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Come abbandonare l’Età del Ferro?

Wed, 08 May 2024 00:00:00 +0000

Immagine: Costruzione di armature per le fondamenta in cemento di una turbina eolica nella contea di Gilliam, USA. Immagine di Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Intrappolati nell’Età del Ferro

Nel 1836, l’antiquario e curatore danese Christian Jürgensen Thomsen distinse tre ere preistoriche sulla base dei materiali predominanti utilizzati per la costruzione di armi e strumenti da taglio: l’Età della Pietra, l’Età del Bronzo e l’Età del Ferro.¹ La classificazione di Thomsen si riferisce al passato ma, secondo il suo criterio, non ci siamo mai evoluti oltre all’Età del Ferro. Anche nel XXI secolo, il ferro rimane il materiale dominante, non solo per armi e strumenti da taglio ma per la maggior parte delle tecnologie moderne.

Oggi usiamo il ferro soprattutto come acciaio. Tuttavia, secondo il criterio di Thomsen, non possiamo parlare di “Età dell’Acciaio”. In primo luogo, l’acciaio è semplicemente una lega di ferro (>98%) e carbonio (<2%). In secondo luogo, gli esseri umani hanno prodotto acciaio sin dagli albori dell’Età del Ferro. Questo è un fatto poco noto nel mondo Occidentale, dove la produzione di acciaio crebbe nel XIX secolo con i combustibili fossili. I metallurgisti Asiatici e Africani, invece, svilupparono acciai di alta qualità molto prima, e questa conoscenza ha poi permesso agli Europei di fare lo stesso – solo su scala molto più ampia.²

Nel 2021, la produzione globale di ferro e acciaio ha raggiunto 1,950 milioni di tonnellate (Mt). Questa cifra è 22 volte più grande della produzione combinata di alluminio e rame (88 Mt). La produzione globale di ferro e rame corrisponde a 5 volte la produzione globale di plastiche (391 Mt) e sminuisce la produzione di silicone (8.5 Mt) e litio (0.1 Mt) nel mondo.³⁴ L’acciaio è il materiale fondamentale delle società industriali. Senza plastiche, litio o silicone, saremmo ancora in una società industriale: senza ferro e acciaio, però, saremmo rigettati indietro di 3,0000 anni nell’Età del Bronzo.

Dov’è tutto questo ferro?

L’enorme presenza di acciaio nella società industriale non è così evidente.⁵ A casa, troviamo molti apparecchi in acciaio come il frigorifero, la lavatrice, il boiler, la vasca da bagno, e gli strumenti per cucinare, riscaldare e condizionare. Tuttavia, solo il 2-3% della produzione totale di acciaio diventa un apparecchio domestico.⁶⁷⁸ All’aria aperta, c’è molto acciaio nella forma di veicoli. Questi sono costituiti soprattutto da automobili che globalmente usano circa il 10% dell’acciaio (il 20% nei paesi più ricchi). Autobus, camion, treni e navi costituiscono un ulteriore 4-5%. In tutto, ciò costituisce meno del 20% della produzione globale di acciaio.

La maggior parte dell’acciaio è incorporata in altri materiali, si trova nel sottosuolo, o lontano dalle zone residenziali.

La maggior parte dell’acciaio è incorporata in altri materiali, si trova nel sottosuolo, o lontano dalle zone residenziali. Più della metà della produzione globale di acciaio è utilizzata per costruire edifici (residenziali, commerciali, industriali) ed infrastrutture (ponti, gallerie, porti, canali, piste, impianti petroliferi, raffinerie, gasdotti, centrali elettriche, linee di trasmissione, ferrovie, metropolitane e altro). Gran parte di questo acciaio è incorporato nel cemento. Il cemento rinforzato è il primo materiale da costruzione al mondo, e il cemento è l’unico materiale in grado di eguagliare la produzione di acciaio (1,819 Mt in 2021).

A grandi linee, il 15% della produzione globale di acciaio è utilizzato per creare macchinari, come macchine utensili, strumenti industriali, hardware elettronico, macchinari per la costruzione, l’estrazione mineraria e l’agricoltura. Anche i prodotti fatti di altri materiai, quali altri metalli, plastiche e legno, sono plasmati da strumenti d’acciaio.⁵ L’ultimo 15% della produzione di acciaio è costituito da una varietà di oggetti, come le viti su imballaggi alimentari o i contenitori di trasporto.⁶⁷⁸

Immagine: Il cemento armato è il principale materiale da costruzione al mondo. Buca sulla Interstate 84, Stati Uniti. Immagine di Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

L’impatto ambientale dell’industria dell’acciaio

L’acciaio viene spesso presentato come uno dei materiali più sostenibili. A differenza della plastica, l’acciaio può essere riciclato senza perderne in qualità. L’industria siderurgica ha fatto grandi progressi nell’efficienza energetica, molto più di altri settori. Produrre una tonnellata di acciaio grezzo oggi richiede circa 20 gigajoule (GJ) di energia primaria - tre volte in meno rispetto al 1950.⁹ Questo dato si confronta molto favorevolmente con altri materiali quali l’alluminio (175 GJ/t), le plastiche (80-120 GJ/t), t), o il rame (45 GJ/t).⁷ A differenza delle plastiche, l’acciaio è un materiale biodegradabile.¹⁰ Infine, il minerale di ferro non scarseggia. Infatti, questo costituisce il 5% della crosta terrestre ed è il quarto elemento per abbondanza.¹¹ Per fare un confronto, il rame costituisce solo lo 0,01%.⁵

Tuttavia, nonostante tutti questi vantaggi, l’industria globale del ferro e dell’acciaio consuma più energia e produce più emissioni di carbonio rispetto a qualsiasi altro settore. Il consumo totale di energia primaria per la produzione di acciaio grezzo è stato di 39 exajoule (EJ) nel 2021, ovvero il 7% di tutta l’energia utilizzata a livello mondiale in quell’anno (595 EJ). Le emissioni di gas serra sono ancora più elevate perché circa il 75% del consumo energetico proviene dal carbone, il combustibile con le maggiori emissioni di carbonio. Nel 2021, l’industria del ferro e dell’acciaio ha prodotto 3,3 Gt di emissioni di carbonio, circa il 9% delle emissioni globali (36,3 Gt).¹² L’industria del calcestruzzo segue a ruota con l’8%.

L’industria globale del ferro e dell’acciaio consuma più energia e produce più emissioni di carbonio rispetto a qualsiasi altro settore.

Le stime sopra riportate provengono dalla World Steel Association e dall’International Energy Agency. Questi dati sono disponibili per tutti i metalli e sono stati documentati per un lungo periodo, permettendo così confronti storici. Tuttavia, si riferiscono solo alla fusione del metallo. Non includono il consumo di energia e le emissioni di carbonio per l’estrazione ed il trasporto di ferro, carbone, calcare, rottami e prodotti siderurgici. Non includono nemmeno l’energia e le emissioni per la produzione di coke e la preparazione del minerale, tutti elementi essenziali per il processo di produzione dell’acciaio.⁷

Studi scientifici che hanno fissato confini più ampi per l’industria siderurgica concludono che il costo energetico della produzione dell’acciaio aumenta dal 50% al 100%.¹³ Uno studio conclude che solo le emissioni di metano derivanti dall’estrazione del carbone metallurgico potrebbero aumentare le emissioni del 27%. Un altro studio stima che il trasporto marittimo di minerale di ferro e acciaio aggiunge il 10-15% di emissioni in più.¹⁴¹⁵ La produzione di ferro e acciaio crea anche altri problemi ambientali, come un elevato consumo di acqua, la produzione di rifiuti solidi e un significativo inquinamento dell’aria e dell’acqua.

L’impatto ecologico dell’industria siderurgica è incompatibile con le ambizioni di eliminare le emissioni nette di carbonio entro il 2050, tanto meno perché è molto probabile che la produzione di acciaio continui a crescere ulteriormente. La produzione di acciaio è decuplicata dal 1950 ed è raddoppiata tra il 2000 e il 2020, crescendo più velocemente di quanto molti ricercatori avevano previsto.¹⁶ Inoltre, i guadagni in termini di efficienza sono diminuiti, e vi è un consenso scientifico sul fatto che le attuali tecnologie hanno raggiunto i loro limiti termodinamici.⁷⁹¹⁷ Durante gli ultimi due decenni, il consumo medio di energia per la produzione di 1 tonnellata di acciaio è rimasto intorno ai 20 GJ/t.⁹¹⁸

Come produrre acciaio senza combustibili fossili?

Esistono due modi per produrre l’acciaio, uno dei quali è molto più sostenibile.¹⁹ Da un lato c’è l’altoforno, o forno a ossigeno basico, in cui l’acciaio è ottenuto da minerale di ferro e carbone. Questa tecnologia ha essenzialmente 2000 anni. D’altra parte, c’è il forno elettrico ad arco, in cui l’acciaio è ottenuto da rottami di acciaio ed elettricità. Il forno elettrico ad arco, che è una tecnologia relativamente nuova, consuma molta meno energia dell’altoforno, utilizza una risorsa riciclata (non è necessario estrarre minerale di ferro) e funziona senza l’uso diretto di carbone o altri combustibili fossili (l’elettricità può essere fornita da una fonte solare, eolica o atomica).

