionanti in parallelo, oltre a:
- pompe di calore esistenti con scambio termico dalle acque reflue (100 MW);
- caldaie esistenti a biomasse (250 MW), per la copertura dei picchi di domanda (con produzione stimata nulla) e come riserva;
- altre caldaie esistenti, come ulteriore riserva;
- campi solari termici.
In dettaglio, le pompe di calore ad acqua di mare utilizzano una fonte di calore a 3 °C in inverno e a 20 °C in estate, con un COP medio ≈ 2,5. Le pompe di calore ad acque reflue, invece, utilizzano una fonte di calore a 15÷20 °C tutto l’anno, con un COP medio ≥ 3.
L’obiettivo e produrre ogni anno circa 5.100 GWh termici con le sole pompe di calore ad acqua di mare, utilizzando circa 2.000 GWh elettrici. Parte del calore (4.200 GWh) sarà trasferito direttamente alla rete di teleriscaldamento, mentre il resto (900 GWh) sarà accumulato nei serbatoi.
Utilizzando le sole pompe di calore ad acqua di mare l’investimento totale è stimato in 940 milioni di euro, con un costo di generazione del calore stimato mediamente in 11,6 euro/MWh, ovvero con una spesa inferiore di 95 milioni di euro rispetto a quelli attuali. Il lungo intervallo di tempo disponibile per caricare l’accumulo consentirà infatti di sincronizzare il funzionamento dei generatori con il verificarsi delle condizioni economiche piu favorevoli nel mercato dell’energia elettrica.
Considerando un tasso di interesse del 4%, il periodo di ammortamento del progetto e di 12,8 anni. Utilizzando durante l’inverno anche l’impianto di riscaldamento a biomassa esistente, il costo di investimento si ridurrebbe a 880 milioni di euro, a fronte di un incremento del costo del calore fino a 13 euro/MWh. Hot Heart ha previsto anche la possibilità di utilizzare fonti di energia alternative, come geotermia e aerotermia, con costi di investimento nell’ordine di 950 milioni di euro e costo del calore sempre attorno a 13 euro/ MWh.
I parchi eolici esistenti e di futura realizzazione saranno la principale fonte di energia di Hot Heart. Attualmente, in Finlandia i parchi eolici sono costruiti senza sussidi: l’elettricità prodotta per l’intera durata del contratto (10 o 20 anni) è normalmente venduta in anticipo a prezzi nell’ordine di 25÷30 euro/MWh (dati gennaio 2021). I prezzi, però, sono in rapida e costante diminuzione e, durante la notte e nei fine settimana, il prezzo dell’elettricità acquistata è prossimo allo zero se non addirittura negativo. Di contro, il costo di produzione del calore mediante pompe di calore è elevato, ma la capacità di accumulo termico del sistema permetterebbe un dimensionamento delle macchine tale da comportare costi di investimento contenuti rispetto alla media. Anche l’impiego dell’acqua di mare per lo scambio termico comporta alcune criticità: alla latitudine di Helsinki, infatti, la temperatura del mare è superiore a 5 °C solo per circa 7 mesi dell’anno. Per ovviare al problema durante l’inverno sono state previste diverse soluzioni:
- prelevare l’acqua a una profondità di circa 60 m, dove la temperatura si mantiene costante al di sotto di 3 °C;
- utilizzare solo acqua superficiale in movimento, che si congela a -4 °C e può perciò essere utilizzata anche con una temperatura di -3 °C;
- produrre neve artificiale, sempre utilizzando acqua di mare, creando così una fonte di calore a 0 °C pressoché inesauribile.
Energia e qualità urbana
Sul fronte della distribuzione Hot Heart prevede la fornitura alla rete di teleriscaldamento alle normali temperature operative (at torno a 80 °C), perciò senza modifiche alle sottostazioni. L’utility pubblica locale Helen ha già previsto la possibilità di installare ulteriori generatori al servizio di utenze particolari, che necessitano di temperature più elevate. Il cronoprogramma prevede l’entrata in funzione dell’infrastruttura entro il 2028.
