Ma gli stessi condizionatori d’aria producono abbastanza calore da aumentare in modo misurabile le temperature urbane, e rilasciano anche gas serra molto potenti. Inoltre, quei miliardi di nuove unità affamate di energia creeranno una delle più grandi fonti di aumento della domanda di elettricità in tutto il mondo.
Senza grandi miglioramenti, anche la domanda di energia per il raffreddamento triplicherà, raggiungendo 6.200 terawatt-ora entro il 2050 – o quasi un quarto del consumo totale di elettricità del mondo di oggi.
Nonostante la grandezza delle sfide crescenti, ci sono stati relativamente pochi finanziamenti nel settore e pochi progressi degni di nota nei prodotti sul mercato. A parte i lenti guadagni in termini di efficienza, la tecnologia di base funziona più o meno come quando è stata introdotta quasi un secolo fa.
“Il fatto che l’uso del condizionatore a finestra continui ad aumentare mentre il prodotto in gran parte ha lo stesso aspetto e funziona come per decenni parla da solo”, dice Vince Romanin, amministratore delegato di Treau, una startup di San Francisco che sviluppa un nuovo tipo di pompa di calore. “Penso che un sacco di gente sia eccitata per qualcosa di nuovo qui, ma c’è stato solo un progresso incrementale.”
Ci sono stati miglioramenti molto più grandi nei costi e nelle prestazioni in altre tecnologie energetiche negli ultimi decenni – come pannelli solari, batterie e veicoli elettrici – guidati da politiche pubbliche, sforzi di ricerca dedicati e una crescente domanda di alternative più pulite. Treau è una delle numerose startup e gruppi di ricerca che stanno provando vari modi per ottenere progressi simili per il raffreddamento.
Ma anche se lo stock globale di unità AC diventasse molto più efficiente, i salti previsti nell’uso sono così grandi che la domanda globale di elettricità continuerà a salire. Questo complicherà il già sconcertante compito di ripulire i settori energetici del mondo. Significa che le nazioni non hanno solo bisogno di revisionare le infrastrutture elettriche esistenti; devono costruire sistemi molto più grandi di quelli che sono mai esistiti – e fare tutto con fonti senza carbonio.
Miliardi di nuovi condizionatori d’aria
Raffreddare continuamente i grandi volumi di aria calda che riempiono case, uffici e fabbriche è, e sarà sempre, un enorme spreco di energia.
Il problema non è solo che più condizionatori d’aria richiederanno sempre più elettricità per alimentarli. È anche che aumenteranno particolarmente la quantità necessaria durante le ore di punta, quando le temperature sono veramente torride e tutti stanno alzando il loro AC allo stesso tempo. Ciò significa che abbiamo bisogno di sovracostruire i sistemi elettrici per soddisfare i livelli di domanda che possono verificarsi solo per poche ore di alcuni giorni all’anno.
Nella contea di Los Angeles, l’aumento delle temperature combinato con la crescita della popolazione potrebbe far salire la domanda di elettricità durante le ore di punta estive fino al 51% entro il 2060 in uno scenario ad alte emissioni, secondo uno studio 2019 Applied Energy dei ricercatori della Arizona State e della University of California, Los Angeles.
Questo aggiunge circa 6,5 gigawatt aggiuntivi che gli operatori di rete dovrebbero essere in grado di portare online in una volta, o la produzione istantanea 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 più grandi nella domanda di AC in nazioni dove 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 salire la quota di AC nella domanda di picco di elettricità della nazione dal 10% al 45%.
Pulizia della rete
La correzione più cruciale deve avvenire al di fuori dell’industria AC. La transizione della rete elettrica nel suo complesso verso un maggiore uso di fonti di energia pulita, come il solare e l’eolico, ridurrà costantemente le emissioni indirette di gas serra dall’energia utilizzata per alimentare le unità di condizionamento dell’aria.
Inoltre, lo sviluppo di reti sempre più intelligenti potrebbe aiutare i sistemi elettrici a gestire i picchi di domanda di AC. Questo implica l’aggiunta di sensori, sistemi di controllo e software che possono ridurre automaticamente l’uso quando le temperature esterne diminuiscono, quando le persone lasciano gli spazi per periodi prolungati, o quando la domanda inizia a scontrarsi con la generazione disponibile.
Il mondo può anche tagliare le emissioni dirette dell’aria condizionata passando a refrigeranti alternativi, i composti critici nei dispositivi di raffreddamento che assorbono il calore dall’aria. I produttori si sono in gran parte affidati agli idrofluorocarburi, che sono gas ad effetto serra altamente potenti che possono fuoriuscire durante la produzione e la riparazione o alla fine della vita di un’unità. Ma secondo un emendamento del 2016 al Protocollo di Montreal, le aziende e i paesi devono passare sempre più a opzioni con un minore impatto sul riscaldamento, come una classe di composti promettenti noti come HFO, alcuni idrocarburi come il propano, e anche l’anidride carbonica (che almeno ha meno effetto di riscaldamento dei refrigeranti esistenti).
I refrigeranti alternativi potrebbero ridurre le emissioni dell’equivalente di circa 50 miliardi di tonnellate di anidride carbonica nei prossimi decenni, secondo la stima più alta di un’analisi di Project Drawdown. (Il mondo ha emesso quasi 37 miliardi di tonnellate in totale l’anno scorso, secondo il Global Carbon Project.)