I forni elettrici ad arco più efficienti dal punto di vista energetico consumano oggi meno di 300 kilowattora di elettricità per tonnellata di acciaio prodotto.⁹²⁰ Ipoteticamente, se avessimo prodotto tutto l’acciaio nel 2021 (1.950 Mt) in questi forni, il consumo energetico totale del mondo l’industria siderurgica sarebbe stata di soli 585 terawattora (Twh). Ciò corrisponde a solo un terzo di tutta l’elettricità generata dalle turbine eoliche in tutto il mondo nello stesso anno (1.848 Twh). Sfortunatamente, più del 70% della produzione mondiale di acciaio veniva prodotta in altiforni alimentati da carbone e minerale di ferro.⁹²⁰ Un altoforno consuma venti volte più energia e non può essere alimentato dall’elettricità perché il carbone è sia la fonte di combustibile, che il riducente chimico. La combustione del carbone produce monossido di carbonio che riduce il ferro dal suo minerale.⁷

Scarti disponibili insufficienti

La soluzione sembra ovvia: produciamo tutto quell’acciaio nei forni elettrici ad arco. Tuttavia, questo è impossibile. Non ci sono abbastanza rottami disponibili: la continua crescita della produzione globale di acciaio rende impossibile un flusso circolare di risorse.²¹ Ci vogliono decenni prima che la maggior parte dell’acciaio diventi disponibile per il riciclaggio. Ad esempio, ci sono 543 milioni di tonnellate di acciaio stoccate nelle navi.²² I rottami disponibili per il riciclaggio nel 2021 corrispondono al livello di produzione del 1965, quando la produzione globale di acciaio era inferiore a un quarto di quella odierna (450 milioni di tonnellate).⁹¹⁰¹⁵²³ Di conseguenza, gli altri tre quarti devono essere prodotti in altiforni utilizzando carbone e minerale di ferro appena estratto.

Immagine: Auto da rottamare al porto di Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Oggi la Cina produce circa la metà dell’acciaio mondiale e lo fa quasi esclusivamente in altiforni (+90%) utilizzando carbone e minerale di ferro. Molte altre nazioni produttrici di acciaio hanno una quota maggiore di forni elettrici ad arco. Tuttavia, non ha molto senso puntare il dito contro la Cina. Innanzitutto, gli Stati Uniti e l’Europa hanno esternalizzato molte delle loro industrie in Cina a partire dagli anni 2000, una tendenza che corrisponde esattamente alla crescente produzione di acciaio in quel paese. Inoltre, venti o quaranta anni fa, la Cina praticamente non utilizzava l’acciaio. Di conseguenza ci sono pochissimi rottami disponibili. La Cina non ha altra scelta che utilizzare gli altiforni.²⁴

Qualità di acciaio sempre più elevate

Un secondo ostacolo è il continuo aumento di qualità di acciaio. Attualmente esistono oltre 2.500 tipi diversi di acciaio con una varietà di proprietà, quali maggiore resistenza, tolleranza alle alte temperature o resistenza alla corrosione.⁷⁹²³²⁵ Sebbene questi acciai di qualità superiore possano essere prodotti in forni elettrici ad arco, non sono realizzati con rottami, e hanno un consumo energetico molto più elevato.

L’acciaio disponibile per il riciclaggio costituisce un mix di qualità di acciaio. Questa miscela è adatta per produrre acciaio al carbonio semplice ma non acciai altamente legati, che richiedono rottami con qualità simili. Tuttavia, quel rottame non è disponibile. Ad esempio, l’acciaio inossidabile, ovvero l’acciaio speciale più prodotto, ha un tasso di riciclaggio solo del 15%. Nel 2021 sono state prodotte quasi 60 milioni di tonnellate di acciaio inossidabile, rispetto alle sole 4 tonnellate del 1980.²⁶ L’uso tradizionale dell’acciaio inossidabile era per le posate, gli strumenti chirurgici e le apparecchiature mediche e per la lavorazione alimentare. Tuttavia, ora viene utilizzato anche nella costruzione di tunnel e arredi per esterni, nel trattamento delle acque reflue, nella desalinizzazione dell’acqua di mare, nell’ingegneria nucleare e nella produzione di biocarburanti.⁷

Il basso tasso di riciclaggio e la necessità di estrarre elementi aggiuntivi come cromo e nichel rendono la produzione di qualità di acciaio più elevate ad alta intensità energetica. Ad esempio, la produzione di acciaio inossidabile richiede quasi 80 GJ per tonnellata, quattro volte di più rispetto alla produzione di acciaio al carbonio.⁷²³ Il continuo sviluppo di acciai di qualità superiore è stimolato dalla legislazione ambientale (come l’uso di acciaio più leggero nelle automobili) e dalla concorrenza di altri materiali, principalmente alluminio e compositi plastici.⁷⁹²³²⁵ Ironicamente, la competizione con questi materiali, che consumano ancora più energia, rende l’acciaio sempre meno sostenibile.

Acciaio ed energie rinnovabili

L’industria siderurgica dipende fortemente dall’approvvigionamento energetico, ma anche l’approvvigionamento energetico dipende fortemente dall’industria siderurgica. Quasi il 10% della produzione globale di acciaio è destinata alla costruzione e alla manutenzione delle infrastrutture di approvvigionamento energetico. Tale importo corrisponde all’intera produzione di acciaio nel 1950. Una grande quantità di quell’acciaio va alle infrastrutture del gas e del petrolio.²⁷ L’estrazione, la produzione e il trasporto di petrolio e gas richiedono acciaio per piattaforme di perforazione offshore, oleodotti, raffinerie, petroliere e serbatoi di stoccaggio. L’estrazione del carbone dipende dall’acciaio per frese, caricatori, trasportatori, escavatori e camion.⁷

Sfortunatamente, il passaggio previsto a fonti energetiche a basse emissioni di carbonio e l’elettrificazione delle tecnologie di riscaldamento e trasporto non ridurranno la nostra dipendenza dall’industria siderurgica, al contrario. Una rete elettrica a basse emissioni di carbonio richiede molto più acciaio (e altri materiali) di un’infrastruttura basata sui combustibili fossili. L’energia eolica e solare sono fonti di energia molto diffuse rispetto ai combustibili fossili. Pertanto, sono necessari molti più materiali (e terreno) per produrre la stessa energia. In gergo, l’eolico e il solare hanno una bassa “densità di potenza” o un’elevata “intensità di materiale”.²⁸²⁹³⁰³¹³²

Una rete elettrica a basse emissioni di carbonio richiede molto più acciaio (e altri materiali) di un’infrastruttura basata sui combustibili fossili.

L’“intensità di acciaio” delle centrali termoelettriche a gas e carbone è compresa tra 50 e 60 tonnellate di acciaio per megawatt di potenza installata.³³ Le centrali idroelettriche hanno un’intensità di acciaio inferiore, con 20-30 tonnellate di acciaio per MW.⁷²³ Anche l’intensità dell’acciaio dell’energia atomica è inferiore, attestandosi tra 20 e 40 tonnellate di acciaio per MW installato.³³³⁴ D’altro canto, il solare fotovoltaico richiede tra 40 e 170 tonnellate di acciaio per MW installato.³³³⁵ Anche se nei pannelli solari stessi c’è poco o nessun acciaio, è il materiale d’elezione per le strutture che li sostengono.

Acciaio ed energia eolica

La fonte di energia che richiede di gran lunga il maggior consumo di acciaio è la moderna turbina eolica. L’intensità dell’acciaio di una turbina eolica dipende dalle sue dimensioni. Una singola turbina eolica di grandi dimensioni richiede una quantità di acciaio significativamente maggiore per megawatt di potenza installata rispetto a due turbine eoliche più piccole.³⁶ Ad esempio, una turbina eolica da 3,6 MW con una torre alta 100 metri richiede 335 tonnellate di acciaio (83 tonnellate/MW), mentre una turbina eolica da 5 MW con una torre alta 150 metri necessita di 875 tonnellate di acciaio (175 tonnellate/MW).³⁷ La tendenza è verso turbine eoliche più alte e con una maggiore intensità di acciaio.

Immagine: Torri d'acciaio per turbine eoliche nel porto di Rotterdam. Immagine: Melle Smets.

Il consumo di acciaio aumenta ulteriormente per le turbine eoliche offshore. Le centrali eoliche onshore fanno affidamento sul cemento armato per le loro fondazioni, ma le turbine eoliche offshore necessitano di massicce strutture in acciaio come monopali e camicie.³⁸ Si calcola che l’intensità dell’acciaio per le turbine eoliche offshore sia di circa 450 tonnellate per MW per una turbina da 5 MW – otto volte superiore all’intensità dell’acciaio di una centrale termoelettrica.³⁶ Man mano che queste turbine eoliche diventano più alte e si spostano in acque più profonde, il loro utilizzo di acciaio aumenta ulteriormente.

La turbina eolica offshore più popolare oggigiorno ha una capacità di 7 MW, mentre quelle più grandi hanno una capacità di 14 MW.³⁶ Se facciamo una stima conservativa basata sui dati di cui sopra (l’intensità dell’acciaio raddoppia per ogni raddoppio della capacità di potenza), una turbina eolica offshore da 14 MW richiederebbe 1.300 tonnellate di acciaio per MW o 18.200 tonnellate in totale. Una turbina eolica di questo tipo consuma quindi 24 volte più acciaio di una centrale elettrica a carbone o gas della stessa potenza.

Vita più breve

La differenza tra le fonti energetiche rinnovabili e i combustibili fossili aumenta ancor di più se l’intensità dell’acciaio viene calcolata per unità di energia anziché di potenza (MWh invece di MW). A differenza delle centrali a carbone e a gas, la produzione degli impianti eolici e solari dipende dalle condizioni meteorologiche e non sempre raggiungono la massima capacità energetica. Pertanto, la sostituzione di 1 MW di capacità di generazione di elettricità fossile richiede l’installazione di (in media) 4 MW di energia solare o 2 MW di energia eolica.³⁹ Una turbina eolica offshore da 14 MW ha quindi un’intensità di acciaio quasi 50 volte superiore a quella di una centrale elettrica a combustibili fossili per ogni kilowattora di elettricità prodotta.⁴⁰

Una turbina eolica offshore da 14 MW ha quindi un’intensità di acciaio quasi 50 volte superiore a quella di una centrale elettrica a combustibili fossili per ogni kilowattora di elettricità prodotta.

