Quattro giovani scienziati parlano del futuro del recupero del calore residuo

Al crocevia della sostenibilità, le industrie ad alta intensità energetica devono affrontare sfide enormi - il recupero del calore residuo è una delle opzioni più promettenti per risparmiare energia, alimentare un'economia circolare e diventare verdi. Per oltre tre anni, un gruppo di scienziati in quattro paesi europei ha lavorato sulla ETEKINA per reinventare una tecnologia incredibilmente efficiente per recuperare e riutilizzare il calore in eccesso.

Nell'ambito del progetto ETEKINA, i ricercatori hanno sviluppato tre nuovi scambiatori di calore a tubi di calore (HPHE) per affrontare le sfide specifiche di diverse industrie ad alta intensità energetica. Ora, a pochi mesi dal completamento del progetto UE, quattro delle menti più giovani coinvolte in questo progetto si sono riunite in una videochiamata il mese scorso per condividere i loro pensieri e speranze sull'impatto che si aspettano che l'innovativo HPHE abbia in settori che registrano alcune delle più grandi impronte di carbonio nel mondo.

I loro nomi sono Matevz Pusnik, Nerea Nieto, Lujean Ahmad e Matteo Venturelli. I quattro sono d'accordo sul fatto che una delle caratteristiche più preziose del progetto è la creazione di uno strumento rivoluzionario che beneficerà le industrie ad alta intensità energetica con un potenziale non sfruttato di riutilizzare il calore residuo. "L'HPHE è una soluzione compatta e robusta per le industrie ad alta intensità energetica in un momento in cui l'utilizzo del calore di scarto è un argomento caldo in tutto il mondo", dice Matevz. "Ed è molto innovativo".

Gli HPHE di ETEKINA sono stati progettati con l'obiettivo di recuperare tra il 57% e il 70% dei flussi di calore di scarto in tre settori specifici: acciaio, alluminio e ceramica. Questi ricercatori si aspettano che HPHE contribuisca allo slancio che si sta costruendo intorno ai sistemi di utilizzo del calore di scarto - come la consapevolezza del cambiamento climatico cresce, così fa il mercato globale per le tecnologie di recupero del calore di scarto. Secondo la società di ricerche di mercato Technavio, questo settore dovrebbe registrare aumenti annuali del 6% nei prossimi anni fino a raggiungere 16,8 miliardi di dollari nel 2023. Matevz, Nerea, Lujean e Matteo credono che, in futuro, tutte le industrie ad alta intensità energetica dovranno utilizzare una sorta di sistema di recupero del calore. "Questa è la speranza e l'obiettivo", dice Lujean.

Unire le forze da tutta Europa

Per oltre tre anni, i giovani ricercatori hanno unito gli sforzi di quattro paesi diversi. In Slovenia, Matevz Pusnik, 39 anni, è il responsabile dello sviluppo di uno strumento di gestione del software di recupero di calore multiuso da impiegare in uno dei casi di studio di ETEKINA, un'azienda di produzione di acciaio nella città di Ravne na Koroškem. "Lo strumento è uno strumento personalizzato che fornisce l'ottimizzazione dei costi e può essere utilizzato da altre industrie ad alta intensità energetica per l'ottimizzazione dei processi e la valutazione basata su scenari", spiega. Matevz è un ricercatore del Jožef Stefan Institute, dove applica anche la sua esperienza nella gestione dell'energia industriale per la preparazione di modelli a sostegno di documenti strategici e politici nazionali.

Da più di 1.600 chilometri di distanza, nel nord della Spagna, l'ingegnere 34enne Nerea Nieto è collegata a questa conversazione. È un membro del team dell'istituto di ricerca Ikerlan che supervisiona l'implementazione di HPHE in un impianto di pressofusione di alluminio ad Arrasate-Mondragón. Ha partecipato attivamente a ETEKINA fin dall'inizio, aiutando a preparare la proposta e sviluppando uno strumento per identificare se HPHE è adatto alle esigenze del cliente. "Lavoriamo con i partner industriali per identificare quale flusso di calore residuo ha il più alto potenziale per la nostra tecnologia, così come il processo interno dove questo calore recuperato può essere riutilizzato", spiega Nerea. Tutto questo mentre cerchiamo nuove idee con il potenziale di diventare un progetto UE.

