Tutto quello che c'è da sapere sulle tecnologie avanzate di riscaldamento ad alta temperatura per l'industria

Decarbonizzare l'industria significa decarbonizzare l'elettricità e il calore. In linea di principio, l'industria può decarbonizzare abbastanza facilmente il proprio consumo di elettricità, basta acquistare elettricità verde.

Il calore è la vera sfida. La domanda di calore industriale è incredibilmente varia e comprende un'ampia gamma di temperature che vanno da una temperatura leggermente superiore a quella ambiente per il riscaldamento dei fluidi a oltre 1.400°C per la produzione di acciaio. E nella sola UE, oltre il 70% del riscaldamento e del raffreddamento è generato da combustibili fossili.

Diamo uno sguardo al calore ad alta temperatura.

• Quali tecnologie esistono?
• Chi può utilizzarle?
• Quali sono gli aspetti economici?
• Quali sono i collegamenti con le tecnologie di rete e di stoccaggio?

Tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico

Esistono già diverse tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico per i sistemi ad alta richiesta di temperatura. Esse offrono una serie di vantaggi, come tassi di riscaldamento più rapidi, maggiore efficienza e maggiore controllo sul processo di riscaldamento. Inoltre, sono più rispettose dell'ambiente, il che non guasta visto che si può utilizzare elettricità verde.

Ecco alcuni esempi:

1. Riscaldamento a resistenza: È una tecnologia di riscaldamento comune che prevede il passaggio di una corrente elettrica attraverso un materiale ad alta resistenza, come un filo metallico o una lega. La resistenza genera calore, che viene utilizzato per riscaldare il materiale. Il riscaldamento a resistenza può essere utilizzato per temperature fino a 1200°C.
2. Riscaldamento a induzione: Questa tecnologia di riscaldamento prevede l'utilizzo dell'induzione elettromagnetica per riscaldare un materiale. Intorno al materiale viene generato un campo magnetico alternato che induce una corrente elettrica nel materiale, producendo calore. Il riscaldamento a induzione può essere utilizzato per temperature fino a 2500°C.
3. Riscaldamento a infrarossi: Il riscaldamento a infrarossi utilizza la radiazione infrarossa per riscaldare un materiale. La radiazione infrarossa viene assorbita dal materiale, che si riscalda. Il riscaldamento a infrarossi può essere utilizzato per temperature fino a 1000°C.
4. Riscaldamento a microonde: Le radiazioni a microonde vengono utilizzate per riscaldare un materiale. Le microonde penetrano nel materiale ed eccitano le molecole, producendo calore. Il riscaldamento a microonde può essere utilizzato per temperature fino a 3000°C.
5. Riscaldamento del grafene: Si tratta di una tecnologia di riscaldamento relativamente nuova che prevede l'utilizzo del grafene per generare calore. Quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il grafene, la resistenza del materiale genera calore. Il riscaldamento a grafene può essere utilizzato per temperature fino a 2000°C.
6. Riscaldamento a nanotubi di carbonio: Si tratta di un'altra nuova tecnologia di riscaldamento che prevede l'utilizzo di nanotubi di carbonio per generare calore. Quando una corrente elettrica passa attraverso i nanotubi di carbonio, questi si riscaldano, generando calore. Il riscaldamento a nanotubi di carbonio può essere utilizzato per temperature fino a 3000°C.

Attenzione

Se siete esperti di riscaldamento a nanotubi di carbonio, scrivetemi a juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Stiamo lavorando in un consorzio che sviluppa soluzioni per il cracking del metano senza CO2, producendo nanotubi di carbonio come sottoprodotto, con l'obiettivo principale di utilizzarli per le batterie. Forse c'è la possibilità di estendere l'applicazione?

Per maggiori informazioni su questo progetto, consultare il sito https://storming-project.eu/.