Anche gli impianti solari ed eolici hanno una durata di vita più breve (20-30 anni) rispetto agli impianti termici (30-60 anni).³¹ Sebbene ciò non influisca sull’intensità dell’acciaio per MW di potenza installata, aumenta nuovamente l’intensità dell’acciaio per unità di energia prodotta nel tempo. Ciò non porta sempre a un raddoppio dell’uso dell’acciaio perché le fondazioni delle turbine eoliche offshore e le strutture dei pannelli solari possono avere una durata di vita più lunga rispetto alle fonti di energia che supportano e potrebbero quindi essere riutilizzate.⁴¹

Infrastruttura di trasmissione di energia

I dati sopra riportati includono solo l’acciaio utilizzato nelle centrali elettriche stesse. Per le centrali elettriche a combustibili fossili, non includono l’acciaio utilizzato negli oleodotti, nelle piattaforme petrolifere, negli escavatori di carbone e simili. Tuttavia, lo stesso vale per le fonti di energia a basse emissioni di carbonio. Poiché hanno bisogno di molte più risorse delle centrali termoelettriche (acciaio ma anche altri metalli e materiali), dipendono da un’infrastruttura mineraria e di trasporto globale che fa un uso intensivo di acciaio tanto quanto la catena di approvvigionamento dei combustibili fossili.

Inoltre, poiché sono fonti di energia più diffuse con una produzione di energia intermittente e imprevedibile, spesso situate lontano dai centri di consumo energetico, le centrali rinnovabili guidano l’espansione delle infrastrutture di trasmissione. Anche questa infrastruttura è fondata sull’acciaio: dalle apparecchiature dei commutatori alle torri fino ai cavi di conduzione.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴²

Infine, le fonti energetiche a basse emissioni di carbonio hanno anche un elevato bisogno di qualità speciali di acciaio, la cui produzione richiede una maggiore intensità energetica. L’acciaio per le turbine eoliche offshore dovrebbe resistere alla corrosione, e l’acciaio inossidabile è sempre più utilizzato per le strutture di supporto dei pannelli solari.⁴³ L’acciaio per laminazione elettrica (ferro-silicio) è indispensabile per i trasformatori della rete elettrica.⁷ Le centrali nucleari possono avere un consumo relativamente basso dell’acciaio, ma sono interamente costituiti da acciai speciali ad alta intensità energetica. Ad esempio, il rivestimento degli elementi combustibili contenenti uranio fissile richiede acciaio allo zirconio, mentre tutti gli elementi strutturali contengono acciaio inossidabile austenitico.⁷⁴⁴

La griglia a basso consumo di carbonio non può essere realizzata con acciaio riciclato

L’elevata intensità di acciaio delle fonti energetiche a basso consumo di carbonio ci mette di fronte al cosiddetto “catch-22”, una situazione in cui sembra non esserci via di fuga da un problema, qualunque cosa facciamo. Abbiamo bisogno di molto più acciaio se sostituiamo le centrali termoelettriche con quelle rinnovabili. Poiché non ci sono abbastanza rottami di acciaio disponibili, possiamo produrre quell’acciaio extra solo dal minerale di ferro negli altiforni che bruciano combustibili fossili. Per affrontare il cambiamento climatico, dobbiamo creare fonti a basse emissioni di carbonio rapidamente e in gran numero. Tuttavia, per ottenere flussi di materiali circolari e costruire fonti di energia a basse emissioni di carbonio da rottami ed elettricità rinnovabile, dovremmo fare il contrario: rallentare lo sviluppo di una rete elettrica a basse emissioni di carbonio.

Immagine: Fondazioni in acciaio per turbine eoliche off-shore. Immagine di Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Uno studio ben citato del 2013 ha concluso che se l’energia eolica e solare fornissero 25.000 Twh di elettricità – che corrisponde alla domanda globale totale di elettricità nel 2021 – avremmo bisogno di circa 3.200 milioni di tonnellate di acciaio per costruire le sole centrali elettriche.³³⁴⁵ Si prevede che la domanda globale di elettricità aumenterà fino a un valore compreso tra 52.000 e 71.000 terawattora nel 2050, il che aumenterebbe la domanda di acciaio tra 6.400 e 8.960 Mt.⁴⁶ Nell’arco della vita dei pannelli solari e delle turbine eoliche (25 anni), dovremmo produrre fra 256 e 358 Mt di acciaio in più all’anno per realizzare turbine eoliche e strutture per i pannelli solari – ciò è paragonabile alla domanda di acciaio per le autovetture (195 Mt) e altre modalità di trasporto (98 Mt) combinate.

Si tratta ancora di una stima molto ottimistica. La domanda di elettricità rappresenta solo il 20% circa della domanda totale di energia. Se la domanda totale di energia (177.000 Twh nel 2021) fosse soddisfatta dall’eolico e dal solare, avremmo bisogno di 22.400 milioni di tonnellate di acciaio. Si tratta di 896 milioni di tonnellate di acciaio in più all’anno, pari alla produzione globale dei primi anni 2000. Si potrebbe sostenere che l’elettricità può essere utilizzata in modo più efficiente rispetto ai combustibili fossili, ad esempio nelle automobili e nei sistemi di riscaldamento. Tuttavia, allo stesso tempo, si prevede che la domanda totale di energia aumenterà ulteriormente, contrastando i guadagni ottenuti da una maggiore efficienza energetica.

Soluzioni high-tech

L’industria siderurgica conta su soluzioni tecnologiche per rendere la produzione di acciaio a zero emissioni di carbonio. Un’opzione è quella di sostituire il carbone con il gas, un approccio già comune in Medio Oriente e Nord America. La produzione dell’acciaio a base di gas comporta emissioni di carbonio leggermente inferiori, ma sono comunque molto più elevate rispetto al caso del forno ad arco elettrico. Pertanto, la maggior parte dell’attenzione è rivolta all’idrogeno, che può sostituire il carbone purificato (coke) come agente riducente in un forno a tino a riduzione diretta.⁴⁷ Tuttavia, la produzione di acciaio basata sull’idrogeno non offre una via di fuga dal problema del catch-22, perché aumenta ulteriormente la necessità di un’infrastruttura ad alta intensità di acciaio.

La produzione di idrogeno è ad alta intensità energetica. Occorrono 50-55 kilowattora per produrre 1 kg di idrogeno e 60 kg di idrogeno per produrre 1 tonnellata di acciaio.⁴⁷ La produzione di 1 tonnellata di acciaio dall’idrogeno consuma quindi 3.000 kWh di elettricità, che è dieci volte superiore al consumo di elettricità di un forno elettrico ad arco per la produzione di acciaio da rottami. Di conseguenza, la produzione di acciaio basata sull’idrogeno richiede circa dieci volte più turbine eoliche e pannelli solari rispetto alla produzione di acciaio basata sui rottami – e quindi dieci volte più acciaio. A questo si aggiunge l’acciaio per la costruzione delle condutture e dei serbatoi di stoccaggio che fanno parte dell’infrastruttura dell’idrogeno.

Immagine: Operaio in un altoforno. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

La cattura e lo stoccaggio del carbonio, in cui le emissioni di carbonio degli impianti di produzione dell’acciaio vengono catturate e poi immagazzinate nel sottosuolo, incontrano gli stessi problemi. Ciò richiede infrastrutture in acciaio ed energia in più, aumentando così indirettamente l’uso di combustibili fossili. Nemmeno il ritorno ai vecchi processi di produzione dell’acciaio preindustriale rappresenta una soluzione. L’altoforno di oggi è essenzialmente ancora l’altoforno dei secoli passati, solo molto più efficiente dal punto di vista energetico.⁷

Soluzioni low-tech

Il quadro dipinto sopra sembra offrire poche speranze per la produzione di acciaio e di energia a zero emissioni di carbonio. Tuttavia, esiste una soluzione a bassa tecnologia che potrebbe raggiungere questo obiettivo. Potremmo adattare la produzione di acciaio all’offerta di rottame disponibile sia in quantità che in qualità. Ciò ci consentirebbe di produrre tutto l’acciaio dai rottami nei forni elettrici ad arco, riducendo drasticamente il consumo di energia ed eliminando quasi tutte le emissioni di carbonio. Naturalmente, l’intento non dovrebbe essere quello di sostituire l’acciaio con compositi plastici e alluminio perché la loro produzione richiede ancora più energia. L’unica soluzione è ridurre complessivamente l’uso dei materiali.

Potremmo adattare la produzione di acciaio all’offerta di rottame disponibile sia in quantità che in qualità.

Ridurre la produzione di acciaio e utilizzare qualità di acciaio più comuni non ci riporterebbe all’Età del Bronzo. Come riportato, la disponibilità globale di rottami ferrosi a fine vita ammontava a circa 450 milioni di tonnellate nel 2021, il che ci consentirebbe di produrre circa un quarto dell’attuale produzione di acciaio. Inoltre, l’offerta di rottame continuerà ad aumentare per i prossimi 40 anni, consentendoci di produrre ogni anno sempre più acciaio a basse emissioni. Entro il 2050, si prevede che la disponibilità di rottami salirà a circa 900 milioni di tonnellate, quasi la metà dell’attuale produzione globale di acciaio.⁴⁸ Tutto quell’acciaio in più potrebbe essere investito nell’espansione della rete elettrica a basse emissioni di carbonio senza prima aumentare le emissioni.

