Riutilizzo dell’Energia Termica: Controllo Climatizzante Domestico, Parcheggi Sotterranei e Informatica

Il mercato globale dello stoccaggio di energia termica potrebbe raggiungere US$8 billion nel 2030 da una dimensione di US$4.4 billion nel 2022, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) di circa il 7,7%. La crescente domanda di stoccaggio indica un utilizzo costantemente crescente dell’energia termica. 

Ma cos’è esattamente l’energia termica e come la immagazziniamo? Approfondiremo nei segmenti successivi per arrivare al fondo di queste domande e vedere come l’energia termica sta creando paradigmi di utilizzo efficiente dell’energia per le esigenze del nostro mondo moderno. 

Breve Storia dell’Energia Termica

La storia del riconoscimento dell’energia termica e del suo potenziale risale al 1847. Il merito va al fisico e matematico inglese, universalmente venerato, James Prescott Joule. 

In parole semplici, Joule scoprì la relazione tra calore ed energia meccanica per arrivare infine alla legge di conservazione dell’energia, nota anche come prima legge della termodinamica. La legge afferma che l’energia può essere convertita da una forma all’altra ma non può essere creata né distrutta. 

Il modo in cui lo scienziato Joule raggiunse questa conclusione rivoluzionaria fu un esperimento entusiasmante che può aiutarci a comprendere la natura di ciò che oggi conosciamo come energia termica. 

Nel suo esperimento, Joule misurò la quantità di lavoro che un motore elettrico doveva compiere per aumentare la temperatura di un certo volume d’acqua di un grado. Misurò anche l’aumento di temperatura dell’acqua quando passava attraverso un cilindro forato e il calore generato comprimendo un gas. 

Durante la sua ricerca, scoprì che la quantità di energia meccanica applicata al fluido era sempre uguale all’energia termica generata, indicando che il riutilizzo dell’energia è possibile da una forma all’altra. 

In termini più ampi, l’esperimento dice molto sul nostro universo e sul suo sistema energetico. Dimostrò, soprattutto, che l’intera energia nell’universo rimane costante, con una forma di energia che si converte in un’altra forma. 

La scoperta di Joule diede vita a un’intera disciplina di studio nota come termodinamica. Abbiamo già visto la prima legge del paradigma. Ne esistono altre tre. Queste quattro leggi fondamentali tracciano i contorni della termodinamica, che tratta calore, lavoro e temperatura e come le loro interdinamiche influenzano le nozioni di energia, radiazione e proprietà fisiche della materia. 

È fondamentale comprendere la termodinamica per capire appieno il potenziale dell’energia termica e i modi in cui può aiutare i nostri processi. In sostanza, la termodinamica spiega come l’energia termica si converte in altre forme e viceversa. L’energia termica proviene dal calore termico prodotto dal movimento delle particelle all’interno di un oggetto. Più veloce è il movimento, maggiore è il calore generato. 

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La Scienza Dietro la Generazione di Energia Termica: Conduzione, Convezione, Radiazione

Il movimento di particelle o molecole genera calore. Ma esistono almeno tre modi in cui questi movimenti possono produrre calore. 

Nel processo di conduzione, il calore è generato dal movimento delle particelle costituenti senza che il corpo si muova. Un esempio pratico di generazione di calore per conduzione è l’aumento di temperatura di un cucchiaio di acciaio inossidabile quando viene inserito nella pentola per un po’ di tempo mentre la pentola è ancora riscaldata dal basso. 

Il processo di convezione è quello in cui il trasferimento di energia avviene tra una superficie solida e un liquido o gas in movimento. Riscaldare l’acqua mettendola in una padella e applicare calore direttamente alla padella è un esempio del processo di convezione del trasferimento di energia. 

Infine, nel processo di radiazione, per lo scambio di calore o energia termica, due corpi o sostanze non devono essere a contatto tra loro. Un esempio tipico di questo processo è lo scioglimento del ghiaccio tenendo una lampada incandescente vicino ad esso. Sebbene la lampada e il ghiaccio non si tocchino mai, il ghiaccio si scioglie. 

Mentre questi metodi alla base della generazione di energia termica non sono visibili ad occhio nudo e possono essere compresi solo osservando le loro manifestazioni esterne o fisiche, gli esempi di energia termica sono spesso facili da riconoscere mentre interagiamo con molti di essi. 