Gli scienziati come lei e Matevz sono abituati al multitasking, dividendo il loro tempo tra diversi progetti. Matteo, un dottorando di 29 anni dell'Università di Modena e Reggio Emilia, sta attualmente partecipando a due progetti UE, tra cui ETEKINA. "Sono in contatto diretto con il produttore di piastrelle in ceramicaAtlas Concorde, uno dei tre utenti finali dove l'HPHE sarà installato e testato", dice. I suoi compiti includono la convalida dell'unità HPHE che sarà installata nella fabbrica che l'azienda ha nella città italiana di Fiorano Modenese.

Nel Regno Unito, i risultati raggiunti da questi tre ricercatori e dai loro team permetteranno alla 31enne Lujean di progettare la migliore strategia per mettere l'HPHE di ETEKINA sul mercato. È la responsabile dello sviluppo commerciale del gruppo di ricerca Heat Pipe and Thermal Management della Brunel University di Londra. "Analizziamo il mercato identificando le tendenze ed evidenziando il valore e il vantaggio competitivo che l'HPHE di ETEKINA può portare. Sviluppiamo anche la proposta di valore, il ciclo di vita del cliente e i modelli di business", spiega. Lujean è coinvolta in sei progetti Horizon 2020 relativi alle tecnologie dei tubi di calore, dove fornisce un focus sul business e partecipa alla diffusione dei risultati.

Questi ricercatori riconoscono i vantaggi economici che il loro progetto può portare alle industrie ad alta intensità energetica, ma sono i benefici verdi che evidenziano con entusiasmo. "L'HPHE di ETEKINA mira a ridurre il costo dell'energia grazie al minor consumo, poiché le aziende riutilizzeranno l'energia termica recuperata. Aiuterà a ridurre le emissioni di gas serra, permettendo alle aziende di aderire alle direttive sull'efficienza energetica", spiega Lujean, "questo offrirà un grande aiuto a circa 450.000 aziende nei 27 stati membri dell'UE".Nei paesi con sistemi di teleriscaldamento, come la Slovenia, questi benefici possono essere estesi alla comunità, come aggiunge il suo collega Matevz Pusnik- "Nel nostro caso di studio, stiamo integrando nell'unità la tecnologia per produrre calore che può essere trasferito alla rete locale di teleriscaldamento. Questo è un argomento caldo in Europa in questo momento".

Lujean dice che il feedback dei partner e degli esperti è stato molto positivo, specialmente quando si confronta HPHE con gli scambiatori di calore a fascio tubiero, la tecnologia standard del settore. "Ci sono così tanti elementi diversi che gli scambiatori a fascio tubiero non possono affrontare, ma questo HPHE sì, come il recupero del calore di scarto anche con aspetti impegnativi nei flussi di calore come la gestione del fouling, le alte temperature di funzionamento e la capacità multi-sink, per citarne alcuni. Vedo che Matteo è d'accordo con me su questo... Inoltre il nostro strumento di analisi della replicabilità che è stato sviluppato è ottimo perché il cliente può venire nei centri di ricerca, aggiungere dati come temperature e portate per esempio, e lo strumento fornirà un confronto: 'Questo è ciò che otterrai con un HPHE e questo è ciò che otterrai con uno scambiatore di calore a fascio tubiero'. E farà anche un confronto approssimativo dell'economia", spiega.

"Gli HPHE permettono di recuperare il calore di scarto da flussi molto impegnativi", aggiunge Matteo. "Per esempio, in Italia, stiamo recuperando calore dai gas di scarico che contengono particelle... Come dice Lujean, uno scambiatore di calore tradizionale può avere problemi come il fouling o i condensati acidi. Ma la tecnologia HPHE impedisce questo perché la temperatura all'interno del sistema è uniforme, quindi non ci sono punti freddi dove lo scarico potrebbe condensare. HPHE affronta il recupero di calore da flussi molto difficili, mentre di solito il calore non viene recuperato dai gas di scarico industriali a causa dell'ambiente difficile".