C’è molto spazio per ridurre l’intensità dell’acciaio nella società moderna. Tutti i nostri bisogni primari – e oltre – potrebbero essere soddisfatti utilizzando molto meno acciaio. Ad esempio, potremmo rendere le automobili più leggere rendendole più piccole. Ciò comporterebbe un risparmio energetico senza la necessità di acciaio di alta qualità ad alta intensità energetica. Potremmo sostituire le auto con le biciclette e i trasporti pubblici in modo che più persone utilizzino meno acciaio. Tali cambiamenti ridurrebbero anche la necessità di acciaio nella rete stradale, nelle infrastrutture energetiche e nell’industria manifatturiera. Avremmo bisogno di meno macchine utensili, container ed edifici in cemento armato. Ogni volta che l’intensità dell’acciaio viene ridotta, i vantaggi si riversano su tutto il sistema. Prevenire la corrosione e produrre acciaio a livello locale a partire da risorse locali ridurrebbe anche il consumo di energia e le emissioni.¹⁰¹⁴

La continua crescita della produzione di acciaio – la crescente intensità di acciaio della società umana – rende impossibile una produzione sostenibile di acciaio. Nessuna tecnologia può cambiare la situazione perché questo non è un problema tecnologico. Come la silvicoltura può essere sostenibile solo se la domanda di legno non supera l’offerta di legno, l’acciaio è sostenibile o meno a seconda dell’equilibrio tra offerta (di rottami) e domanda (di acciaio). Forse non saremo in grado di sfuggire all’età del ferro, ma abbiamo un’opzione per sfuggire al circolo vizioso che collega indissolubilmente la produzione di acciaio con i combustibili fossili.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Forthcoming article, Kris De Decker, Low-tech Magazine. Subscribe to Low-tech Magazine’s newsletter. ↩︎
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Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
See, for example: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. This paper predicted steel demand to reach 1.8 billion tonnes only by around 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
About 5% of global steel is produced by a third method: gas-based direct iron reduction. These furnaces use gas instead of coal and have therefore lower carbon emissions. However, emissions are still much higher than in the case of the electric arc furnace. Gas-based steelmaking mainly happens in the Middle East and North America. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
This also holds true for many other materials. See: “How circular is the circular economy?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://qelnixcor.cloud/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
In the West, the expansion of steel use happened over a period of 150 years, in tandem with technological evolution. In contrast, China compressed this technological evolution in just a few decades: shipping and railways, electrification, steel buildings, the car and the airplane, the internet, and renewable power technologies. There are still large parts of the world where the steel intensity of society is very low, such as India and Africa. There is thus still a lot of room for the growth of the steel output. Source: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
This result corresponds well with Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
For off-shore wind turbines, the lifetime of the foundations is estimated to be 100 years, so in principle they could serve for replacement wind turbines of the same size. On the other hand, it is not self-evident that these steel foundations will eventually be recycled. First, only around 10% of decommissioning costs can be recovered by recycling the metal, meaning that it is not economically and perhaps even energetically interesting to do it. Second, in some cass marine life has flourished around the foundations. The four offshore wind farms that had been decomissioned in 2019 lasted for 15, 18, 20 and 26 years. Source: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
See https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
See https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Part of this has already been built. The researchers start from the solar and wind power production in 2013, which was 400 Twh, while both power sources produced 2,894 Twh in 2021. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Another motivation for reducing the steel intensity of modern society is to limit the consequences of geopolitical conflicts. The more steel we produce for peaceful purposes, the more steel becomes available for war and destruction. Remarkably, the production of military equipment is absent from modern steel statistics, and if mentioned, its share is very low. However, in times of war, steelmaking facilities switch to producing steel for military purposes. The steel industry can thus be converted into a weapons industry at any moment, and there is now a lot more steel production capacity available than there has ever been in history. ↩︎

Energia Solare Diretta: off-grid senza batterie

Sat, 07 Oct 2023 00:00:00 +0000

Immagine: un laptop alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil.

Le installazioni solari convenzionali non mettono in discussione la nostra dipendenza dai combustibili fossili e lo stile di vita ad alto consumo di energia che ne deriva. Sia i pannelli solari sui tetti che gli impianti solari su larga scala sono in grado di fornire tutta l’energia che desideriamo, anche quando il sole non splende. Ciò accade perché questi sistemi utilizzano la rete elettrica centrale, che dipende in gran parte da combustibili fossili, come una sorta di batteria per far fronte alle carenze di energia.

Sebbene i pannelli solari collegati alla rete possano ridurre il consumo di combustibili fossili delle centrali termoelettriche, questi risparmi sono almeno in parte compensati dai combustibili fossili aggiuntivi necessari per costruire e mantenere quella che è essenzialmente un’infrastruttura a doppia energia. La combinazione di energia solare ed eolica può aumentare ulteriormente la quota di energia rinnovabile nella rete elettrica, ma ciò richiede un ulteriore sviluppo delle infrastrutture. Oltre all’energia, ciò richiede ulteriormente molto tempo e denaro.

La sostituzione delle centrali elettriche alimentate a combustibili fossili con sistemi di accumulo dell’energia, in modo che l’elettricità in eccesso generata nelle giornate soleggiate possa essere immagazzinata per quando il sole non c’è o non è abbastanza, incontra lo stesso problema. Lo stoccaggio dell’energia, sia integrato in una rete elettrica che localizzato presso le singole abitazioni (sistemi off-grid), è molto costoso da costruire e mantenere e consuma grandi quantità di carbonio.

Impianto solare autonomo

La produzione di pannelli solari ovviamente consuma grandi quantità di denaro ed energia. Tuttavia, i costi finanziari ed energetici dell’infrastruttura di backup associata sono molto più elevati. Per gli impianti solari collegati alla rete, questi costi sono molto difficili da calcolare con precisione, mentre per gli impianti solari autonomi (senza connessione alla rete e con proprio accumulo di energia) è molto più semplice. Prenderò quindi come esempio il piccolo impianto solare autonomo che alimenta il mio soggiorno a Barcellona.

Questo sistema è composto da due pannelli solari da 50W sul balcone, una batteria al piombo da 100 Ah ed un regolatore di carica da 10A. L’energia generata viene utilizzata, tra le altre cose, per l’illuminazione, l’impianto musicale, la ricarica di laptop e altri dispositivi elettronici. L’investimento finanziario iniziale è stato di 340 euro: 120 euro per i pannelli solari, 170 euro per la batteria e 50 euro per il regolatore di carica.

Ma mentre i pannelli solari dovrebbero durare 30 anni e il regolatore di carica circa 10 anni, devo sostituire la batteria al piombo in media ogni tre-cinque anni. ¹ In un ciclo di vita di 30 anni, i costi ammontano a 120 euro per i pannelli solari, 150 euro per i regolatori di carica e, nella migliore delle ipotesi, a 1.020 euro per le batterie. Le batterie (e i relativi regolatori di carica) rappresentano quindi circa il 90% dei costi totali.

Lo stoccaggio dell’energia domina anche l’energia “incorporata” dell’impianto (e le conseguenti emissioni di carbonio). Per produrre la mia batteria al piombo sono stati necessari 1.200 megajoule (MJ) di energia. ² Su una durata di 30 anni (sei batterie nella migliore delle ipotesi), ciò equivale a 7.200 MJ. I tre regolatori di carica aggiungono altri 360 MJ nel corso di 30 anni, portando il consumo energetico totale per il sistema di batterie a 7.560 MJ. ³ La produzione dei pannelli solari, invece, costa solo 2.275 MJ su un totale di 9.835 MJ. ⁴ In conclusione: oltre il 75% del consumo totale di energia fossile è dovuto allo stoccaggio dell’energia.

Immagine: a destra sul balcone ci sono i due pannelli solari da 50 W che alimentano il soggiorno del mio appartamento. Accanto c'è il pannello solare da 30 W che fa funzionare questo sito. Foto: Marie Verdeil.

Immagine: La struttura dei pannelli solari, realizzata con legno di scarto. Foto: Kris De Decker.

Immagine: la batteria al piombo da 100 Ah che alimenta il soggiorno dopo il tramonto. Foto: Kris De Decker.

Altri tipi di batterie non cambierebbero significativamente questo risultato. Per un sistema off-grid simile con batterie agli ioni di litio, l’accumulo di energia rappresenterebbe circa il 95% del costo totale (che è quasi il doppio di quello di un sistema con batterie al piombo). Supponendo una durata ottimistica (10 anni), e includendo i regolatori di carica, lo stoccaggio dell’energia al litio rappresenta circa il 70% dell’energia investita in un sistema di rete solare. ⁵ ⁶ Per le batterie al nichel-ferro, lo stoccaggio dell’energia rappresenterebbe l'85% del costo totale del ciclo di vita (non vi sono dati sui costi energetici). ⁷

Anche le dimensioni e l’ubicazione dell’impianto solare non comportano alcuna differenza. Un sistema più grande necessita di più pannelli solari, ma anche di batterie più grandi e di regolatori di carica più costosi e potenti. I rapporti rimangono gli stessi. ⁸ L’unico fattore che può attribuire ai pannelli solari una quota leggermente maggiore del costo totale sono le strutture su cui essi sono montati. Non ne tengo conto perché li ho costruiti io stesso con legno di scarto. Se però i pannelli solari vengono montati su un tetto, una soluzione fai da te è meno semplice. Anche in questo caso tuttavia, il costo dello stoccaggio dell’energia rimane di gran lunga la considerazione più importante.