Ad esempio, la radiazione solare riscalda la nostra atmosfera, e ne sentiamo il caldo di conseguenza. Allo stesso modo, esiste anche l’energia geotermica, che è calore intenso che fluisce continuamente verso l’esterno dal profondo della terra. Il decadimento degli elementi radioattivi presenti nelle rocce è il generatore principale di questo tipo di calore. Poi c’è la superficie dell’acqua di mare, che ha un enorme potenziale di stoccaggio di energia termica grazie all’esposizione diretta ai raggi solari per un periodo prolungato. Anche le celle a combustibile aiutano a sfruttare l’energia prodotta dall’energia termica.

Riutilizzo dell’Energia Termica: Sforzi in tutto il Mondo

In linea di principio, l’energia si converte da una forma all’altra. Il riutilizzo dell’energia è quindi in linea con i principi della nostra scienza naturale. È un modo efficiente di sfruttare il vero potenziale dell’energia andando oltre la sua applicazione immediata. Esamineremo alcuni esempi di energia termica riutilizzata. 

Energia Termica Generata nei Parcheggi Sotterranei per Riscaldare le Acque Sotterranee

Un team di ricercatori della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), del Karlsruhe Institute of Technology e dell’Università di Basilea ha condotto uno studio approfondito su 31 parcheggi sotterranei in città di Germania, Austria e Svizzera.

In sei di queste sedi, hanno anche misurato la temperatura delle acque sotterranee vicine. Dai profili termici che hanno preparato, sono giunti alla conclusione che i parcheggi sotterranei riscaldano costantemente le acque sotterranee durante tutto l’anno. È importante notare che questo calore proviene principalmente dai motori delle auto parcheggiate. 

Maximilian Noethen, geoscienziato della MLU, ha spiegato: “I parcheggi sotterranei pubblici contribuiscono più al riscaldamento delle acque sotterranee rispetto a quelli privati, poiché sono spesso più profondi e le auto vi rimangono parcheggiate per periodi più brevi.” 

I ricercatori hanno anche evidenziato il potenziale di riutilizzare questa energia termica. Ad esempio, la produzione annuale di energia dai parcheggi sotterranei di Berlino, quasi 0,65 petajoule, potrebbe teoricamente fornire calore a circa 14.660 famiglie.

Riutilizzo del Calore dei Dispositivi Elettronici

Questo studio proviene dai fisici che lavorano alla Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) e alla Central South University in Cina. Lo studio propone la fattibilità di utilizzare il calore generato nei dispositivi tecnici per il calcolo. Tutto ciò che serve è combinare materiali specifici. 

I dispositivi elettronici si riscaldano a causa della corrente elettrica che li attraversa. Questo calore si dissipa e si perde nel processo. Secondo il dott. Jamal Berakdar, professore di fisica alla MLU, “Da decenni, le persone cercano modi per riutilizzare questa energia persa nell’elettronica.” 

Il nuovo metodo per riutilizzare il calore propone l’uso di strisce magnetiche non conduttive al posto dei circuiti elettronici convenzionali, in combinazione con distanziatori metallici normali. “La nostra tecnologia può contribuire a risparmiare energia nell’informatica sfruttando al meglio il calore in eccesso,” spiega Berakdar. 

Batterie al Sale per Immagazzinare Calore

Questo lavoro di ricerca è uno sviluppo recente poiché l’autrice della tesi, dottoranda dell’Università di Radboud Lian Blijlevens, sta per difendere la sua ricerca sull’utilità del sale per l’immagazzinamento del calore. Il sale in questione non è la comune varietà da tavola, ma tipi come il cloruro di stronzio. 

Il nucleo dello studio di Blijlevens è la batteria al sale, progettata per immagazzinare idrati di sale e sali contenenti acqua in forma cristallina. Ricaricare questa batteria comporta il riscaldamento del sale, che espelle l’acqua dai cristalli. 

“Quando hai bisogno del calore, aggiungi vapore acqueo ai cristalli e il calore viene rilasciato nuovamente,” conclude Blijlevens. 

Con questi lavori di ricerca che mostrano un vivace ambiente di innovazione in questo settore, alcune soluzioni aiutano a riutilizzare l’energia termica su scala aziendale. Discuteremo alcuni di questi fornitori di soluzioni nei segmenti seguenti.

Fornitori di Soluzioni per il Riutilizzo dell’Energia: Scala Aziendale

#1. Calefa

Calefa è un fornitore finlandese di soluzioni chiavi in mano per il riciclo del calore. La sua offerta include un impianto modulare di pompa di calore AmbiHeat. Utilizza fonti di energia ambientale e sistemi di retrofit per riciclare il calore di scarto. Poiché abbiamo menzionato le pompe di calore come soluzione, sarebbe opportuno spiegare brevemente perché sono considerate una opzione principale per il controllo climatico domestico. 

