La crescente domanda di aria condizionata in un mondo sempre più caldo mette in crisi le reti elettriche e minaccia di peggiorare di molto il problema del cambiamento climatico.
di James Temple
Mentre il mese scorso ondate di calore da record hanno colpito i californiani, milioni di condizionatori d’aria hanno costretto gli operatori della rete elettrica dello stato a far precipitare centinaia di migliaia di famiglie nell’oscurità. I blackout continui hanno offerto solo un antipasto di ciò che potrebbe accadere in California e in altre parti.
Secondo il rapporto Future of Cooling dell’International Energy Agency, la crescita della popolazione, l’aumento dei redditi, la maggiore urbanizzazione e le temperature estive più alte potrebbero triplicare il numero di impianti di aria condizionata installati in tutto il mondo entro la metà del secolo, spingendone il totale verso i 6 miliardi.
L’aria condizionata rappresenta infatti una delle sfide più insidiose del cambiamento climatico e uno dei problemi tecnologici più difficili da risolvere. Più il mondo si riscalda, più avremo bisogno di raffreddamento, non solo per il comfort, ma per la salute e la sopravvivenza in gran parte del mondo.
Ma gli stessi condizionatori d’aria producono calore che aumenta in modo misurabile le temperature urbane e incrementano la presenza di gas serra molto potenti. Inoltre, quei miliardi di nuove unità assetate di energia creeranno una delle maggiori fonti di aumento della domanda di elettricità in tutto il mondo. Senza grandi miglioramenti, anche la domanda di energia per il raffreddamento triplicherà, raggiungendo i 6.200 terawattora entro il 2050, ovvero quasi un quarto del consumo totale di elettricità nel mondo odierno.
Nonostante l’ampiezza delle crescenti sfide, il flusso di finanziamenti nel settore è stato relativamente limitato e sono stati pochi i progressi significativi nei prodotti sul mercato. A parte i lenti guadagni di efficienza, la tecnologia di base funziona in modo molto simile a quando è stata introdotta quasi un secolo fa.
Vince Romanin, amministratore delegato di Treau, una startup di San Francisco che ha sviluppato un nuovo tipo di pompa di calore per il raffreddamento, sostiene che “molte persone vorrebbero prodotti innovativi, ma finora ci sono stati solo progressi incrementali”.Treau è una delle numerose startup e gruppi di ricerca che sono interessati alla creazione di una tecnologia di raffreddamento più pulita ed efficiente.
Ma anche se lo stock globale di impianti di aria condizionata diventasse molto più efficiente, i previsti balzi in avanti nell’utilizzo sono così sostenuti che la domanda globale di elettricità continuerà a salire. Ciò complicherà il già complesso compito di diminuire l’impatto ambientale dei settori energetici mondiali. Infatti, le nazioni non avranno solo bisogno di revisionare le infrastrutture elettriche esistenti, ma dovranno costruire sistemi molto più grandi degli attuali e fare tutto con fonti prive di carbonio.
Miliardi di nuovi condizionatori d’aria
Raffreddare perennemente i vasti volumi di aria calda che riempiono case, uffici e fabbriche richiederà una quantità enorme di energia. Il problema è che oltre all’aumento dell’elettricità per alimentare i condizionatori, sarà necessario rispondere all’ulteriore incremento della richiesta nelle ore di punta, quando le temperature sono più alte. Ciò significa che dobbiamo costruire complessi sistemi elettrici per soddisfare i livelli di domanda che possono verificarsi solo per poche ore o pochi giorni all’anno.
Secondo uno studio di Applid Energy del 2019, condotto dai ricercatori dell’Arizona State e dell’Università di California, nella contea di Los Angeles, in uno scenario ad alte emissioni l’aumento delle temperature combinato con la crescita della popolazione potrebbe aumentare la domanda di elettricità durante le ore di punta dell’estate fino al 51 per cento entro il 2060.