Energia solare diretta: molto più economica e sostenibile

A differenza dei combustibili fossili, il sole e il vento non sono disponibili su richiesta. Il problema con il nostro approccio all’energia rinnovabile è che insistiamo sul fatto che l’energia dovrebbe essere sempre infinitamente disponibile, indipendentemente dal tempo, dalle stagioni o dall’ora del giorno. Far corrispondere la domanda di energia all’offerta, come è stato fatto in passato, porterebbe a drastiche riduzioni del costo e dell’uso dei combustibili fossili.

Ad esempio, se rinunciassi all’accumulo in batteria del mio impianto solare, il mio sistema diventerebbe circa 10 volte più economico: 120 euro invece di 1.290 euro su una durata di 30 anni. In alternativa, potrei spendere 1.290 euro solo per i pannelli solari, che mi darebbero un impianto solare da 1.075 watt. Si tratta di una capacità dieci volte superiore a quella dell’installazione con batterie, più di quella che starebbe sul balcone.

Senza batteria e regolatore di carica anche il costo energetico dell’impianto scende da 9.835 MJ a 2.275 MJ. In altre parole, potrei generare almeno quattro volte più energia solare con lo stesso investimento in combustibili fossili.

Come può essere pratica l’energia solare diretta?

Per ora è tutto in regola, ma il sole non splende dopo il tramonto e la quantità di energia solare varia durante il giorno e nel corso dell’anno. Allora come può l’utilizzo di pannelli solari senza batterie (o altre infrastrutture di backup nel caso di installazioni connesse alla rete) essere pratico?

Per rispondere a questa domanda, ci rivolgiamo a un pioniere dell’“energia solare diretta”: la Living Energy Farm. Questa comunità di educazione ambientale nello stato americano della Virginia è completamente “off-the-grid” grazie all’energia solare, ma solo il 10% dell’energia solare generata passa attraverso una batteria (nichel-ferro). Tuttavia, i pannelli solari forniscono energia a diverse case, a una cucina comune, a un’officina metallurgica e a una fattoria. ⁹ ¹⁰

Immagine: energia solare diretta presso la Living Energy Farm.

L’impianto solare è in funzione dal 2011 ed è costituito da sistemi separati con una potenza di picco totale di 1.400 Watt. ¹¹ In confronto, la potenza di picco media di un impianto solare residenziale nel Regno Unito e negli Stati Uniti, per una famiglia, è rispettivamente di 4.000 watt e 6.500 watt. Come nel mio appartamento, anche la Living Energy Farm utilizza l’energia con parsimonia, ma ci sono altri motivi per cui l’utilizzo di batterie è pressoché nullo.

Alcuni elettrodomestici vengono utilizzati solo durante il giorno

Un primo motivo è evidente: alcuni apparecchi e macchinari elettrici vengono utilizzati solamente durante il giorno. Questo vale, ad esempio, per tutte le macchine dell’officina metallurgica, tra cui sega a nastro, compressore, smerigliatrice, sega circolare, tornio, fresatrice e trapano. Ciò vale anche per le macchine agricole come i mulini per cereali e le pompe per pozzi profondi. Collegate direttamente ai pannelli solari, queste macchine offrono tutte le funzionalità della moderna tecnologia alimentata dalla rete, con l’eccezione che possono essere utilizzate solo durante il giorno. ¹⁰

Su scala molto più piccola, ho utilizzato l’energia solare diretta per un saldatore, una pistola per colla e una pompa per l’irrigazione (per il balcone) a casa. Altri esempi di elettrodomestici e macchine che potrebbero essere utilizzati solo durante il giorno includono l’aspirapolvere, le macchine da cucire, le lavatrici, la console di gioco, il laser cutter e le stampanti 3D. Non è così difficile immaginare una società moderna in cui attività quali passare l’aspirapolvere e il fai da te si svolgono solo durante il giorno. Non è affatto un ritorno al Medioevo.

Immagine: diversi strumenti del laboratorio presso la Living Energy Farm, la maggior parte dei quali funziona con energia solare diretta. Immagine: Alexis Zeigler.

Immagine: tornio per metalli alimentato direttamente dall'energia solare, Living Energy Farm. Immagine: Alexis Zeigler.

Immagine: saldatura con energia solare diretta. Foto: Marie Verdeil. [Guarda il video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Inoltre, non tutti gli elettrodomestici richiedono un’attenzione costante. Lavatrici o lavastoviglie che si attivano automaticamente quando splende il sole sono spesso citate come esempi di applicazioni di una rete elettrica “intelligente”. Tuttavia questo approccio si basa su un’ampia infrastruttura di trasmissione elettrica, reti di comunicazione ed elettrodomestici ricchi di componenti elettronici.

Al contrario, in un approccio solare diretto e decentralizzato, l’intelligenza è fornita dal sole e dalla rotazione del pianeta. Una lavatrice o lavastoviglie ad energia solare diretta può essere completamente caricata e accesa la sera. Al mattino poi la macchina si avvia “automaticamente”. Puoi anche utilizzare i timer (elettronici o meccanici) per far funzionare diversi apparecchi uno dopo l’altro.

La misura in cui le nubi costituiscano un ulteriore limite per un impianto solare diretto dipende dalle dimensioni dei pannelli solari. Raddoppiare l’area dei pannelli solari garantisce energia solare sufficiente durante una copertura nuvolosa moderata, mentre l’installazione rimane molto più economica e sostenibile di un sistema con batterie o altre infrastrutture di backup.

Un’area ancora più ampia di pannelli solari potrebbe fornire energia sufficiente anche durante una fitta copertura nuvolosa, ma aumentando di dieci volte le dimensioni del sistema si riporta il costo al livello di un sistema autonomo con batterie. Quadruplicare l’area rende il sistema nuovamente dipendente dai combustibili fossili.

Molti elettrodomestici sono già dotati di batterie

L’energia solare diretta non esclude l’uso degli apparecchi elettrici dopo il tramonto. Come già accennato, la Living Energy Farm dispone di un modesto sistema di batterie che fornisce energia, tra le altre cose, a luci, ventilatori e dispositivi elettronici dopo il tramonto. ¹⁰ Inoltre, molti elettrodomestici moderni sono già dotati di accumulatori di energia integrati. Questo vale per tutti i tipi di veicoli elettrici, la maggior parte dei gadget elettronici e vecchi apparecchi elettrici con batterie AA.

Di conseguenza, questi tipi di dispositivi possono essere caricati con l’energia solare diretta durante il giorno e poi utilizzati per diverse ore dopo il tramonto grazie alla batteria integrata. In combinazione con un power-bank agli ioni di litio, un pannello solare diretto può consentire anche di caricare i dispositivi USB dopo il tramonto. Questa strategia può funzionare anche per l’illuminazione, poiché esistono molte lampade alimentate a batteria che si possono utilizzare come moderne torce, appese in diversi punti di stanze ed edifici.

Immagine: un telefono cellulare alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil.

Naturalmente, esternalizzare lo stoccaggio dell’energia chimica al dispositivo non è l’opzione più sostenibile. La produzione di batterie agli ioni di litio richiede combustibili fossili che, a differenza delle batterie al piombo, non vengono riciclati. La soluzione migliore, ovviamente, è ridurre l’uso dei dispositivi elettrici. Caricarle con l’energia solare diretta è comunque molto più sostenibile ed efficiente che tramite altre batterie o una rete elettrica alimentata a combustibili fossili. Se utilizziamo dispositivi ad alta tecnologia, preferibilmente nel modo più intelligente possibile.

Accumulo di energia non elettrica

Un terzo motivo per cui l’energia solare diretta è più pratica di quanto sembri inizialmente è che alcuni apparecchi elettrici possono essere utilizzati dopo il tramonto grazie all’accumulo di energia termica. Questo è molto più economico e sostenibile rispetto allo stoccaggio dell’energia elettrica. Lo stoccaggio dell’energia termica è già abbastanza consolidato per i sistemi di riscaldamento degli ambienti e dell’acqua, che immagazzinano l’acqua riscaldata dal sole in una caldaia isolata o (solo per il riscaldamento degli ambienti) nell’involucro dell’edificio. Non è sorprendente che la Living Energy Farm disponga di tali sistemi, l’energia solare termica fornisce acqua calda anche nel mio appartamento.

Lo stesso approccio però funziona anche per due importanti elettrodomestici che devono funzionare dopo il tramonto e che consumano molta elettricità: il frigorifero e il fornello. Invece di immagazzinare l’elettricità proveniente da un pannello solare in una batteria, per poi alimentare un frigorifero o un fornello dopo il tramonto, questi apparecchi della Living Energy Farm utilizzano l’isolamento termico. Ciò mantiene il calore all’interno (nel caso del fornello) o all’esterno (nel caso del frigorifero) quando non c’è alimentazione elettrica. L’isolamento termico garantisce inoltre un’elevatissima efficienza energetica, che significa che ciascuno di questi apparecchi può già funzionare con un pannello solare da soli 100-200 watt.

Un frigorifero ad energia solare diretta

È perfettamente possibile collegare un frigorifero o un congelatore convenzionale direttamente a un pannello solare, ma un apparecchio del genere si riscalderebbe molto rapidamente di notte. Anche i frigoriferi più efficienti dal punto di vista energetico hanno uno spessore isolante relativamente limitato (solitamente 2,5 cm). Tuttavia, se lo spessore dell’isolamento viene aumentato a circa 12,5 cm, il consumo energetico di un frigorifero si riduce di quattro volte. ¹² ¹³ La capacità di raffreddamento passivo di un frigorifero può essere ulteriormente aumentata aggiungendo massa termica sotto forma di un serbatoio dell’acqua all’interno dell’apparecchio. Durante il giorno il pannello solare raffredda l’acqua o la converte in ghiaccio. Di notte, quest’acqua fredda o ghiaccio rallenta il riscaldamento del frigorifero. ¹⁴

Anche un frigorifero ad energia solare diretta si apre nella parte superiore, non nella parte anteriore. L’aria fredda è pesante e si perde molta meno energia quando qualcuno apre la porta. Tutte queste scelte progettuali si sommano ad un’efficienza energetica spettacolare. Uno studio sui frigoriferi solari diretti in regioni molto soleggiate (Texas e New Mexico, USA) ha dimostrato che essi mantengono la loro capacità di raffreddamento per 6 o 7 giorni senza alimentazione elettrica. Le unità funzionavano tutto l’anno con pannelli solari da soli 80 watt a 120 W. ¹⁵ La Living Energy Farm alimenta il suo frigorifero solare con un pannello da 200 W. ¹⁰

Immagine: Sundanzer DDR165. Un frigorifero progettato specificatamente per l'energia solare diretta. Foto: Sundanzer.