Uso industrialeisi d'uso industriale per le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico

Esistono già casi d'uso industriali che consentono di migliorare l'efficienza dei processi e la qualità dei prodotti grazie a vantaggi quali il controllo preciso della temperatura, il riscaldamento uniforme o la velocità di riscaldamento. Come detto in precedenza, la domanda di calore industriale è incredibilmente varia, quindi è probabile che si possano trovare opportunità di applicazione significative in molti o tutti i settori. Non c'è da stupirsi che la ricerca di alcuni di essi dia luogo a un elenco dei soliti sospetti. Eccone tre:

Industria chimica

L'industria chimica ha molti processi che richiedono un riscaldamento ad alta temperatura, come la polimerizzazione, la distillazione e i processi di reazione. Le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico possono offrire un controllo preciso della temperatura e velocità di riscaldamento.

Industria del vetro

La produzione del vetro richiede calore ad alta temperatura per la fusione, la formatura e la ricottura. Il riscaldamento a infrarossi e il riscaldamento a grafene possono offrire un riscaldamento uniforme e un controllo preciso della temperatura.

Industria alimentare

L'industria alimentare richiede processi ad alta temperatura per la lavorazione degli alimenti, come la cottura e la sterilizzazione. Le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico possono offrire un controllo preciso della temperatura e tassi di riscaldamento rapidi.

Economia - l'elefante nella stanza

Uno dei miei colleghi, il presidente dell'EEIP Rod Janssen, ama questa frase e l'ha già usata un paio di volte parlando di efficienza energetica nell'industria o negli edifici. In effetti, l'intero Energy Efficiency Financial Institutions Group (EEFIG), un'iniziativa istituita dalla Commissione europea (DG Energia) e dall'UNEP FI nel 2013, è incentrato su questo aspetto.

Quando si tratta di valutare gli aspetti economici delle tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico per i sistemi ad alta richiesta di temperatura, i responsabili delle decisioni nell'industria le confrontano con lo stato dell'arte dei sistemi di riscaldamento a base fossile. E questo è tutt'altro che semplice, dato che molti aspetti influiscono sull'economia e la valutazione è influenzata anche da fattori come il rischio o i KPI finanziari utilizzati in una determinata azienda.

Per quanto riguarda gli aspetti economici, è necessario distinguere tra il costo effettivo dell'elettricità e quello dei combustibili fossili, le aspettative sull'andamento futuro dei prezzi, le normative e la percezione dei clienti. Un altro modo per confrontare le due cose è la mappatura dei costi di capitale (CAPEX) e dei costi operativi (OPEX).

In generale, le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico tendono ad avere costi di capitale più elevati rispetto ai sistemi di riscaldamento a base fossile. Tuttavia, hanno costi operativi inferiori grazie alla loro maggiore efficienza e ai minori requisiti di manutenzione. Inoltre, le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico non emettono gas a effetto serra, quindi possono evitare i costi associati al carbon pricing o alle normative sulle emissioni.

Ovviamente, il costo dell'elettricità è un fattore critico per la redditività economica delle tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico. Se l'elettricità è costosa o generata principalmente da combustibili fossili, i costi operativi delle tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico saranno più elevati rispetto ai sistemi di riscaldamento a base fossile. Tuttavia, se l'elettricità è economica o generata da fonti di energia rinnovabili, le tecnologie avanzate di riscaldamento elettrico possono essere più convenienti.

Altri fattori sono l'impatto delle economie di scala una volta che queste nuove tecnologie saranno adottate su larga scala o le competenze necessarie per far funzionare questi sistemi in officina, ma anche a livello di digitalizzazione e controllo dei processi.

Accumulo di calore ad alta temperatura e integrazione nella rete

Le nuove soluzioni di accumulo di calore ad alta temperatura e l'integrazione con la rete energetica possono contribuire a ridurre i rischi dei sistemi avanzati di riscaldamento ad alta temperatura e a migliorare il modello di business sottostante, ad esempio partecipando ai mercati della flessibilità della rete.

Per maggiori informazioni sui mercati della flessibilità della rete, consultare il progetto OneNet. L'EEIP partecipa a questo progetto principalmente nell'area del coinvolgimento dei clienti del settore.

