Transizione energetica attraverso l’elettrificazione – un fattore chiave per un mondo a "emissioni nette zero"

Con il termine "elettrificazione" si intende il passaggio di tecnologie e processi che un tempo dipendevano da fonti di energia non elettriche - ad esempio, i combustibili fossili - all'alimentazione elettrica, generata magari da fonti rinnovabili quali l'energia solare, eolica e idroelettrica. Il vantaggio principale è la riduzione delle emissioni di gas serra (GHG).

Nel settore energetico, per raggiungere gli obiettivi di "emissioni nette zero" entro il 2050 è necessario sfruttare tutte le opzioni disponibili per ridurre le emissioni di anidride carbonica e l’elettrificazione gioca un ruolo fondamentale in quanto sarà probabilmente la misura più impattante di riduzione del carbonio in questo settore tra il 2030 e il 2050 e seconda solo all'eolico e al solare fotovoltaico (FV) dal 2022 al 2030. Inoltre, prima della fine del 21^o secolo, sarà necessario non superare la soglia di 1,5 °C dell’Accordo di Parigi sul clima.

La riduzione delle emissioni legata all’elettrificazione è dovuta soprattutto all'abbandono dei combustibili fossili per fonti di energia rinnovabile - e le tecnologie che lo permettono sono già disponibili oggi.

Per raggiungere la neutralità carbonica, tutti i settori industriali dovranno esplorare parallelamente diversi percorsi, tra cui il miglioramento dell’efficienza, i sistemi di cattura e sequestro del carbonio (CCS) e il passaggio all'idrogeno come carburante.

Per raggiungere gli obiettivi di "emissioni nette zero" stabiliti a livello globale e locale sarà necessario ridurre le emissioni di gas serra nel settore dei trasporti, del riscaldamento e in tutti quegli ambiti industriali in cui oggi si utilizzano combustibili fossili, con la consapevolezza che il lavoro di riduzione del carbonio non sarà né facile né poco costoso. Le sezioni che seguono presentano le opportunità specifiche di ogni settore per la transizione energetica.

Le percentuali esatte variano a seconda dell'area geografica ma, per il loro uso massiccio di combustibili fossili, i trasporti sono senz'altro tra le principali fonti di emissioni di gas serra. L’elettrificazione dei veicoli leggeri è in aumento ma rappresenta attualmente meno dell’1% del consumo energetico totale del settore; ciò significa che, tra veicoli leggeri, medi e pesanti, c'è un enorme margine di crescita.

Attualmente, Cina, Europa e Stati Uniti dominano il mercato dei veicoli e dei veicoli elettrici con la Cina che, spinta anche dalla mancanza di forniture nazionali di petrolio, ha messo in campo politiche di sostegno e incentivi governativi che ne fanno il "numero uno" per vendite di veicoli elettrici.

Sul mercato, i veicoli elettrici devono fare i conti con una serie di fattori esterni che li penalizzano, tra cui i più significativi sono le barriere imposte da infrastrutture di ricarica limitate e gli elevati costi iniziali, attribuibili principalmente ai costi delle batterie. Inoltre, l'aumento del numero di veicoli elettrici può mettere a dura prova la capacità delle reti elettriche locali ma, in alcune zone, questo problema può essere in qualche modo superato espandendo strategicamente la capacità delle reti attraverso la produzione locale di energia con microreti solari.

I veicoli pesanti devono confrontarsi anche con altri ostacoli. I requisiti di carico utile dei camion, ad esempio, rendono difficoltosa la progettazione di veicoli elettrici a causa del peso elevato delle batterie. Inoltre, i vettori a lungo raggio devono spesso percorrere centinaia o migliaia di chilometri al giorno e questo non sarebbe possibile con operazioni di ricarica lunghe e frequenti e stazioni di ricarica limitate. Senza innovazioni volte a ridurre i tempi di ricarica e a migliorare il rapporto peso/energia delle batterie, questi problemi continueranno a impedire la sostituzione con veicoli elettrici delle flotte esistenti di camion alimentati a combustibili fossili. Anche il costo totale di proprietà ha la sua importanza e, sebbene i camion elettrici siano meno costosi da gestire, l'elevato investimento iniziale può rappresentare un ostacolo per i trasportatori.