A differenza del riscaldamento solare, il raffrescamento solare è sintonizzato in modo ottimale alle variazioni stagionali della radiazione solare. Il raffreddamento richiede più energia in estate, quando c’è più energia solare. Il suddetto frigorifero nel New Mexico ha registrato un consumo di elettricità di 406 Wh al giorno in estate e di soli 230 Wh in inverno. ¹⁶ Inoltre, questa tecnologia può essere utilizzata lungo tutta l’industria del freddo, di cui il frigorifero domestico è solo una piccola parte, sebbene essenziale. Un’altra applicazione è il raffreddamento ad aria, anche se questa è meno studiata e più impegnativa. ¹⁷

Un fornello elettrico solare diretto

In linea di principio, un fornello convenzionale può essere collegato direttamente a un pannello solare. Tuttavia, come per un frigorifero convenzionale, ciò non è molto pratico. Si può cucinare solo durante il giorno e bisogna installare molti pannelli solari. Una singola piastra riscaldante necessita di 1.000 watt di potenza elettrica. Un fornello elettrico solare risolve questi problemi imballando il piano cottura con un isolamento termico. La tecnologia è fondamentalmente una combinazione di un piano cottura elettrico ed un haybox.

Immagine: test di un fornello solare elettrico. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Grazie all’isolamento termico, un fornello solare elettrico accumula calore lentamente durante il giorno, che può poi essere utilizzato per cucinare dopo il tramonto. In questo modo, può essere sufficiente un’alimentazione molto inferiore per raggiungere temperature elevate. Si può immaginare come “caricare” un fornello non con l’elettricità, ma con il calore.

I ricercatori della California Polytechnic State University (Cal Poly) hanno costruito il primo fornello elettrico solare nel 2015. Il loro dispositivo da 12 volt, che da allora è stato ulteriormente sviluppato, necessita solo di un pannello solare da 100 W per funzionare. Questo fa bollire un litro d’acqua in un’ora. Con un’intera giornata di sole, può cuocere quasi 5 kg di fagioli, riso, stufato o patate. ¹⁸

È possibile cucinare dopo il tramonto utilizzando una pentola con fondo molto più spesso (5-10 kg). Il team di ricerca di Cal Poly è riuscito a portare la temperatura di quell’accumulo di calore solido a 250°C in cinque ore con un pannello solare da 100 W. Sono stati quindi in grado di far bollire un litro d’acqua in tre secondi dopo il tramonto. In un altro test, hanno saltato in padella 1 kg di verdure in due minuti. La configurazione ideale è composta da due pentole: una con e una senza accumulo di calore. Pertanto, un fornello solare elettrico può cucinare sia lentamente che velocemente, a seconda dell’ora del giorno e del piatto. ¹⁹

Immagine: principio di una cucina elettrica solare con accumulo di calore solido. Disegno: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Termico o elettrico?

Come i sistemi solari per l’acqua e il riscaldamento degli ambienti, la cottura e il raffreddamento possono funzionare sia con che senza elettricità, con i pannelli fotovoltaici da un lato e i collettori solari termici dall’altro. Ma mentre il riscaldamento solare dello spazio e dell’acqua è più efficiente in termini di costi ed energia senza elettricità, per il raffreddamento solare e la cottura solare è esattamente l’opposto.

Il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua richiede differenze di temperatura relativamente piccole, che possono essere fornite da collettori solari termici a basso costo costituiti da lastre di vetro e tubi dell’acqua. Al contrario, il raffreddamento e la cottura necessitano differenze di temperatura maggiori, che richiedono collettori solari più sofisticati (a tubi sottovuoto o parabolici) – e questi sono più costosi dei pannelli fotovoltaici. ²⁰ ²¹

L’unica eccezione è un semplice fornello solare, una scatola isolata con un piano in vetro, che tuttavia non può raggiungere temperature così elevate. Inoltre, un fornello solare elettrico presenta alcuni vantaggi aggiuntivi. Con un elettrodomestico non elettrico bisogna cucinare all’aperto, una soluzione meno pratica ma anche meno efficiente, soprattutto in inverno: un fornello solare termico disperderà infatti più calore nell’ambiente. Un fornello solare elettrico è più efficiente anche dal punto di vista energetico, perché esso è isolato su tutti i lati. Funziona meglio anche con tempo nuvoloso e può essere utilizzato dopo il tramonto. Nella Living Energy Farm il fornello solare parabolico viene utilizzato solo in condizioni ottimali, ovvero in pieno sole e con temperature esterne elevate.

Quali sono le difficoltà tecniche?

Sebbene la Living Energy Farm stia mettendo in pratica tutte queste applicazioni dell’energia solare diretta, ci sono alcune difficoltà tecniche per coloro che vogliono seguire il loro esempio. Quasi tutta la nostra tecnologia moderna è progettata per funzionare con un’alimentazione elettrica stabile ed ininterrotta. Non deve essere necessariamente così, ma per ora l’energia solare diretta richiede solitamente qualche ritocco. Un sistema solare diretto è molto più semplice da realizzare rispetto ad un sistema autonomo con batterie, ma spesso richiede modifiche sui dispositivi coinvolti.

Alcuni dispositivi possono essere collegati direttamente ad un pannello solare: è sufficiente collegare i contatti positivo e negativo del pannello solare e del dispositivo. Ad esempio, le macchine con motore CC tollerano grandi fluttuazioni nell’alimentazione. L’officina metallurgica e le macchine agricole della Living Energy Farm funzionano in questo modo. Se le nuvole bloccano il sole, il carico elettrico combinato può diventare maggiore dell’energia fornita dai pannelli solari, ma ciò non ferma le macchine. Tutti i motori rallenteranno perché condividono l’energia disponibile, ma continueranno a svolgere un lavoro utile. ¹⁰ ²²

Lo stesso vale per tutti gli apparecchi che funzionano sulla base di elementi riscaldanti resistivi, come bollitori, piastre elettriche o sistemi di riscaldamento elettrici. Essi funzionano indipendentemente dalla potenza o dalla tensione, ma lavorano più lentamente o più velocemente. Un frigorifero ad energia solare diretta funziona meglio con un compressore DC variabile che può regolare la sua velocità in base alla variazione della produzione di energia solare. ¹⁰ ²³

Molti altri dispositivi necessitano di un ingresso di tensione specifico e stabile, che di solito non corrisponde a quello prodotto dal pannello solare. Questo può essere risolto posizionando un convertitore DC-DC (un convertitore “buck” o “boost”) tra il pannello solare e il dispositivo. Si tratta di un piccolo modulo elettronico che converte la tensione fluttuante di un pannello solare in una tensione di uscita costante per un dispositivo a bassa tensione (5 V, 12 V o superiore). ²⁴

Immagine: esperimenti con l'energia solare diretta. Foto: Marie Verdeil.

Se oltre a questo si utilizza un inverter, anche gli apparecchi di rete possono funzionare direttamente su un pannello solare. ²⁵ I convertitori DC-DC sono essenziali per tutti gli apparecchi che contengono componenti elettronici. Questo è il caso di molti elettrodomestici moderni, compresi quelli che fino a poco tempo fa funzionavano senza elementi elettronici, come le lavatrici o le macchine da caffè. Ciò offre spesso due opzioni per far funzionare tali apparecchi con l’energia solare diretta. Si può montare un convertitore DC-DC, oppure modificare l’apparecchio bypassando l’elemento elettronico.

Manuali fai da te e dispositivi commerciali

La maggior parte delle applicazioni di energia solare diretta funzionano a bassa tensione, quindi possono essere utilizzati autonomamente in tutta sicurezza. Low-tech Magazine pubblicherà presto un manuale sull’argomento. Tuttavia, la Living Energy Farm utilizza corrente continua con tensioni più elevate per una serie di applicazioni. Ne sono un esempio le macchine utensili nell’officina metallurgica (90 V) e una serie di potenti forni elettrici solari (48 V, 180 V). Non è una buona idea costruire questi sistemi da soli a meno che non si faccia riferimento ad un elettricista qualificato, poiché queste tensioni possono causare incidenti mortali.

Coloro che desiderano costruire i propri fornelli solari elettrici (a bassa tensione) troveranno manuali completi sia presso Living Energy Farm che presso Cal Poly. ²⁶ I dispositivi possono essere realizzati con materiali semplici. Il materiale isolante deve essere ignifugo. Materiali adatti sono lana di roccia, fibra di vetro, lana naturale o argilla.

È possibile utilizzare diverse tecnologie per gli elementi riscaldanti, ma incorporare fili di nicromo nel cemento è l’opzione più semplice. Questi cavi possono essere prelevati da una varietà di apparecchi come il tostapane, forni e piastre elettriche. In linea di principio, i fili riscaldanti possono essere fissati direttamente alla pentola, ma è più pratico realizzare un “nido” riscaldato in cui posizionare la pentola.

