L’accumulo dell’energia termica è uno degli anelli mancanti nella strategia di decarbonizzazione industriale europea: uno studio dimostra che i Tes sono una tecnologia economicamente vantaggiosa se abbinati alle energie rinnovabili.
La decarbonizzazione offre l’opportunità di sviluppare soluzioni e tecnologie ad alto valore energetico e ambientale, utili anche a mantenere la leadership dell’industria europea nello scenario mondiale. Il consumo di calore industriale costituisce oggi circa il 70% dell’energia totale utilizzata dal settore industriale in Europa, di cui oltre il 60% proviene da fonti non rinnovabili.
I Tes (Thermal energy storage) emergono come una tecnologia chiave nello studio Decarbonizing industrial heat to face climate change, condotto dalla società di consulenza internazionale Arthur D. Little.
La svolta green dell’industria
La capacità dei Tes di offrire stoccaggio termico efficiente, modulare e di facile installazione si affianca alle tecnologie più avanzate per l’elettrificazione diretta e indiretta dei consumi. Oltre a valutare il potenziale di mercato legato alla transizione energetica del settore industriale, lo studio individua soluzioni innovative e scalabili, in grado di sostenere la transizione verso un’industria a basse emissioni.
Secondo l’Agenzia internazionale per l’energia, la produzione di calore per uso industriale consuma circa un quinto dell’energia globale: si utilizza prevalentemente la combustione di fonti fossili, con significative emissioni di CO2. Lo studio stima consumi pari a circa 1.800 TWh per produrre calore industriale a livello europeo, di cui oltre il 60% deriva da fonti fossili.
Le politiche europee che incentivano il settore industriale a ridurre le emissioni di CO2 fissano obiettivi ambiziosi: riduzione dei gas serra di almeno il 55% entro il 2030 e raggiungimento della neutralità climatica entro il 2050. Nonostante la quota delle energie rinnovabili continui ad aumentare, questi obiettivi sono molto difficili da raggiungere senza strategie complementari e tecnologie innovative, specie per le applicazioni hard-to-abate.
Consumi termici e tecnologie chiave
Lo studio ha analizzato i consumi di calore delle principali industrie europee, evidenziando come i primi cinque settori industriali (chimico-petrolchimico, metalli, minerali non metallici, alimentare, cartario) rappresentino più dell’80% del totale calore consumato dal comparto industriale. Al contempo, tali settori presentano significative differenze in termini di temperatura richiesta.
I settori alimentare, chimico-petrolchimico e cartario richiedono calore a temperature inferiori a 500 °C, mentre i settori metalli (ferro-acciaio-alluminio) e minerali non metallici (vetro, ceramica, cemento) richiedono calore a temperature molto elevate. Sono state poi approfondite le principali modalità per l’elettrificazione diretta e indiretta dei consumi, nonché le ulteriori tecnologie per la decarbonizzazione quali le soluzioni di Carbon capture utilization and storage (Ccus) e le biomasse, evidenziando in quali settori sono maggiormente applicabili.
Calore a basse e alte temperature
Fra le soluzioni per l’elettrificazione diretta, le pompe di calore sono una tecnologia matura con un elevato coefficiente di rendimento, applicabili ai settori che richiedono calore a basse temperature. Le caldaie elettriche possono raggiungere temperature più elevate rispetto alle pompe di calore (fino a 300 °C) e si prestano alla produzione di vapore. Anche questa è una tecnologia matura che può essere applicata a diversi settori, ma è meno efficiente rispetto alle pompe di calore.
Fornaci, forni ed essiccatori sono utilizzati principalmente nell’industria alimentare, nei cementifici, nella siderurgia e nell’industria del vetro e della ceramica. Tali tecnologie – anche molto diverse tra loro nelle differenti applicazioni industriali – presentano una buona efficienza e maturità: a seconda delle applicazioni si possono raggiungere temperature fino a 1.600 °C.
Idrogeno, CCUS e biomasse
Le tecnologie per l’elettrificazione indiretta sono basate principalmente sull’uso dell’idrogeno come combustibile e sono particolarmente indicate nelle applicazioni hard-to-abate. È il caso, ad esempio, dell’industria siderurgica dove l’uso combinato dell’idrogeno con forni elettrici ad arco potrebbe garantire un acciaio a zero emissioni di carbonio.
Le soluzioni Ccus riducono a breve termine le emissioni delle industrie hard-to-abate, possono fungere da ponte per lo sviluppo della filiera dell’idrogeno e interessano anche le industrie che utilizzano la CO2 nei loro processi produttivi (alimentare, bevande, tabacco, sintesi proteica). L’uso delle biomasse e del biogas come combustibile presenta buone prospettive potenziali, ma è attualmente limitato dalla disponibilità di materie prime. Le applicazioni possono interessare molti settori fra cui cartario e calcestruzzo.
