Il progetto di sviluppo immobiliare The Well nel centro di Toronto sarà caratterizzato da sette torri a uso misto che ospiteranno più di 100 mila m2 di spazi per la vendita al dettaglio e la ristorazione, 46 mila m2 di uffici e quasi 2000 unità abitative, il tutto situato sopra una innovativa centrale energetica (figura 1).
In un locale posto 43 metri sotto il livello più basso del sito di costruzione, un enorme serbatoio da 7,6 milioni di litri immagazzinerà acqua a temperatura controllata alimentata dalla rete urbana di teleraffreddamento che sfrutta l’acqua profonda del lago Ontario, di seguito descritta. La nuova rete di distribuzione di acqua calda ad alta efficienza di The Well sfrutterà anch’essa l’accumulo termico sul posto. Il sistema consentirà di immagazzinare energia durante le ore vuote in modo che essa possa essere distribuita ai clienti in base alla richiesta.
Per caricare il serbatoio in fase di raffreddamento (figura 2) l’acqua refrigerata arriva dalla rete urbana e raffredda il circuito dell’acqua dell’accumulo termico a 5,5 °C attraverso uno scambiatore di calore. Successivamente, i gruppi refrigeratori installati in loco producono una soluzione sottoraffreddata che viene fatta circolare nel circuito per abbassare la temperatura sotto il punto di congelamento. Quest’acqua viene iniettata lentamente nel fondo del serbatoio di accumulo utilizzando un sistema di diffusori appositamente progettato per garantire che l’acqua calda e fredda non si miscelino e che venga mantenuto il termoclino.
Nel frattempo, l’acqua più calda viene rimossa dalla parte superiore del serbatoio e riportata indietro per raccogliere il calore di condensazione prodotto dal gruppo frigorifero, eliminando la necessità di utilizzare torri di raffreddamento. Infine, quest’acqua più calda viene ricondotta allo scambiatore di calore della rete e raffreddata di nuovo a 5,5 °C, e il processo ricomincia.
Nel processo di scarica, l’acqua fredda più densa viene prelevata dal fondo del serbatoio e il processo si inverte. Attraverso lo stesso scambiatore di calore utilizzato per caricare il serbatoio, l’acqua provvede ora al raffreddamento degli edifici e alla cessione di energia frigorifera al sistema di teleraffreddamento. L’acqua calda risultante viene quindi iniettata nuovamente nella parte superiore del serbatoio. Nella fase di riscaldamento (figura 3) il caricamento del serbatoio avviene in modo simile al processo di raffreddamento, in quanto viene utilizzata l’acqua calda fino a 82 °C proveniente dalla rete urbana.
L’acqua calda viene iniettata nella parte superiore del serbatoio, mentre l’acqua più fredda viene rimossa dal fondo. In fase di scarica l’acqua calda meno densa viene prelevata dalla parte superiore del serbatoio e inviata agli scambiatori di calore della rete di teleriscaldamento. L’acqua calda viene quindi esportata nella rete urbana per riscaldare gli edifici dei clienti dopo aver riscaldato quelli del complesso The Well.
Il sistema non solo fornirà una soluzione sostenibile per il riscaldamento e il raffreddamento di questo complesso, ma fungerà anche da hub energetico per l’espansione della rete esistente di district energy in modo da renderla capace di fornire energia frigorifera e termica a basse emissioni di carbonio a oltre 1,8 milioni di m2 di spazi per uffici, commerciali e residenziali.
The Well e la rete di teleraffreddamento
La città di Toronto è dotata del più grande sistema di teleraffreddamento alimentato con acqua di lago del mondo. Il sistema utilizza l’acqua del vicino lago Ontario per raffreddare oltre 100 edifici del centro cittadino, dal municipio alla Scotiabank Arena dove gioca la squadra di basket dei Raptors fino al Toronto General Hospital, a una serie di hotel e persino a una fabbrica di birra.
