Introduzione
La transizione verso un’economia elettrica guidata dalle energie rinnovabili avrà un impatto su tutti gli ambiti della nostra società. Nuove tecnologie e soluzioni innovative giocheranno un ruolo importante nel consentire questa transizione. Per la rete elettrica, la microgenerazione e l’elettrificazione del calore e del trasporto richiederanno l’adattamento dell’attuale sistema di fornitura e distribuzione da un sistema centralizzato ad una rete smart più decentralizzata, con flussi bi-direzionali di energia ed informazioni. La sfida principale è gestire l’intermittenza dell’energia da fonti rinnovabili, come l’energia eolica e solare, attraverso un cambio intelligente dei nostri modelli di domanda energetica sulla base dell’offerta di energia, assistito da sistemi di accumulo di energia termica ed elettrica.
Pompe di calore
Nell’economia elettrica del futuro basata sulle energie rinnovabili, le pompe di calore rappresenteranno i mezzi più efficienti di utilizzo dell’elettricità generata da fonti rinnovabili per fornire calore e raffrescamento negli edifici. Per capire come funziona una pompa di calore, è utile comprendere la relazione tra calore e temperatura. Il flusso di calore in un ambiente naturale è guidato da differenze di temperatura. Una gran quantità di calore è conservata in serbatoi energetici naturali a bassa temperatura come l’aria, il suolo e i corpi idrici quali fiumi, laghi e stagni. Queste fonti possono essere considerate rinnovabili, perché sono riscaldate naturalmente dal sole e dall’energia geotermica.
Le pompe di calore funzionano usando l’energia elettrica per “pompare” calore da questi serbatoi a bassa temperatura e fornirla dove è necessario per riscaldare a più alte temperature. In alcuni casi, la direzione della pompa di calore può essere invertita per fornire raffrescamento, spesso consumando meno energia elettrica rispetto all’operazione di riscaldamento in quanto funziona nella stessa direzione del flusso naturale del calore (in questo caso da un’ambiente interno con una temperatura più alta ad un ambiente esterno con una temperatura più bassa).
Negli edifici, la gran parte della nostra domanda di energia termica è per il riscaldamento o il raffrescamento degli ambienti, per farci sentire a nostro agio, oppure disporre di acqua calda per cucinare, pulire e lavare. Il progetto REACT si focalizza su diverse aree geografiche delle isole dove vi sono edifici pubblici e privati, ciascuno con requisiti molto diversi a livello di energia termica. Il risultato è che la fornitura di energia termica richieda diversi tipi di pompe di calore a seconda della posizione e del tipo di edificio.
I siti dimostrativi di REACT
Il progetto REACT prevede tre isole dimostrative: Inis Mór, un’isola all’interno di un piccolo arcipelago conosciuto come le isole Aran, in Irlanda occidentale; l’isola di San Pietro, localizzata nel Mar Mediterraneo, al largo della costa sud-occidentale della Sardegna; infine, l’isola di La Graciosa, la più piccola e meno popolata delle isole Canarie spagnole. Queste tre isole hanno ciascuna caratteristiche climatiche diverse, come mostrato nella Figura 1.
Inis Mór ha il tipico clima del nord Europa, in cui la domanda di energia termica durante tutto l’anno è dominata più dal riscaldamento in inverno rispetto al raffrescamento in estate. Gli edifici residenziali tendono ad avere sistemi di riscaldamento ad acqua, che forniscono calore agli ambienti interni tramite radiatori o riscaldamento a pavimento.
Le pompe di calore ad aria e geotermiche sono adatte per l’integrazione con sistemi di riscaldamento ad acqua in edifici residenziali o commerciali. In particolare, le pompe di calore aria-acqua possono essere facilmente installate al posto di vecchie caldaie a combustibili fossili. Per le isole Aran, negli ultimi anni le pompe di calore aria-acqua sono state installate in diverse abitazioni come parte dell’iniziativa Clean Energy for EU Islands per ridurre i costi energetici e la dipendenza delle isole marine dalle importazioni di carburante [1]. Come le caldaie, le pompe di calore aria-acqua possono fornire anche acqua calda per uso sanitario e spesso sono installate con un bollitore per l’acqua calda, che può essere riscaldata quando il costo dell’elettricità è basso, prima dei periodi di picco della domanda.
L’isola di San Pietro ha un clima tipicamente mediterraneo, con un’elevata domanda di raffrescamento nel periodo estivo. In molti casi le abitazioni hanno le persiane alle finestre per mantenere freschi gli ambienti interni quando il calore del sole è più intenso; molti edifici sono dotati anche di impianti di climatizzazione alimentati elettricamente. Per edifici di piccole e medie dimensioni questi sistemi tendono ad essere basati su pompe di calore aria-aria, che raffreddano direttamente l’aria senza il bisogno di far circolare l’acqua. Il calore viene estratto dall’aria presente nello spazio abitativo e respinto nell’ambiente esterno. La maggior parte delle pompe di calore aria-aria tende anche ad essere reversibile e può essere programmata per fornire riscaldamento in inverno cambiando la direzione del flusso di calore.