Potenzialità, vantaggi e applicazioni
In generale, nei settori che consumano calore a temperature inferiori a 500 °C, i Tes stanno emergendo come una tecnologia particolarmente interessante, attraverso la quale l’energia elettrica può essere utilizzata per generare calore, mediante Power-to-Heat (P2H), e per recuperare il calore di scarto dei processi produttivi (H2H).
Il principale vantaggio dei Tes consiste nello stoccaggio del calore per lunghi periodi. Si tratta normalmente di soluzioni facili da installare, modulari e con buona resa energetica a seconda dei casi specifici. L’energia solare prodotta in eccesso dalle fonti rinnovabili intermittenti, come fotovoltaico ed eolico, è la sorgente più sostenibile per caricare i Tes, che in questo modo si prestano anche al bilanciamento fra domanda e offerta nelle reti elettriche.
Alcune tipologie di Tes consentono inoltre di recuperare l’energia termica di scarto dei processi produttivi che utilizzano calore ad alte temperature.
- i sistemi a calore sensibile stoccano energia termica riscaldando o raffreddando materiali solidi (ad esempio sabbia, pietre ecc.) o liquidi (acqua, oli, miscele di sali ecc.) senza che questo comporti il loro cambiamento di fase;
- i sistemi a calore latente accumulano il calore permettendo il cambiamento di fase (generalmente da solido a liquido) del materiale (miscele di sali, paraffine ecc.), per incrementare la quantità di calore accumulato.
Tra le soluzioni più promettenti per l’industria spiccano due tecnologie che utilizzano calore sensibile. I serbatoi per l’acqua calda sono largamente utilizzati per la loro maturità tecnologica e la compatibilità con processi industriali a basse temperature (fino a 90 °C). io accumulatori basati sull’uso dell’acqua come vettore termico per riscaldare/raffreddare materiali a cambiamento di fase.
Gli accumuli allo stato solido sono una tecnologia strategica per l’ampio range di temperature e la durata di conservazione del calore. Anche in questo caso l’energia termica è trasferita da un fluido (acqua, aria ecc.) nella fase di carica e in quella di scarica.
Questa tecnologia è già matura per temperature fino a 600÷700 °C, con sviluppi previsti a breve-medio termine per valori ancora più elevati. Anche l’uso delle miscele di sali suscita molto interesse: si tratta infatti di una tecnologia già impiegata con successo come vettore termico nelle centrali solari a concentrazione, che consente di raggiungere temperature nell’ordine di circa 500 °C.
Prospettive di sviluppo
I Tes possono risultare economicamente vantaggiosi nella realtà italiana, proprio in abbinamento alle rinnovabili e/o allo sfruttamento del calore di scarto.
La scelta della tecnologia Tes più adatta dipende da diversi fattori: temperatura del processo, dimensioni e posizione dell’impianto, disponibilità di fonti rinnovabili e materie prime, livello di maturità tecnologica, efficienza complessiva ecc. Tuttavia, la value chain del Tes non è ancora completamente sviluppata e il mercato è ancora molto frammentato.
Per facilitare l’adozione su larga scala dei Tes sono auspicabili una maggiore collaborazione fra attori pubblici e privati, per promuovere lo sviluppo di soluzioni integrate, e l’adozione di strumenti incentivanti, per accelerare la diffusione delle soluzioni già disponibili.
Italy & Spain
«La decarbonizzazione del consumo di calore industriale non è solo un obiettivo ambizioso, ma una necessità imprescindibile per l’Unione Europea, impegnata a ridurre le emissioni di gas serra e a promuovere una transizione verso un’economia più sostenibile. In questo panorama, l’adozione di tecnologie innovative come i Tes emerge come una componente cruciale per raggiungere tali obiettivi, ma è indispensabile uno sforzo di sistema.
È importante che le istituzioni sostengano la diffusione della tecnologia, aprendo al mercato dei servizi, e promuovano meccanismi di incentivazione, per rendere sostenibile il business già nella fase di start up.
Parallelamente i technology provider dovranno continuare a investire in ricerca e sviluppo, per favorire la riduzione dei Capex. Il coinvolgimento di utilities e player energetici, in particolare le Esco, può svolgere un ruolo cruciale per rendere questa tecnologia più conosciuta e accessibile dall’industria, anche attraverso offerte secondo il modello “heat as a service”».