Immagine: ispirandosi al lavoro di Cal Poly, Living Energy Farm ha anche sviluppato una serie di fornelli solari elettrici, uno dei quali è in [vendita sul loro sito web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Il Roxy Oven può essere utilizzato come piastra riscaldante o come forno, per cuocere il pane ad esempio. La porta rimane chiusa anche quando viene utilizzata come piastra riscaldante. Questo fornello solare non ha accumulo di energia.

Immagine: il forno Roxy senza porta e con l'isolamento in lana di vetro a vista. L'apparecchio, realizzato in un'officina metallurgica con energia solare diretta, funziona a 48 V e richiede un pannello solare da 200 a 500 watt. Living Energy Farm offre anche il frigorifero solare di Sunstar [in vendita online](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

L’energia solare diretta spreca energia?

La sostenibilità di un impianto solare dipende non solo dall’energia necessaria per produrre e mantenere l’infrastruttura, ma anche dall’energia prodotta dai pannelli solari durante il loro ciclo di vita. Alcuni sostengono che, in questi termini, l’uso diretto dell’energia solare è inferiore rispetto agli impianti solari convenzionali collegati alla rete o alimentati a batteria.

Dopotutto, l’aspirapolvere, la lavatrice e il trapano elettrico non vengono utilizzati tutti i giorni e, scollegato da un elettrodomestico, un pannello solare non può produrre energia. Di conseguenza, la quantità di elettricità prodotta dal pannello diminuirà nel corso della sua vita, mentre l’energia necessaria per fabbricarlo rimane la stessa. Ciò significa che l’energia proveniente da un pannello solare diretto richiede un’intensità di carbonio più alta.

Tuttavia, poiché l’accumulo di energia nelle batterie (o nell’alternativa collegata alla rete) rappresenta una percentuale così elevata dell’energia totale investita, un pannello solare autonomo può sprecare molta energia prima di diventare meno sostenibile rispetto alla sua controparte con accumulo di batterie o connessione alla rete.

Inoltre, l’uso diretto dell’energia solare evita le perdite di carica e scarica causate dalle batterie, o le perdite di energia nell’infrastruttura di trasmissione per i sistemi connessi alla rete. Entrambi devono essere compensati da ulteriori pannelli solari. Anche i pannelli solari collegati alle batterie o alla rete sprecano energia, una conseguenza della grande differenza nella produzione di energia tra estate e inverno.

Massimizzare l’energia solare diretta con servizi collettivi

Tuttavia, è importante massimizzare la produzione di energia di un pannello solare diretto. In questo contesto è utile ritornare per un momento al sistema di esempio originale situato sul mio balcone. L’energia solare diretta potrebbe essere una bella aggiunta a questo sistema, soprattutto per frigorifero e fornello. Proprio a causa di questi elettrodomestici, nel 2016 ho concluso che era impossibile scollegare completamente il mio appartamento dalla rete elettrica.

Tuttavia, la Living Energy Farm dimostra che si può fare: sul balcone c’è spazio per altri 200 watt di pannelli solari (4 x 50 W), sufficienti per alimentare sia un frigorifero termicamente isolato che un piano cottura. Non è necessaria una capacità aggiuntiva della batteria.

Per altri apparecchi, invece, l’energia solare diretta è di scarsa utilità nel mio caso. Non sarebbe molto efficiente installare un pannello solare aggiuntivo per la lavatrice o il trapano elettrico, poiché vengono utilizzati solo occasionalmente. Ciò sembra giocare a favore di una rete elettrica “intelligente”, perché in questo modo molte famiglie possono utilizzare la stessa energia solare, c’è sempre qualcuno che ha bisogno di lavare i panni o di fare un buco.

Tuttavia, una rete così intelligente richiede molte infrastrutture, anche se l’energia solare diretta dovesse essere utilizzata su quella scala. Potrebbe non richiedere batterie o combustibili fossili come backup, ma richiede infrastrutture di trasmissione e comunicazione.

Immagine: un giradischi alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil. [Guarda il video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm dimostra una soluzione alternativa: l’organizzazione comunitaria dei compiti e del lavoro domestico. Invece di una rete elettrica comune che distribuisce energia a molte singole famiglie, possiamo creare servizi collettivi con produzione di energia decentralizzata.

Nell’officina comune della Living Energy Farm l’energia solare diretta può essere utilizzata in modo molto più efficiente che in un’officina individuale che viene utilizzata solo occasionalmente. Una lavanderia collettiva in ogni vicinato utilizzerebbe inoltre l’energia solare diretta in modo molto più efficiente. Inoltre, in questo modo risparmiamo molta energia da elettrodomestici, e guadagniamo molto spazio.

Energia eolica diretta?

Questa strategia diventa ancora più importante se scegliamo non l’energia solare diretta, ma l’energia eolica diretta, o una combinazione di entrambe. La Living Energy Farm si trova in una regione soleggiata, ma lo stesso approccio potrebbe funzionare anche in luoghi ventosi.

Tuttavia, esiste una differenza importante tra l’energia solare e l’energia eolica. L’efficienza di un pannello solare non dipende dalle sue dimensioni, il che rende l’energia solare ideale per la produzione di energia decentralizzata. Al contrario, l’efficienza di una turbina eolica aumenta più che proporzionalmente all’aumentare del diametro del rotore. Molto meglio di una turbina eolica per famiglia, è quindi una turbina poco più grande per una comunità di famiglie per alimentare una lavanderia o un’officina collettiva.