Hot Heart ambisce perciò a diventare un esempio di sostenibilità alla scala urbana per le città di tutto il mondo. Il dimensionamento del sistema permette infatti di coprire l’intera domanda di riscaldamento della città, stimata in 6.000 GWh alla fine del decennio, senza alcuna emissione di carbonio e a un prezzo inferiore rispetto a quello pagato attualmente dagli utenti del servizio, nell’ordine di circa il -10%.
Hot Heart, inoltre, sarà un luogo aperto e ospitale tutto l’anno: le strutture poste a copertura di quattro dei serbatoi permetteranno la realizzazione di spazi per il relax e il benessere (giardini tropicali, piscine, saune, ecc.) caratterizzati da confortevoli condizioni microclimatiche interne, in grado di fornire ulteriori benefici sociali ed economici stimati in diverse centinaia di milioni di euro.
Secondo il gruppo di progettazione, Hot Heart potrebbe essere completato entro il 2028 – ovvero due anni prima dell’obiettivo del concorso. Alcuni componenti modulari (accumulatori di calore più piccoli, impianti a pompa di calore) potrebbero essere operativi anche nel 2026, anticipando così anche la dismissione dell’uso del carbone grazie all’impiego delle biomasse.
Anche grazie all’uso di sistemi di illuminazione a LED che emettono uno spettro luminoso simile a quello della luce solare nelle zone equatoriali, i visitatori potranno sperimentare una completa immersione in ambienti climatici tropicali equipaggiati con piscine, giardini tematici e attrezzature per il wellness.
Impatto ambientale
L’Helsinki Energy Challenge stima emissioni di carbonio pari a 30 kgCO2/MWh per la produzione dell’elettricità nel 2030, ma Hot Heart – che prevede un fabbisogno di 2.300 GWh all’anno di elettricità, acquistata esclusivamente da campi eolici, per alimentare le pompe di calore ad acqua di mare e ad acque reflue – si propone di ottenere un target decisamente inferiore.
Il progetto considera infatti la possibilità di realizzare un parco eolico dedicato, sulla costa occidentale o settentrionale della Finlandia, della capacità di circa 700 MW (equivalenti a circa 140 generatori eolici), in grado di produrre circa 2.300 GWh di elettricità all’anno. Di questi, il 70% (circa 1.600 GWh) servirebbe ad alimentare le pompe di calore, mentre il 30% sarebbe venduta al mercato, approvvigionando da altri parchi eolici il resto del fabbisogno. In questa ipotesi l’impronta carbonio dell’energia necessaria al funzionamento del progetto sarebbe nulla.
In seconda istanza sono considerati l’implementazione della produzione di idrogeno, ai fini dell’accumulo dell’energia eccedente prodotta dal nuovo parco eolico, e la sua eventuale metanazione per l’utilizzazione in una centrale di cogenerazione e per l’immissione della rete di distribuzione, in questo caso contribuendo alla decarbonizzazione di altri settori (mobilità, industria). Considerando le emissioni di CO2 dell’elettricità acquistata sul mercato, si tratta di 23.000 tCO2 annue – pari a 3,9 kgCO2/MWh per la produzione del calore, a fronte degli attuali 198 kgCO2/ MWh delle centrali che alimentano la rete del teleriscaldamento di Helsinki. Il risparmio totale annuale delle emissioni climalteranti, stimato sul fabbisogno di calore al 2030, è pari a 1.188.000 tCO2.
Allo stato attuale del progetto, la somma delle emissioni complessive per la costruzione e per i sistemi tecnologici risulta inferiore alle emissioni climalteranti di un anno di esercizio di Hot Heart. Anche sotto il profilo ambientale (pianificazione generale, persone, traffico, rumore, emissioni, clima, suolo, fondali marini, ecosistemi, animali, piante, insetti, questioni culturali, ecc.) l’intervento è considerato minimpattante: l’area interessata è ampia circa 400.000 m2 e la maggior parte dei materiali da costruzione è di origine locale, utilizzata in sito. Quanto all’impatto sull’acqua di mare durante l’esercizio, il salto termico operato dalle pompe di calore è di raffreddamento, nell’ordine di di -1÷-2 °C, e si realizza soprattutto in inverno.