Ci sono anche modi chiari per alleviare i carichi di elettricità richiesti per il raffreddamento degli edifici, tra cui l’aggiunta di isolamento, la sigillatura delle perdite d’aria, l’installazione di coperture o pellicole per finestre e l’applicazione di colori o materiali riflettenti sui tetti. La creazione di tali “tetti freddi” sull’80% degli edifici commerciali della nazione potrebbe tagliare il consumo annuale di energia di oltre 10 terawatt-ora e risparmiare più di 700 milioni di dollari, secondo un precedente studio del Lawrence Berkeley National Lab.
Evitare il “cold crunch”
Ma alla fine, il crescente numero di unità AC in funzione nelle case e negli edifici di tutto il mondo deve diventare molto più efficiente dal punto di vista energetico per evitare quello che è noto come il prossimo “cold crunch”
Uno degli strumenti più potenti per portare questi miglioramenti è la politica pubblica. L’AIE nota che la migliore tecnologia disponibile è più del doppio più efficiente della media di ciò che è effettivamente in uso nel mondo, e tre volte meglio dei prodotti più inefficienti sul mercato.
Il problema è che la maggior parte delle persone e delle imprese non pagherà molto di più per sistemi più efficienti solo per aiutare a raggiungere gli obiettivi climatici globali, soprattutto nelle parti povere del mondo. Ma con mandati, incentivi o sussidi, le nazioni possono contribuire a garantire che più unità prodotte e vendute siano modelli a più alta efficienza.
L’aumento previsto nell’uso di energia legata al raffreddamento si riduce del 45% entro la metà del secolo secondo lo scenario IEA che include tali politiche (e non presuppone alcun progresso tecnologico).
Anche allora, comunque, la domanda di energia AC salterebbe ancora circa il 70% in più entro la metà del secolo. Questo batte il triplo. Ma raggiungere ulteriori guadagni significativi potrebbe richiedere cambiamenti più radicali.
Cambiamento radicale
Un certo numero di startup sta cercando di spingere le cose oltre.
Transaera, cofondata dal professore di energia del MIT Mircea Dincă, sta cercando di migliorare significativamente l’efficienza affrontando l’umidità dell’aria come un passo separato.
Oltre a raffreddare l’aria ambiente, le unità AC convenzionali devono dedicare enormi quantità di energia per trattare questo vapore acqueo, che trattiene un calore considerevole e fa sentire molto più a disagio. Ciò richiede di abbassare la temperatura ben oltre quello che legge il quadrante, al fine di convertire il vapore in un liquido e rimuoverlo dall’aria.
“È solo incredibilmente inefficiente”, dice Dincă. “È un sacco di energia, ed è inutile”.
L’approccio di Transaera si basa su una classe di materiali altamente porosi noti come quadri metallo-organici che possono essere personalizzati per catturare e aggrapparsi a composti specifici, tra cui l’acqua. L’azienda ha sviluppato un accessorio per i sistemi di condizionamento dell’aria che utilizza questi materiali per ridurre l’umidità dell’aria prima che vada in un’unità standard. Egli stima che può migliorare l’efficienza energetica complessiva di oltre il 25%.
Transaera è un finalista nel Global Cooling Prize da 3 milioni di dollari, un concorso progettato per accelerare i progressi nell’aria condizionata per ridurre gli impatti sul clima. L’azienda sta attualmente testando i prototipi in India in collaborazione con una divisione del gigante cinese degli elettrodomestici Haier.
Nel frattempo, SkyCool Systems di Mountain View, California, ha sviluppato essenzialmente specchi high-tech che possono lanciare il calore nelle distese fredde dello spazio, sfruttando un fenomeno naturale noto come raffreddamento radiativo.
I materiali sono progettati per emettere radiazioni in una stretta banda dello spettro luminoso che può scivolare oltre le molecole d’acqua e altri composti atmosferici che altrimenti irradiano il calore verso il pianeta.
Posizionati sui tetti, i materiali possono sostituire o aumentare i tradizionali sistemi di raffreddamento degli edifici. L’azienda stima che la tecnologia può ridurre l’energia utilizzata per raffreddare le strutture dal 10 al 70%, a seconda della configurazione e del clima. SkyCool è in procinto di installare i materiali nel suo quarto sito commerciale.
Altre startup stanno esplorando idee come le pompe di calore geotermiche, la tecnologia a stato solido che evita la necessità di gas refrigeranti, e nuove torsioni sul raffreddamento evaporativo, che di solito si basa su cuscinetti imbevuti d’acqua per ridurre le temperature dell’aria.
La buona notizia è che alcuni soldi stanno iniziando a fluire nel riscaldamento, ventilazione e aria condizionata. La società di ricerca CB Insights ha rintracciato solo otto accordi di finanziamento per un valore di quasi 40 milioni di dollari nel 2015, ma 35 per un totale di circa 350 milioni di dollari l’anno scorso. (Questo include prestiti, investimenti di capitale di rischio e acquisizioni.) E ci sono già stati 39 accordi per un valore di circa 200 milioni di dollari quest’anno.
Ma la cattiva notizia è che l’aumento del livello di finanziamento è minuscolo rispetto alle decine di miliardi che si riversano in altri settori energetici e tecnologici e minuscolo rispetto alla scala dei problemi a venire.
Questa storia è stata aggiornata per aggiungere informazioni attuali su SkyCool Systems, e correggere la città in cui è ora basata.
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