Produrre aria condizionata con l’acqua di mare. Il teleraffrescamento sostenibile per isole e Paesi tropicali
Solo un m3 di acqua di mare ha la stessa energia di raffreddamento di un parco solare grande come 68 campi da calcio o 21 pale eoliche
[5 Novembre 2020]
Mese dopo mese, anno dopo anno, Un mondo con una popolazione in crescita continua a sperimentare temperature record. Ma con l’aumento delle temperature e della popolazione umana crescerà la domanda di aria condizionata. Lo studio “High velocity seawater air-conditioning with thermal energy storage and its operation with intermittent renewable energies”, pubblicato recentemente su Energy Efficiency da un team di ricercatori guidato da Julian David Hunt, dell’International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) austriaco e dell’Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) brasiliana, ha analizzato i pro e i contro del condizionamento dell’aria utilizzando l’acqua di mare come soluzione di raffreddamento alternativa.
All’ IIASA ricordano che «La climatizzazione convenzionale (AC) è la tecnologia più comune utilizzata per il raffreddamento e nelle regioni più calde rappresenta una quota considerevole della domanda di energia. Un’alternativa che non viene frequentemente considerata è il seawater air-conditioning (SWAC, condizionamento dell’aria con l’acqua di mare, ndr), un’alternativa rinnovabile per il raffreddamento che prevede il pompaggio di acqua di mare da profondità oceaniche di circa 700-1.200 metri e temperature da 3° C a 5° C, fino alla costa, scambia calore con un sistema di teleraffrescamento e restituisce l’acqua più calda all’oceano».
Secondo lo studio, «Solo 1 m3 di acqua di mare in un impianto SWAC può fornire la stessa energia di raffreddamento di quella prodotta da 21 turbine eoliche o da una centrale solare delle dimensioni di 68 campi da calcio». Per stimare il costo del raffreddamento con SWAC in tutto il mondo, i ricercatori hanno sviluppato un modello e una metodologia computazionale e hanno anche valutato la possibilità di utilizzare questo sistema come un’alternativa per lo stoccaggio di energia da fonti energetiche rinnovabili variabili come il vento e il solare.
I ricercatori IIASA evidenziano che «I risultati dimostrano che mentre i sistemi di condizionamento d’aria convenzionali richiedono un basso costo di investimento iniziale ma i costi energetici per il loro funzionamento sono elevati, per i sistemi SWAC è vero il contrario: mentre hanno un costo di investimento iniziale più elevato, i costi energetici per il funzionamento del sistema sono bassi».
Lo Swac ha un grande potenziale nelle piccole isole nelle regioni tropicali, dove la distanza tra costa e oceano profondo è breve, i costi energetici sono alti e le temperature medie sono calde durante tutto l’anno. Lo studio fa l’esempio di Puerto Plata, dove i costi dell’elettricità sono di 0,16 dollari/ KWh, il costo del raffreddamento CA convenzionale è di circa 0,08 dollari/ KWht e la soluzione SWAC costerebbe 0,042 dollari/KWht, cioè il 48% in meno rispetto alle tecnologie convenzionali. A Nauru, ipotizzando lo stesso costo dell’elettricità, la soluzione SWAC sarebbe di 0,0185 dollari / KWht, ovvero il 77% in meno rispetto alle tecnologie convenzionali.
Il teleraffrescamento è di solito meno praticabile dei sistemi di teleriscaldamento, ma il basso costo del raffreddamento con i processi SWAC rende il teleraffrescamento su brevi distanze una valida alternativa. I possibili clienti con elevate richieste di raffreddamento che potrebbero connettersi ai sistemi di teleraffrescamento SWAC comprendono aeroporti, data center, hotel e resort, strutture governative e militari, università ed edifici commerciali.
I risultati dello studio indicano inoltre che «La produzione in eccesso di elettricità da fonti energetiche rinnovabili variabili come l’energia eolica e solare può essere bilanciata con le variazioni del flusso di acqua di mare nelle tubazioni degli impianti SWAC. Questa acqua fredda verrebbe quindi stoccata in serbatoi di accumulo dell’energia termica per soddisfare la richiesta di raffreddamento in qualsiasi momento. Durante i mesi o le stagioni in cui la richiesta di raffreddamento è bassa, l’acqua di mare fredda può essere utilizzata per aumentare l’efficienza di un refrigeratore per congelare l’acqua di mare o dolce nei serbatoi di stoccaggio. Durante i mesi in cui la richiesta di raffreddamento è elevata, sia il sistema SWAC che l’energia immagazzinata come ghiaccio nei serbatoi possono supplire alla richiesta di raffreddamentoz.
Inoltre, lo studio suggerisce che anche una modifica al normale design può aumentare l’efficienza dei progetti SWAC con lunghe tubazioni di adduzione, consentendone l’espansione per soddisfare la crescente domanda di raffreddamento. In particolare, le varianti proposte riguardano l’aumento della profondità di scavo della stazione di pompaggio dell’acqua di mare, il che consentirebbe un aumento della velocità e della portata della condotta di adduzione dell’acqua di mare.
Hunt spiega ancora: «Chiamiamo questo approccio “High Velocity Seawater Air-conditioning”. Questa configurazione della progettazione consente di realizzare questi progetti con un carico di raffreddamento iniziale ed espandere il carico di raffreddamento in modo modulare con minori costi di capitale aggiuntivi».
Altri vantaggi dello SWAC comprendono la sua affidabilità come fonte rinnovabile non intermittente di raffreddamento, la riduzione delle emissioni di gas serra prodotte dai processi di raffreddamento e la riduzione del consumo di acqua nei sistemi di raffreddamento. Inoltre, i ricercatori sottolineano che «Il raffreddamento con acqua di mare potrebbe servire come un’alternativa economica per il raffreddamento su larga scala nei Paesi tropicali dove potrebbe ridurre i costi di conservazione del cibo e dei cereali, contribuendo così a ridurre la vulnerabilità dei Paesi in via di sviluppo ai cambiamenti climatici».
Dato il recente interesse per la produzione di idrogeno e per le economie basate sull’idrogeno, lo studio fa notare che «Lo SWAC potrebbe persino essere combinato con impianti di liquefazione dell’idrogeno dove potrebbe aiutare a ridurre il consumo di energia nel processo di liquefazione dell’idrogeno fino al 10%».
Tuttavia, i ricercatori avvertono che «Nonostante il suo potenziale e molti vantaggi, anche questa tecnologia presenta dei problemi. Il ritorno dell’acqua di mare, ad esempio, dovrebbe essere gestito con estrema cura per ridurre al minimo il suo impatto sulla fauna selvatica costiera; l’adeguamento delle infrastrutture e degli edifici di teleraffrescamento potrebbe comportare elevati costi di capitale; c’è il rischio di shock termico e di aumento del carico di nutrienti nello scarico dell’acqua nel mare profondo».
Hunt conclude: «Anche se presenta delle sfide, l’aria condizionata con l’acqua di mare è una tecnologia innovativa e sostenibile che ha un grande potenziale per espandersi in un sistema di riferimento per il raffreddamento in località tropicali vicino al mare profondo e aiuterà a soddisfare le nostre esigenze di raffreddamento in un mondo che si riscalda».