Ciò aggiunge altri 6,5 gigawatt che gli operatori di rete dovrebbero mettere a disposizione o la produzione di quasi 20 milioni di pannelli solari da 300 watt in una giornata di sole. E questo è solo per una delle 58 contee della California. Il mondo vedrà aumenti molto maggiori nella domanda di aria condizionata nelle nazioni in cui la classe media è in rapida espansione e dove le ondate di calore diventeranno più comuni e gravi.
In particolare, l’AIE prevede che l’India installerà altri 1,1 miliardi di unità entro il 2050, facendo aumentare la quota di aria condizionata nel picco della domanda di elettricità della nazione dal 10 al 45 per cento.
E’ necessario un intervento radicale sulle reti elettriche
Le soluzioni devono arrivare dall’esterno. La transizione della rete elettrica nel suo complesso a un maggiore utilizzo di fonti di energia pulita, come il solare e l’eolico, ridurrà costantemente le emissioni indirette di gas serra derivanti dall’energia utilizzata per alimentare le unità di condizionamento d’aria.
Inoltre, lo sviluppo di reti sempre più intelligenti potrebbe aiutare i sistemi elettrici ad affrontare i picchi di domanda di aria condizionata. Ciò comporta l’aggiunta di sensori, sistemi di controllo e software in grado di ridurre automaticamente l’utilizzo al diminuire della temperatura esterna, quando la domanda inizia a scontrarsi con la generazione di elettricità disponibile.
Il mondo può anche ridurre le emissioni dirette di aria condizionata passando a refrigeranti alternativi, vale a dire i composti critici all’interno dei dispositivi di raffreddamento che assorbono il calore dall’aria. I produttori hanno fatto affidamento in gran parte sugli idrofluorocarburi, che sono gas serra molto potenti che possono fuoriuscire durante la produzione e la riparazione o alla fine del ciclo di vita di un’unità.
Ma, in base a un emendamento del 2016 del Protocollo di Montreal, le aziende e i paesi devono passare sempre più a opzioni con un minore impatto sull’ambiente, come una classe di composti promettenti noti come HFO, alcuni idrocarburi come il propano e persino l’anidride carbonica (che ha un effetto meno riscaldante rispetto ai refrigeranti esistenti).
Secondo l’ipotesi estrema di una stima di Project Drawdown, i refrigeranti alternativi potrebbero ridurre le emissioni dell’equivalente di circa 50 miliardi di tonnellate di anidride carbonica nei prossimi decenni. (Il Global Carbon Project riporta che a livello globale sono state emesse quasi 37 miliardi di tonnellate in totale l’anno scorso).
Esistono anche altri modi per alleviare i carichi di elettricità necessari per il raffreddamento degli edifici: l’isolamento, la sigillatura di perdite d’aria, l’installazione di rivestimenti o pellicole per finestre e l’applicazione di colori o materiali riflettenti sui tetti. Secondo uno studio del Lawrence Berkeley National Lab, la creazione di tali “tetti freddi” nell’80 per cento degli edifici commerciali della nazione potrebbe ridurre il consumo energetico annuale di oltre 10 terawattora e far risparmiare oltre 700 milioni di dollari .
Evitare il “cold crunch”
Ma alla fine, il numero crescente di impianti di aria condizionata che operano nelle case e negli edifici in tutto il mondo deve diventare molto più efficiente dal punto di vista energetico per evitare ciò che è noto come l’imminente “crisi da freddo”. Uno degli strumenti più potenti per realizzare questi miglioramenti è la politica pubblica. L’AIE osserva che la migliore tecnologia disponibile ha un’efficienza doppia rispetto alla media di ciò che è effettivamente in uso nel mondo e tre volte migliore rispetto ai prodotti più inefficienti sul mercato.
Il problema è che la maggior parte delle persone e delle imprese non pagherà di più per sistemi più efficienti solo per aiutare a raggiungere gli obiettivi climatici globali, in particolare nelle parti povere del mondo. Ma con mandati, incentivi o sussidi, le nazioni possono contribuire a garantire che un numero maggiore di impianti prodotti e venduti siano modelli ad alta efficienza.