Una sfida inaspettata

In questi tre anni, il team ha superato sfide come convincere i partner industriali a partecipare al progetto. "Non è stato facile", ammette Nerea Nieto, "il loro business è produrre, questo è il loro obiettivo principale. Quindi, anche se l'efficienza energetica è un tema caldo, non è la loro priorità e il coinvolgimento nei progetti dell'UE va oltre la parte tecnica - è necessario preparare relazioni economiche e ci sono molti altri compiti".

"Vorrei aggiungere che le industrie ad alta intensità energetica tendono ad essere abbastanza tradizionali quando si tratta di nuove tecnologie", dice Matevz Pusnik. "Preferiscono implementare cose che funzionano da un paio d'anni o addirittura da decenni e, come ha detto Nerea, c'è la parte amministrativa, hanno bisogno di un supporto su questo".

"Ma credo che la sfida più grande sia abbastanza ovvia", dice riferendosi alla pandemia Covid-19, "è un momento davvero sfortunato per visitare i luoghi e, come ha detto Nerea, il tempismo è fondamentale per le industrie. Per i nostri partner, ogni arresto può essere tradotto in denaro. C'è bisogno di molto coordinamento... ma siamo su una buona strada".

Matteo è d'accordo: "Ci sono stati alcuni ritardi dovuti alla pandemia, ma siamo stati in grado di installare due unità su tre negli impianti dei nostri partner industriali (Spagna e Slovenia). Penso che questo sia un grande risultato".

Le unità HPHE sono state progettate dal professore Hussam Jouhara della Brunel University di Londra e il suo team deve essere presente durante le commissioni a caldo, cosa che si è rivelata complicata a causa delle restrizioni di viaggio internazionali per prevenire la diffusione del Covid-19. "Viaggiare per installare e commissionare queste unità è un punto cruciale nel nostro progetto per garantire che le procedure corrette siano seguite", spiega Lujean. "Nonostante le sfide, abbiamo viaggiato due volte nel dicembre 2020 e abbiamo fatto il miglio extra per assicurarci di essere presenti in Spagna quando hanno avuto alcuni problemi tecnici. C'è stata molta quarantena per il personale di Brunel, mettiamola così".

Al momento, alcune aziende europee come questi tre casi di studio stanno avendo il loro primo contatto con le tecnologie di recupero del calore in eccesso, ma molte altre devono ancora imparare i benefici economici e ambientali che possono fornire. Tuttavia, i quattro ricercatori sono convinti che questa è una tendenza del mercato che è qui per rimanere.

"Direi che ogni azienda ad alta intensità energetica dovrà utilizzare il suo calore di scarto in qualche modo. Questo è un dato di fatto, dato che i prezzi dell'energia e della cedola di CO2 stanno salendo", dice Matevz. "Molti paesi europei hanno già inserito l'utilizzo del calore di scarto nei loro piani nazionali per l'energia e il clima. Quindi sarà fatto, dipende solo da quali specifiche tecnologie. L'HPHE affronta una certa nicchia e credo che le tecnologie di utilizzo del calore residuo saranno soggette a una spinta importante nei prossimi 10 anni... Quindi è un futuro luminoso per l'utilizzo del calore residuo".

Nerea, Matevz, Lujean e Matteo hanno ancora sette mesi per testare e ottimizzare le unità HPHE di ETEKINA progettate per le industrie dell'acciaio, dell'alluminio e della ceramica e sono entusiasti di vedere i risultati di un progetto che hanno iniziato nel 2017. "La motivazione dei giovani ricercatori è di solito molto alta. Quando sei all'inizio della tua carriera, vuoi assumere questo tipo di sfide, provare cose nuove e imparare molto", dice Nerea.

"Penso che sia perché fai parte di un grande progetto di ricerca innovativo che, si spera, andrà sul mercato", concorda Lujean. "Sei motivato a raggiungere questo obiettivo e ad andare oltre".

Per Matevz, progetti come ETEKINA offrono ai giovani scienziati una rara opportunità di lavorare in ambienti industriali che non avrebbero altrimenti: "Puoi andare nelle loro strutture, vedere le macchine e tutto il resto. Ti lascia un segno e impari molto dalle persone che lavorano lì - affrontano problemi che sono completamente diversi da quelli che pensavi. È importante che i giovani ricercatori abbiano una visione del vero ambiente industriale".

Autore: Stefania Gozzer