Le pompe di calore sono dispositivi di controllo climatico multi-funzionali che trasferiscono il calore da un luogo all’altro. Non generano calore, lo spostano, dimostrandosi una scelta energeticamente efficiente per riscaldare o raffreddare una casa. In inverno, queste pompe estraggono calore dall’esterno e lo trasferiscono all’interno. In estate, avviene il contrario. 

Secondo i dati pubblicati da Calefa, negli ultimi dieci anni ha fornito quasi 200 sistemi energetici che utilizzano calore di scarto o energia ambientale. Ha contribuito a risparmiare più di US$34 milioni in termini monetari, quasi 650.000 MWh di energia e oltre 142 milioni di chilogrammi di anidride carbonica in emissioni ridotte. 

#2. Heata

Heata, una startup innovativa con sede nel Regno Unito, ha ideato l’uso del calore generato dai computer per offrire acqua calda gratuita. La startup è decollata come un progetto di innovazione con British Gas, per aiutare le persone che vivono in mancanza di carburante o in povertà energetica. 

Hanno esaminato lo spazio blockchain e hanno scoperto le grandi quantità di energia che i minatori di Bitcoin utilizzavano e i volumi altrettanto grandi di calore di scarto che generavano nel processo. Per riutilizzare questo calore, il team di Heata ha immerso il Bitminer in olio minerale e lo ha collegato a un radiatore per testare la fattibilità della loro idea. 

Una volta trovata l’idea realizzabile, hanno introdotto cilindri di acqua calda dove la domanda è abbastanza costante durante l’anno. Sono anche passati dal mining di Bitcoin al calcolo generale per supportare gli sforzi di decarbonizzazione in questo settore. 

Fondata nel 2017 e con sede a Godalming, Surrey, Regno Unito, Heata consente alle aziende di ridurre la loro impronta di carbonio e fa risparmiare alle famiglie fino a £450 all’anno sulle bollette energetiche. La startup ha chiuso un finanziamento seed di 1 milione di sterline nell’ottobre di quest’anno.

Riutilizzo del Calore dei Data Center

Il World Economic Forum ha notato le aziende tecnologiche che stanno sfruttando i loro data center – che ospitano i loro server – per riscaldare le case e ridurre l’anidride carbonica. Diverse iniziative stanno facilitando questo processo e, secondo l’International Data Corporation, il mercato del riscaldamento dei data center potrebbe valere US$2.5 billion entro il 2025. 

Stockholm Data Parks è una di queste iniziative in Svezia che aiuta a riscaldare le case sfruttando il calore di scarto generato dai data center di Stoccolma. Con ambiziosi obiettivi, l’iniziativa prevede di coprire il 10% del fabbisogno di riscaldamento totale di Stoccolma in questo modo entro il 2035. Riflettendo questo potenziale su scala più ampia, il think tank Energy Innovation osserva che i più grandi data center possono generare più di 100 megawatt di energia, sufficienti per alimentare 80.000 case.

Switch Datacenters è un’altra azienda con sede nei Paesi Bassi che ha ridotto la dipendenza dal gas naturale, sostituendo le unità generatori a gas con il riscaldamento dei data center. Secondo l’amministratore delegato dell’azienda, è possibile fornire fino al 97% del calore dei server a case e uffici attraverso questo sistema. 

Il Futuro: Il Gigante Tecnologico Globale Microsoft Fa il Salto

Microsoft ha stretto una partnership con Fortum, un’azienda finlandese, per riscaldare migliaia di case a Helsinki e, man mano che la collaborazione si dimostra fruttuosa, Fortum prevede che la sua soluzione aiuti a riscaldare il 40% delle case di Helsinki. 

Rafforzando il loro impegno per la sostenibilità, Microsoft ha ora deciso di alimentare due dei suoi nuovi data center a Helsinki con energia rinnovabile, una decisione che dovrebbe ridurre le emissioni annuali di anidride carbonica di 400,000 tonnes. 

Tuttavia, questa iniziativa ambientale è solo un aspetto dell’influenza globale di Microsoft. L’azienda, rinomata a livello mondiale, ha registrato US$211 billion di fatturato nell’anno fiscale 2023 e un reddito operativo di oltre US$88 billion. Il coinvolgimento di Microsoft negli sforzi di riutilizzo dell’energia termica non solo evidenzia i suoi impegni per la sostenibilità, ma conferisce anche una notevole visibilità e adattabilità a queste iniziative.

Ora, tornando nuovamente alla prima legge della termodinamica. L’energia è meglio sfruttata quando gli sforzi mirano a spostarla da una forma all’altra. Il riutilizzo dell’energia termica è un passo efficiente in tal senso. Non c’è motivo per cui non possa vedere una crescita significativa nella sua adozione nei prossimi anni.