Secondo la Enwave, la società che possiede e gestisce la rete, il sistema consente di risparmiare 90.000 MWh di elettricità all’anno, all’incirca quanto basta per alimentare una città di 25.000 abitanti. Avendo il sistema ormai quasi raggiunto la massima capacità, si sta progettando un’espansione che comporterà un investimento da 100 milioni di dollari.
La figura 4 mostra lo schema funzionale del sistema.
Il processo di raffreddamento della città inizia nel lago in un punto distante circa 5,5 km in direzione sud e a 85 metri di profondità dove l’acqua resta a una temperatura costante di 4 °C tutto l’anno. Essa viene aspirata attraverso tre tubi in polietilene ad alta densità con diametro di 1,6 metri appoggiati lungo il pendio naturale del fondo del lago e distanziati di circa 800 metri l’uno dall’altro (figura 5). I tre tubi si uniscono tra loro prima di entrare nell’impianto di trattamento dell’acqua situato su una delle Toronto Islands al largo della città (figura 6). Nell’espansione prevista verrà aggiunto un quarto tubo per aumentare la capacità del 60%.
Una volta trattata, l’acqua raggiunge la centrale di scambio termico dove 18 coppie di scambiatori a piastre, con una capacità frigorifera complessiva di 147 MW, trasferiscono l’energia all’anello della rete che serve l’area del centro cittadino con acqua refrigerata a temperatura compresa tra 2,7 e 5,5 °C (figura 7). In condizioni normali l’unico consumo energetico è quindi quello delle pompe per l’aspirazione dell’acqua di lago e per la circolazione dell’acqua nell’anello (figura 8).
La centrale è tuttavia dotata anche di gruppi frigoriferi che provvedono, in caso di necessità, a raffreddare ulteriormente l’acqua della rete. L’acqua trattata e riscaldata in uscita dagli scambiatori viene invece convogliata alla rete urbana di adduzione dell’acqua potabile con una temperatura di 12,5 °C.
Ogni edificio servito dall’anello è a sua volta dotato di sottostazioni di scambio termico che sfruttano l’acqua fredda per dissipare il calore proveniente dal circuito dell’impianto HVAC. Per alcuni edifici sono inoltre previsti gruppi frigoriferi che possono a loro volta fornire un contributo nel raffreddare l’acqua dell’anello (modalità “trading”) oppure quella dell’impianto HVAC dell’edificio (modalità “load shedding”). Il sistema consente agli edifici di ridurre notevolmente i consumi elettrici.
La sola Scotiabank Arena preleva dalla rete elettrica circa 3 milioni di kWh in meno all’anno rispetto a quando veniva raffreddata con un sistema tradizionale, una riduzione pari a circa il 70%. Soltanto occasionalmente si verifica la necessità di integrare il raffreddamento con i gruppi frigoriferi di supporto.
Un altro vantaggio del sistema è costituito dalla possibilità di eliminare le torri evaporative solitamente utilizzate come mezzo per smaltire il calore di condensazione. Oltre alla riduzione dei costi energetici e di manutenzione, si evita l’evaporazione dell’acqua con un risparmio in circa un milione di metri cubi all’anno.
Bisogna considerare che il sistema di teleraffreddamento con acqua di lago di Toronto sfrutta una serie di condizioni favorevoli. In primo luogo, la posizione in prossimità di un lago profondo, che rappresenta il primo fattore che può rendere fattibile o meno l’utilizzo di questa tecnologia. Gran parte della costa orientale degli Stati Uniti, ad esempio, presenta invece una piattaforma oceanica poco inclinata che rende difficile posizionare un sistema alle profondità necessarie. Inoltre, è garantita una domanda di raffreddamento sufficiente per giustificare la realizzazione di un sistema di questo tipo che ha comportato un costo iniziale di ben 170 milioni di dollari.
Per essere un’attività economica sostenibile l’investitore aveva bisogno di molti clienti. I timori di fallimento sono stati di breve durata. Partita con una manciata di clienti nel 2004, l’iniziativa ha goduto subito di notevole successo con un’espansione commerciale molto rapida e costante.
