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Oct 27, 2023

L'energia della notte polare disegna una sabbia

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Mentre proviamo a studiare oggettivamente la natura, ci viene spesso ricordato come le forze naturali ci influenzano personalmente. Possiamo sederci alla scrivania e considerare il calore nelle sue varie forme, ma potremmo essere distratti se abbiamo le dita dei piedi fredde! Quando alziamo il riscaldamento nelle nostre case e nei luoghi di lavoro, dobbiamo bilanciare il nostro bisogno personale di calore con l’impatto globale della combustione di combustibili fossili come petrolio, gas, carbone e biomassa. Il cambiamento climatico antropogenico pone l’umanità di fronte a una sfida: come possiamo riscaldarci ora mentre cerchiamo di evitare che il nostro mondo si surriscaldi in futuro?

È una domanda scoraggiante a cui una startup chiamata Polar Night Energy, nella piccola e fredda nazione della Finlandia (Figura 1), sta tentando di rispondere. In una regione nota per le lunghe e buie notti invernali, Polar Night Energy sta costruendo nella città di Tampere un sistema in grado di riscaldare gli edifici con l’energia solare immagazzinata, tutto il giorno, tutta la notte e per tutto l’inverno. Le apparenti contraddizioni non finiscono qui. In un'era di complesse soluzioni cleantech, spesso realizzate con materiali rari e costosi, il sistema di accumulo e distribuzione del calore di Polar Night Energy è costituito da semplici condotti, pompe, valvole e sabbia. Il nuovo sistema mostra il potenziale per affrontare i problemi globali in modo paziente, ponderato e a misura d’uomo.

Figura 1. La nazione della Finlandia, parte della quale si trova al di sopra del Circolo Polare Artico. I sistemi di accumulo del calore di Polar Night Energy sono attualmente installati nelle città di Tampere e Kankaanpää.

I grandi problemi richiedono grandi soluzioni, e forse non c’è problema più grande del 21° secolo quanto il cambiamento climatico. Per affrontare questa sfida, molti governi e organizzazioni stanno investendo in nuove tecnologie per contribuire a ridurre l’uso dei combustibili fossili. Queste iniziative si sono in gran parte concentrate sulla generazione, distribuzione e stoccaggio di energia elettrica rinnovabile.

"Quando chiedi alle persone informazioni sull'energia più pulita, pensano all'elettricità", afferma Tommi Eronen, CEO di Polar Night Energy. "Ma dobbiamo anche ridurre le emissioni derivanti dal riscaldamento." Delle emissioni legate all'energia della Finlandia, l'82% proviene dal riscaldamento degli edifici domestici (Rif. 1). "Vogliamo sostituire tutto questo se vogliamo avere qualche speranza di raggiungere i nostri obiettivi climatici globali", afferma Eronen.

Lo spirito di "Pensa globalmente, agisci localmente", un mantra associato agli anni '60, sopravvive nel team di innovatori di Polar Night Energy. Il loro viaggio è iniziato con una domanda posta dai suoi fondatori, Tommi Eronen e Markku Ylönen, quando erano compagni di classe all'università: "È possibile costruire una comune hippie energeticamente autosufficiente ed economica per gli ingegneri utilizzando solo l'energia solare?" Dopo la laurea, il progetto che hanno chiamato in codice "Hippie Commune" è diventato Polar Night Energy, con Eronen come CEO e Ylönen come CTO.

Quello che era iniziato come un progetto studentesco spensierato (ma serio) ha portato a un impianto pilota da 3 MWh/100 kW nella città finlandese di Tampere, che ha iniziato a funzionare durante l’inverno 2020-2021. Il sistema utilizza l'elettricità per riscaldare l'aria, che viene poi fatta circolare attraverso uno scambiatore che riscalda l'acqua e la distribuisce a più edifici nel quartiere Hiedanranta della città (Figura 2).

Figura 2. Uno schema dei componenti e del ciclo operativo del sistema Polar Night Energy.

All'interno del sistema, elementi riscaldanti resistivi alimentati elettricamente riscaldano l'aria a oltre 600°C. L'aria calda viene fatta circolare attraverso una rete di tubi all'interno di un accumulatore di calore riempito di sabbia. L'aria calda rifluisce quindi dal recipiente in uno scambiatore di calore, dove riscalda l'acqua che viene poi fatta circolare attraverso i sistemi di riscaldamento dell'edificio. La capacità di accumulo del calore della sabbia garantisce che, anche quando gli elementi resistivi sono freddi, l'aria circolante sia ancora abbastanza calda da mantenere calda l'acqua (e gli edifici).

"Abbiamo solo tubi, valvole, un ventilatore e un elemento riscaldante elettrico. Qui non c'è niente di speciale!" dice Eronen ridendo.

Si dice che il noto ingegnere chimico Donald Sadoway abbia detto: "Se vuoi realizzare una batteria a buon mercato, devi farla con la terra". Il sistema di Polar Night Energy deve affrontare le stesse sfide fondamentali di qualsiasi altra infrastruttura energetica. Deve fornire energia alle persone quando ne hanno bisogno, dove ne hanno bisogno e a un prezzo gestibile. Ciò significa che immagazzinare e distribuire energia è importante quanto la sua generazione. L’infrastruttura esistente affronta queste sfide in modi familiari. Per il riscaldamento basato sulla combustione, combustibili come petrolio e gas vengono immagazzinati e spostati dove possono essere bruciati. La rete elettrica supporta anche la distribuzione efficiente dell’energia e utilizza l’energia generata attraverso mezzi rinnovabili come l’eolico e il solare. La natura intermittente della luce del giorno e dei forti venti, tuttavia, è un problema ostinato. Lo stoccaggio dell’energia è necessario per mantenere una produzione di energia costante durante i picchi e le valli degli input rinnovabili. Ma anche con i recenti progressi nella tecnologia delle batterie, immagazzinare energia elettrica rimane relativamente costoso, soprattutto nella scala richiesta per il riscaldamento degli edifici. E se, invece di immagazzinare elettricità, una “batteria” potesse immagazzinare calore?