Il previsto aumento del consumo energetico correlato al raffreddamento si ridurrebbe del 45 per cento entro la metà del secolo nello scenario dell’AIE che include tali politiche (e non presuppone alcun progresso tecnologico). Anche in quel caso, tuttavia, la domanda di energia per l’aria condizionata aumenterebbe ancora di circa il 70 per cento entro la metà del secolo. Il raggiungimento di significativi guadagni aggiuntivi potrebbe dunque richiedere cambiamenti più radicali.
Servono politiche energetiche più coraggiose
Diverse startup stanno cercando di andare oltre. Transaera, cofondata dal professore del dipartimento di energia del MIT Mircea Dinca, sta tentando di migliorare in modo significativo l’efficienza affrontando l’umidità nell’aria come un passaggio separato. Oltre a raffreddare l’aria nell’ambiente, gli impianti di aria condizionata convenzionali devono dedicare enormi quantità di energia per lavorare questo vapore acqueo, che trattiene un calore considerevole. Ciò richiede di abbassare la temperatura ben oltre quella “ufficiale”, al fine di convertire il vapore in un liquido e rimuoverlo dall’aria.
“È incredibilmente inefficiente”, dice Dinca. “Uno spreco inaudito di energia”. L’approccio di Transaera si basa su una classe di materiali altamente porosi noti come reticoli metallo-organici che possono essere personalizzati per catturare e aderire a composti specifici, inclusa l’acqua.
L’azienda ha sviluppato un accessorio per sistemi di condizionamento d’aria che utilizza questi materiali per ridurre l’umidità nell’aria prima che penetri in un impianto standard. Egli stima che possa migliorare l’efficienza energetica complessiva di oltre il 25 per cento.
Transaera è finalista al Global Cooling Prize, un concorso con un premio da 3 milioni di dollari ideato per accelerare i progressi nel condizionamento dell’aria per ridurre gli impatti climatici. L’azienda sta attualmente testando prototipi in India in collaborazione con una divisione di Haier, il gigante cinese degli elettrodomestici.
Nel frattempo, SkyCool Systems di Burlingame, in California, sta sviluppando specchi high-tech in grado di proiettare il calore nelle fredde distese dello spazio, sfruttando un fenomeno naturale noto come raffreddamento radiativo. I materiali sono progettati per emettere radiazioni in una banda stretta dello spettro luminoso che può oltrepassare le molecole d’acqua e altri composti atmosferici che altrimenti irradiano calore verso il pianeta.
Posizionati sui tetti, i materiali potrebbero sostituire o migliorare i tradizionali sistemi di raffreddamento degli edifici. L’azienda stima che la tecnologia potrebbe ridurre l’energia utilizzata per raffreddare le strutture dal 10 al 70 per cento, a seconda della configurazione e del clima.
Altre startup stanno esplorando idee come le pompe di calore geotermico, la tecnologia a stato solido che evita la necessità di gas refrigeranti e nuove modifiche al raffreddamento evaporativo, che di solito si basa su cuscinetti imbevuti d’acqua per ridurre la temperatura dell’aria.
La buona notizia è che qualche finanziamento sta iniziando a fluire nei settori del riscaldamento, della ventilazione e dell’aria condizionata. La società di ricerca CB Insights ha monitorato solo otto accordi di finanziamento per un valore di quasi 40 milioni di dollari nel 2015, ma ben 35 per un totale di circa 350 milioni di dollari lo scorso anno (i dati includono prestiti, investimenti in capitale di rischio e acquisizioni.) Quest’anno sono già stati conclusi 39 accordi per un valore di circa 200 milioni di dollari.
La cattiva notizia è che l’aumento del livello di finanziamento è minimo rispetto alle decine di miliardi che si riversano in altri settori energetici e tecnologici, e di scarso peso rispetto alla portata dei problemi a venire.
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