Senza entrare nei dettagli, ecco una breve panoramica di ciò a cui mi riferisco per quanto riguarda l'integrazione della rete:

1. Gestione della domanda: I sistemi di riscaldamento possono essere programmati per funzionare nelle ore non di punta, quando la domanda di elettricità è più bassa, oppure possono essere spenti durante i periodi di alta domanda di elettricità.
2. Accumulo di energia: I sistemi di stoccaggio dell'energia possono essere utilizzati per immagazzinare l'elettricità in eccesso generata da fonti di energia rinnovabili, come l'energia eolica o solare, da utilizzare per alimentare i sistemi di riscaldamento ad alta temperatura quando necessario.
3. Accumulo su scala di rete: Anche i sistemi di accumulo su scala di rete, come l'accumulo idroelettrico con pompaggio o l'accumulo di energia ad aria compressa, possono essere utilizzati per immagazzinare l'elettricità in eccesso generata da fonti di energia rinnovabili.

Ecco alcuni esempi di soluzioni di accumulo di calore ad alta temperatura esistenti oggi o di prossima realizzazione:

1. Stoccaggio a sali fusi: Lo stoccaggio a sali fusi è attualmente una delle soluzioni più comuni di stoccaggio del calore ad alta temperatura. Il sistema immagazzina l'energia termica sotto forma di sale fuso, che può essere riscaldato ad alte temperature e utilizzato per generare vapore per alimentare turbine per la generazione di elettricità. I sistemi di accumulo a sali fusi sono utilizzati negli impianti a energia solare concentrata (CSP) su larga scala e sono in fase di studio per l'utilizzo in applicazioni industriali.
2. Accumulo di energia termica con materiali a cambiamento di fase (PCM): L'accumulo di energia termica con materiali a cambiamento di fase (PCM) è un'altra soluzione di accumulo di calore ad alta temperatura che sta guadagnando popolarità. I PCM possono assorbire e rilasciare energia termica durante le transizioni di fase, come la fusione o la solidificazione. Questa tecnologia è in fase di studio per l'utilizzo negli edifici e nelle applicazioni industriali.
3. Accumulo di energia termica con materiali ceramici: Anche i materiali ceramici possono essere utilizzati per l'accumulo di calore ad alta temperatura. I materiali ceramici possono immagazzinare energia termica assorbendo e rilasciando calore durante i cambiamenti di fase. I sistemi di accumulo di energia termica in ceramica sono in fase di sviluppo per l'uso in impianti CSP e applicazioni industriali.
4. Accumulo di energia a volano: I sistemi di accumulo energetico a volano sono in fase di sviluppo per l'accumulo di calore ad alta temperatura. Il sistema immagazzina energia cinetica sotto forma di volano rotante. Il sistema può rilasciare l'energia immagazzinata come elettricità o energia termica. I sistemi di accumulo di energia a volano sono in fase di sviluppo per l'uso in impianti CSP e altre applicazioni industriali.
5. Accumulo di energia in metallo liquido: I sistemi di accumulo di energia in metallo liquido sono una tecnologia relativamente nuova che si sta sviluppando per l'accumulo di calore ad alta temperatura. Il sistema immagazzina l'energia termica sotto forma di metallo liquido, che può essere riscaldato ad alte temperature e utilizzato per generare vapore che alimenta le turbine per la generazione di elettricità. I sistemi di accumulo di energia in metallo liquido sono in fase di sviluppo per l'uso in impianti CSP e altre applicazioni industriali.
6. Livello di ricerca: Superconduttori ad alta temperatura per l'accumulo di energia
7. Livello di ricerca: Nanomateriali per l'accumulo di energia termica

Poiché la decarbonizzazione del calore ad alta temperatura è un argomento così importante (e impegnativo), saremmo molto lieti di ricevere i vostri commenti e contributi.

Se conoscete altre soluzioni o casi d'uso, scrivetemi all'indirizzo juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

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