A differenza di San Pietro e delle Isole Aran, l’Isola La Graciosa si trova in una parte dell’Oceano Atlantico caratterizzata da temperature stagionali molto miti e poche variazioni durante l’anno; di conseguenza, l’esigenza di raffrescare gli ambienti in estate o di riscaldarli in inverno è minima. Per quest’isola, la maggior parte della domanda di energia termica negli edifici è per ottenere acqua calda sanitaria.
Accumulo di energia e demand-response
I sistemi a pompa di calore abbinati alle tecnologie di accumulo dell’energia consentono di compensare il momento in cui viene consumata l’energia di riscaldamento o di raffreddamento dal momento in cui viene generata l’energia elettrica. Questo è un concetto centrale di ciò che viene definito gestione della domanda o demand-response, il quale consente di massimizzare la frazione di domanda energetica che può essere soddisfatta da fonti energetiche rinnovabili intermittenti.
La Figura 2 mostra tre percorsi di flusso tramite cui le pompe di calore e l’accumulo di energia possono essere usati per separare il lato dell’offerta ed il lato della domanda dell’uso di energia termica negli edifici. Ogni percorso rappresenta una diversa sequenza per la generazione, conversione, accumulo e consumo di energia.
Nel percorso di flusso energetico A, l’energia elettrica generata da fonti rinnovabili viene accumulata in una batteria elettrica prima di esser convertita in energia termica dalla pompa di calore e convogliata per l’uso finale come riscaldamento o raffrescamento. Nel percorso di flusso energetico B, il processo di conversione energetica avviene prima dell’accumulo, con la pompa di calore che dapprima converte l’energia elettrica in energia termica in forma di acqua calda e successivamente questa viene immagazzinata in un bollitore per il conseguente uso sanitario. Il percorso di flusso energetico C mostra una sequenza tramite cui l’edificio stesso può essere usato come un accumulatore di energia termica, che è preriscaldato o preraffrescato dalla pompa di calore prima del periodo di occupazione [5].
Ciascuno di questi approcci per l’accumulo e la gestione energetica comporta delle sfide tecniche per raggiungere la massima efficacia e al contempo il mantenimento di confort e comodità per l’utente finale. Sono queste sfide che forniscono le motivazioni alla base del progetto REACT. I tre siti dimostrativi, che formano il cuore del progetto, rappresentano tutte insieme un’opportunità unica di realizzare strategie di controllo demand-response energetico avanzato attraverso un’ampia serie di tipologie di edifici ed aree geografiche. Durante il periodo di convalida del progetto, la piattaforma REACT basata su cloud costituirà il punto centrale per la raccolta di informazioni tese a valutare e migliorare la soluzione ICT del progetto, integrata dal riscontro interattivo da parte dei partecipanti a REACT. Gli obiettivi di progetto prevedono un piano di replica per estendere la soluzione REACT a livello dell’intera isola, così da risolvere la sfida dell’indipendenza energetica.
Comunicazione ed interoperabilità
Al centro della soluzione REACT vi sarà il concetto delle abitazioni connesse, tema che tratteremo diffusamente nei prossimi post.
Riconoscimento
Questo progetto ha ricevuto un finanziamento dal programma Horizon 2020 dell’Unione Europea, Accordo di sovvenzione n. 824395.
Autori
James Freeman, Ingegnere Ricercatore, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V.
Daniel Coakley, Ingegnere Ricercatore Senior, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V.
Bibliografia
- European Commission (2017). Clean energy for EU islands. https://ec.europa.eu/energy/topics/renewable-energy/initiatives-and-events/clean-energy-eu-islands_en.
- National Aeronautics and Space Administration (2019). Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2. Meteorological data, Inis Mór. Retrieved from http://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2.
- Meteoblue. (2019). Modelled climate data for Isla Graciosa. Retrieved from https://www.meteoblue.com/en/weather/historyclimate/climatemodelled/islagraciosa_espa%C3%B1a_2517127
- World Weather Online. (2019). Carloforte Historical Weather. Retrieved from https://www.worldweatheronline.com/carloforte-weather-history/sardegna/it.aspx
- T. Sweetnam, M. Fell, E. Oikonomou, and T. Oreszczyn (2019). Domestic demand-side response with heat pumps: controls and tariffs. Building Research & Information 47(4), 344-361. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09613218.2018.1442775