Per l'industria aeronautica, l'elettrificazione è invece assolutamente fuori discussione a causa dell'enorme peso che avrebbe un numero di batterie sufficiente a innescare la propulsione. Per ridurre le emissioni, il settore sta studiando l'uso di biocarburanti sostenibili per aviazione e adottando iniziative di ottimizzazione operativa.

Gli edifici utilizzano già l'elettricità per il raffrescamento degli ambienti, la refrigerazione, l'illuminazione e le apparecchiature informatiche ma si può intervenire anche sui sistemi di riscaldamento degli spazi e dell'acqua, molti dei quali sono alimentati a propano, gas naturale o gasolio.

Le pompe di calore elettriche sono state utilizzate per decenni per riscaldare e raffreddare in modo efficiente le case nei climi temperati ma hanno difficoltà a funzionare efficacemente a temperature sotto zero. Tuttavia, le recenti innovazioni - come i compressori con inverter a velocità variabile - consentono di utilizzare il sistema a temperature ben inferiori a -12 °C (10.4 °F).

Sebbene l'efficienza della pompa di calore geotermica sia ineguagliabile, gli elevati costi di capitale per convertire le unità a gas naturale possono rappresentare un ostacolo. In questo settore, le nuove costruzioni rappresentano spesso la migliore opportunità per elettrificare perché, presumibilmente, sono già stati fatti investimenti iniziali elevati. Inoltre, il risparmio sulle future spese di esercizio e la ridotta impronta di carbonio possono spesso giustificare spese aggiuntive di capitale.

Nel complesso, l’elettrificazione degli edifici mediante la tecnologia basata sulle pompe di calore, combinata a una generazione di elettricità più pulita, rappresenta un percorso importante per raggiungere gli obiettivi climatici.

Nell'industria, ci sono ancora molti asset e processi che potrebbero essere elettrificati, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili con energia "net-zero". La più grande opportunità di elettrificazione è quella offerta dai processi termici a bassa temperatura, come l'essiccazione degli alimenti, la produzione di bevande, la lavorazione della carta e le applicazioni dell'industria leggera. Ciò include tutti i processi necessari a generare calore fino a circa 400 °C (752 °F).

L'industria delle bevande può elettrificare i processi prima alimentati a gas naturale e olio combustibile. I processi di produzione che si basavano sui combustibili fossili per riscaldare acqua e vapore possono utilizzare attrezzature specializzate, tra cui evaporatori a ricompressione meccanica del vapore, essiccatori a vapore e caldaie elettriche. Gli esperti stimano che oltre il 50 percento di tutti i combustibili fossili consumati dai produttori per alimentare i processi potrebbe essere sostituito con l'elettricità, favorendo la transizione energetica.

Il ritmo dell'elettrificazione dei processi industriali che richiedono alte temperature, 1000 °C (1.832 °F) e oltre, dipende dallo sviluppo di nuove tecnologie elettriche che permettano di sostituire apparecchiature con cicli di vita estesi in settori quali la produzione di acciaio e cemento. Si sta lavorando, ad esempio, allo sviluppo di forni ad arco elettrico in grado di sostituire gli altiforni tradizionali, emettendo emissioni notevolmente inferiori.

Nel suo complesso, il settore industriale emette gas serra in diversi modi. Ci sono le emissioni indirette - per l'elettricità derivante da combustibili fossili - e quelle dirette, dovute alla combustione di combustibili fossili e alla generazione di energia, per non parlare dei sottoprodotti dei processi e delle perdite. L’elettrificazione può ridurre le emissioni generate da tutte queste fonti, anche se i costi iniziali e operativi sono spesso più elevati.