La durata delle batterie al piombo dipende da molti fattori. Se vengono scaricati troppo profondamente o non vengono caricati completamente e regolarmente, la loro durata può essere inferiore a tre anni. D’altro canto, una batteria al piombo che viene utilizzata poco o non si scarica affatto può durare molto più di cinque anni. Tuttavia, la letteratura accademica afferma un’aspettativa di vita dai tre ai cinque anni e questa è stata anche la mia esperienza con le batterie che utilizzo dal 2016. Vedi, ad esempio, “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage ”, A. Celik, in “Progressi nel fotovoltaico: ricerca e applicazioni”, 2008 e “Tempi di ammortamento energetico dei sistemi fotovoltaici: stato attuale e prospettive”, E.A. Alsema, in “Atti della 2a Conferenza ed Esposizione Mondiale sulla conversione dell’energia solare nel fotovoltaico”, luglio 1998. ↩︎
La produzione di una batteria al piombo (basata su materiali in gran parte riciclati) richiede circa 1 MJ di energia per wattora di capacità di stoccaggio. La mia batteria da 100 ampere/ora equivale a una capacità di stoccaggio di 1.200 wattora, quindi l’energia incorporata equivale a 1.200 MJ. In una durata di 30 anni, ho bisogno al massimo di sei di queste batterie, quindi 7.200 MJ in totale. Fonte: “Analisi Energetica delle Batterie negli impianti Fotovoltaici. Parte prima (Prestazioni e requisiti energetici)” e “Parte due (Fattori di ritorno energetico ed efficienza complessiva della batteria)”. Conversione e gestione dell’energia 46, 2005. ↩︎
Non sono state condotte molte ricerche sull’energia incorporata nei regolatori di carica. Il dato più rilevante che ho trovato è un valore di 1 MJ per watt di potenza massima: Kim, Bunthern, et al. “Valutazione del ciclo di vita di un sistema di energia solare basato sul riutilizzo di componenti per i paesi in via di sviluppo”. Giornale di produzione più pulita 208 (2019): 1459-1468. Per una capacità di 120 W (il mio regolatore di carica ha una capacità massima di 10 A x 12 V = 120 W), ciò equivale a 120 MJ. Per la durata stimata, ho trovato valori di 7 e 12,5 anni: stesso riferimento di cui sopra, così come: Kim, Bunthern, et al. “Seconda vita dell’alimentatore come regolatore di carica nell’impianto fotovoltaico e valutazione dei benefici ambientali.” IECON 2016-42a conferenza annuale della IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Ho quindi effettuato il calcolo su una durata stimata di 10 anni. ↩︎
Nawaz, I. e G. N. Tiwari. “Analisi energetica incorporata del sistema fotovoltaico (PV) basata su livello macro e micro.” Politica energetica 34.17 (2006): 3144-3152. Secondo questa fonte ampiamente citata, per produrre 1 m2 di pannello solare sono necessari 3.500 MJ. I miei due pannelli solari insieme misurano 0,65 m2, per un costo energetico totale di 2.275 MJ. Una revisione della letteratura più recente colloca il costo energetico per la produzione di diversi tipi di pannelli solari tra 1.034 e 5.150 MJ/m2. Gli studi più recenti sui pannelli solari al silicio riportati in questa recensione stimano il costo energetico a circa 1.000 MJ/m2, molto inferiore alla cifra che sto utilizzando. Vedi: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospettive della valutazione del ciclo di vita dell’energia rinnovabile derivante dalle tecnologie solari fotovoltaiche: una revisione.” Recensioni sull’energia rinnovabile e sostenibile 96 (2018): 11-28. ↩︎
Le batterie agli ioni di litio sono molto più costose delle batterie al piombo, ma a differenza delle batterie al piombo, possono essere scaricate più in profondità (fino al 15% della loro capacità totale) e hanno una durata di vita più lunga (da 7 a 10 anni). Di conseguenza, sono necessarie meno batterie e più piccole. Tenendo conto di questi fattori, il costo di vita della batteria è di 750 euro, rispetto ai 1.020 euro delle batterie al piombo. Le batterie agli ioni di litio necessitano invece di un regolatore di carica più sofisticato e costoso: un regolatore di carica da 10 A costa tra i 200 e i 600 euro, a seconda della qualità. Supponendo un prezzo di 400 euro per il regolatore di carica e una durata di 10 anni sia per la batteria che per il regolatore di carica, lo stoccaggio della batteria rappresenta il 95% del costo totale della vita utile (un totale di 2.070 euro, molto più del costo totale per il regolatore di carica). il sistema con batterie al piombo). Fonti: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery e https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery- caricabatterie/ ↩︎
Sebbene la produzione di una batteria agli ioni di litio costi più energia rispetto alla produzione di una batteria al piombo (1,4-1,9 MJ/Wh contro 1 MJ/Wh), ciò è compensato da una durata di vita più lunga e da una maggiore capacità di scarica. Il costo energetico delle batterie agli ioni di litio per una durata di 30 anni è quindi di circa 3.000 MJ, significativamente inferiore a quello di un sistema di batterie al piombo-acido comparabile. Al contrario, il regolatore di carica contiene un’elettronica più complessa. Purtroppo non sono disponibili dati sul costo energetico di un tale regolatore di carica. Quindi non c’è altra alternativa se non quella di stimare il costo energetico in base al costo finanziario, che è da quattro a dodici volte più costoso di un regolatore di carica per una batteria al piombo. Supponendo un costo quattro volte superiore, l’energia incorporata del regolatore di carica aumenta a 480 MJ, ovvero 1.440 MJ su un periodo di 30 anni. Il costo energetico totale del sistema è quindi di 6.685 MJ, inferiore a quello di un sistema comparabile con batterie al piombo-acido. Di questo, quasi il 70% è attribuibile allo stoccaggio della batteria. ↩︎
Le batterie al nichel-ferro sono ancora più grandi e pesanti delle batterie al piombo e necessitano di una manutenzione regolare. Ma possono essere completamente scarichi e hanno una durata molto lunga (20 anni). Inoltre, possono essere utilizzate con gli stessi regolatori di carica delle batterie al piombo. Il costo di vita della batteria in 30 anni è di 750 euro, più economico delle sei batterie al piombo di capacità simile. Il costo totale di vita di un sistema di batterie al nichel-ferro con pannelli solari da 100 W è di 1.020 euro, di cui l’85% destinato allo stoccaggio dell’energia. Purtroppo le batterie al nichel-ferro sono difficili da trovare, soprattutto i modelli più piccoli. Fonti: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
In realtà il prezzo dei pannelli solari in un impianto solare un po’ più grande sarebbe proporzionalmente ancora più basso. Questo perché i pannelli solari di piccole dimensioni (come 50 W) sono proporzionalmente più costosi per watt di capacità di picco rispetto ai pannelli solari di dimensioni più convenzionali (da 250 W in poi). Più o meno lo stesso vale per il costo energetico. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fondatore della Living Energy Farm, ha scritto un libro sul progetto, disponibile integralmente online: Empowering Communities. Una guida pratica all’autosufficienza energetica e all’arresto del cambiamento climatico. Può essere ordinato anche in versione cartacea. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Poiché l’energia solare diretta non richiede un regolatore di carica per ogni sistema separato, la suddivisione di un sistema solare non comporta costi aggiuntivi o consumo di energia. ↩︎
La ricerca mostra che raddoppiando lo spessore dell’isolamento da 2,5 cm (isolamento standard) a 5 cm si riduce il consumo elettrico annuale di un frigorifero (capacità di 50 litri) da 250 a 125 kilowattora. ¹³ Con uno spessore dell’isolamento compreso tra 10 e 12,5 cm il consumo di elettricità si dimezza nuovamente arrivando a circa 60 kilowattora all’anno. Un isolamento ancora più spesso comporta una riduzione minore del consumo di elettricità e non è più attraente perché un isolamento più spesso aumenta anche il costo e le dimensioni del frigorifero. Lo studio riguarda un frigorifero AC a energia solare che funziona grazie a un inverter e una batteria, che è meno efficiente dal punto di vista energetico rispetto a un frigorifero a energia solare diretta. ↩︎
Gupta, B.L., Mayank Bhatnagar e Jyotirmay Mathur. “Dimensionamento ottimale del pannello fotovoltaico, della capacità della batteria e dello spessore dell’isolamento per un frigorifero domestico alimentato da fotovoltaico.” Tecnologie e valutazioni sull’energia sostenibile 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Questa massa termica può letteralmente essere un contenitore d’acqua posto all’interno del frigorifero. o alcune bottiglie d’acqua da bere. Ma l’acqua può essere conservata anche in serbatoi posti lungo il lato dell’elettrodomestico, dietro un rivestimento interno che li mantiene al loro posto e li nasconde alla vista. L’acqua ha una densità di accumulo del calore maggiore rispetto all’aria, mantenendo la temperatura stabile più a lungo. ↩︎
Ewert, M., et al. “Risultati dei test sul campo del frigorifero solare fotovoltaico a trasmissione diretta e senza batteria.” Atti del convegno solare. Società americana per l’energia solare; Istituto americano degli architetti, 2002. ↩︎ ↩︎
Questo vantaggio si applica solo se il frigorifero è installato in una stanza non riscaldata. L’abitudine moderna di posizionare il frigorifero in una cucina riscaldata quando la temperatura esterna in inverno è uguale o inferiore a quella del frigorifero è ovviamente assurdamente dispendiosa. Ma questo vantaggio non è valido nemmeno nei paesi tropicali, dove le temperature sono elevate tutto l’anno. ↩︎
L’uso dell’energia solare diretta per il raffreddamento degli ambienti non è stato analizzato in modo così approfondito come per i frigoriferi domestici. Vedi: Luerssen, Christoph, et al. “Analisi del costo del ciclo di vita (LCCA) di sistemi di raffreddamento alimentati da energia fotovoltaica con energia termica e accumulo di batterie per applicazioni off-grid.” Energia applicata 273 (2020): 115145. Inoltre, è improbabile che si ottengano risparmi energetici altrettanto grandi. Un frigorifero è sempre isolato, ma nel caso di una stanza o di un edificio raffreddato ad aria non è necessariamente così. Inoltre, in una stanza dove c’è una temperatura stabile è installato un frigorifero. Un edificio è soggetto a maggiori escursioni termiche e può essere riscaldato anche dall’irraggiamento solare diretto. Quindi il raffreddamento diretto dell’aria solare è molto più complicato. Vedi: Qi, Ronghui, Lin Lu e Yu Huang. “Analisi dei parametri e ottimizzazione delle prestazioni energetiche ed economiche del sistema di raffreddamento ad adsorbimento liquido assistito da energia solare in diverse condizioni climatiche.” Conversione e gestione dell’energia 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Cucina elettrica solare, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Vedi anche il PowerPoint dello stesso autore. ↩︎
Fornello elettrico solare isolato con accumulo termico solido, Andrew McCombs et al., 2022. Guarda anche questo video. ↩︎
Vedi: Ferreira, Carlos Infante e Dong-Seon Kim. “Revisione tecnico-economica delle tecnologie di raffreddamento solare basata su dati specifici della posizione.” Giornale internazionale di refrigerazione 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Sviluppo e test di un frigorifero domestico potenziato dal PCM con l’uso di un compressore CC miniaturizzato per luoghi deboli/fuori rete.” Giornale internazionale di energia verde 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping et al. “Analisi delle caratteristiche dinamiche di efficienza energetica di un sistema di accumulo solare fotovoltaico solare distribuito a trasmissione diretta.” Edilizia e ambiente 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Tecnologie fotovoltaiche e fotovoltaiche termiche per scopi di refrigerazione: una panoramica.” Rivista araba per la scienza e l’ingegneria 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Per mancanza di ricerche, non è chiaro se lo stesso valga per il consumo energetico integrato. ↩︎
In entrambi i casi, però, è necessario bypassare l’interruttore del dispositivo, perché l’elettricità DC produce più calore dell’elettricità AC. Un interruttore esterno adatto può invece aiutare, ma così facendo si bypassa il meccanismo di sicurezza del dispositivo, il che ovviamente rappresenta un rischio. 10 Anche in questo caso non è necessariamente così: è tecnicamente possibile realizzare dispositivi adatti all’energia solare diretta. ↩︎
Un compressore a velocità fissa può utilizzare in modo utile solo il 50% dell’energia solare prodotta, mentre un compressore a velocità variabile ne utilizza circa il 75% in modo utile. ¹⁵ È necessario un condensatore da 15 per fornire energia al compressore durante la fase di avviamento. ↩︎
Al posto del convertitore DC-DC è possibile installare anche una piccola “batteria tampone” e un regolatore di carica. Come un convertitore DC-DC, il regolatore di carica garantirà una tensione di uscita stabile. Inoltre, la piccola batteria può fornire un limitato accumulo di energia che può essere utile per gestire brevi picchi di consumo energetico. Ad esempio, alcuni dispositivi presentano un picco di corrente durante la ricarica. Lo svantaggio di una batteria tampone è che i costi e l’energia incorporata aumentano e i componenti aggiuntivi possono guastarsi. Un condensatore è una tecnologia alternativa per assorbire i picchi di potenza. ↩︎
Tuttavia, l’utilizzo di dispositivi a corrente continua a bassa tensione è molto più efficiente dal punto di vista energetico perché i pannelli solari producono anche corrente continua a bassa tensione: https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of -potenza-cc/ ↩︎
Manuale di costruzione del fornello solare isolato, Living Energy Farm. Manuale del fornello elettrico solare isolato, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Manuale del forno Roxy, Living Energy Farm. Video presentazione cucine elettriche solari manuali, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video manuale per realizzare fili scaldanti. Accumulo di calore termico: Fornello elettrico solare isolato con accumulo termico solido, Andrew McCombs et al., 2022. Guarda anche questo video. ↩︎