Ogni discussione sull'elettrificazione non può prescindere dalle batterie e dalla loro tecnologia. Le batterie sono una componente essenziale della transizione energetica, soprattutto per quanto riguarda il trasporto mobile elettrificato e l'accumulo su scala di rete che può risolvere il problema delle fonti di energia intermittenti, tra cui l'energia solare e quella eolica. Le batterie possono anche rendere possibile la generazione di energia mobile per dispositivi e sistemi, in sostituzione di piccoli generatori, impianti fissi e attrezzature mobili.

Esistono diversi progetti per batterie di nuova concezione che, insieme ai recenti progressi nella scienza dei materiali, consentiranno di migliorare la chimica e l'efficienza delle batterie. In genere, le batterie agli ioni di litio sono preferibili per la loro elevata efficienza energetica e il lungo ciclo di vita rispetto ad altri materiali. Queste batterie hanno beneficiato delle economie di scala e attualmente rappresentano la principale tecnologia per l'accumulo su scala di rete.

La batteria è composta da un anodo, un catodo, un separatore, un elettrolita e due collettori di corrente - positivo e negativo. L'anodo e il catodo immagazzinano il litio, mentre l'elettrolita trasporta gli ioni di litio caricati positivamente dall'anodo al catodo e viceversa, attraverso il separatore. Il movimento degli ioni di litio crea elettroni liberi nell'anodo generando una carica nel collettore di corrente positivo. La corrente elettrica scorre quindi dal collettore di corrente, attraverso il dispositivo alimentato, fino al collettore di corrente negativo. Il separatore blocca il flusso di elettroni all'interno della batteria, consentendo il passaggio degli ioni di litio.

Il vantaggio principale per le batterie dei veicoli elettrici e per quelle di accumulo in rete è la capacità di accettare, immagazzinare e rilasciare elettricità su richiesta, in modo simile ai sistemi idroelettrici a pompaggio. 

Sfruttare i vantaggi delle batterie per l’elettrificazione crea nuove sfide legate alle materie prime necessarie per la loro produzione. L'approvvigionamento responsabile dei minerali delle batterie è una questione importante nell'agenda globale della sostenibilità; quindi l'estrazione di questi materiali dovrebbe avvenire facendo riferimento a partner di fiducia, competenti in materia di soluzioni per batterie. 

Come la maggior parte delle batterie, quelle dei veicoli elettrici sono composte principalmente da minerali critici per la transizione energetica (ETM), chiamati anche solo "minerali critici". Attualmente, la maggior parte delle batterie dei veicoli elettrici è agli ioni di litio e contiene quantità variabili di ETM, tra cui litio, cobalto, nichel e grafite. In un contesto di economia circolare, molti di questi materiali possono essere riutilizzati e riciclati, a differenza di quanto accade per i veicoli a benzina che si basano sull'estrazione e sulla combustione continua di combustibili fossili. Altri elementi delle terre rare sono necessari nei motori elettrici dei veicoli e nei magneti permanenti delle turbine eoliche, come il rame.

Le catene di fornitura sostenibili devono migliorare costantemente la tracciabilità di questi materiali. I produttori di batterie possono sfruttare la profonda competenza di aziende come Endress+Hauser nel supportare iniziative di audit e certificazione della strumentazione.

Informazioni adeguate e confronti trasparenti su costi, fattibilità tecnologica e impatto ambientale sono fondamentali per assumere decisioni in materia di elettrificazione ma questi dati sono troppo spesso incompleti o mancanti. In molti settori, quando devono scegliere tra soluzioni convenzionali ed elettrificate, i clienti semplicemente non sono consapevoli o sono addirittura male informati su queste implicazioni e sulla disponibilità di incentivi governativi.

Fortunatamente, l’elettrificazione e altre tecnologie a basse emissioni di carbonio sono sempre più diffuse e meno costose sia nei mercati industriali che in quelli di consumo, con progressi ed economie di scala che favoriscono l'affermarsi di questa tendenza. Per raggiungere gli obiettivi di "emissioni nette zero", aziende e governi devono continuare a sottoscrivere e sostenere impegni di sostenibilità, sfruttando l'elettrificazione e altri metodi per ridurre le emissioni di anidride carbonica nei settori dei trasporti, del riscaldamento e dell'industria.