Una modellazione analisi condotto dall’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, fornisce il primo sguardo dettagliato su come l’energia geotermica può alleviare il sistema di energia elettrica e ridurre le emissioni di carbonio se ampiamente implementata in tutti gli Stati Uniti entro i prossimi decenni.
Lo studio ORNL prevede come le pompe di calore geotermiche che traggono il riscaldamento e il raffreddamento dal suolo migliorerebbero l’affidabilità della rete e ridurrebbero i costi e le emissioni di carbonio se ampiamente utilizzate. Crediti: Chad Malone/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
I ricercatori hanno creato un modello di simulazione dell’implementazione di massa delle pompe di calore geotermiche, o GHP, negli edifici commerciali e residenziali dal 2022 al 2050. I risultati della simulazione hanno indicato che se le GHP, note anche come pompe di calore geotermiche, fossero implementate su scala nazionale insieme ai miglioramenti dell’involucro edilizio delle case unifamiliari, lo stress sulla rete elettrica verrebbe alleviato, i costi energetici abbassati e le emissioni di anidride carbonica ridotte sostanzialmente.
“Le GHP sono state tradizionalmente viste come una tecnologia per l’efficienza energetica degli edifici”, ha affermato Xiaobing Liu dell’ORNL, che è stato il ricercatore principale dello studio. “Questa analisi ha rilevato che i GHP hanno un enorme impatto sui sistemi di energia elettrica riducendo i requisiti di capacità, generazione e trasmissione, nonché le emissioni di carbonio”.
Numeri rivoluzionari
I GHP forniscono un’alternativa ecologica ed efficiente dal punto di vista energetico ai sistemi convenzionali di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria o HVAC. Funzionano trasferendo il calore da e verso il terreno attraverso tubi sotterranei. Il sistema di tubazioni estrae il calore dal terreno per riscaldare gli edifici in inverno mentre utilizza il terreno come dissipatore di calore per rinfrescare gli edifici in estate.
Liu ha affermato che l’implementazione di massa dell’energia idroelettrica sia negli edifici commerciali che residenziali, insieme ai miglioramenti dell’involucro edilizio nelle case unifamiliari, può ridurre più di 7.000 milioni di tonnellate di emissioni di carbonio fino al 2050, con una riduzione di oltre 3.000 milioni di tonnellate derivante dal settore elettrico e la restante parte derivante dalla sostituzione del gas naturale per il riscaldamento nel settore edilizio.
“È risaputo che i GHP sono utili per ridurre i costi energetici degli edifici grazie alla loro elevata efficienza e capacità di fornire calore senza l’acquisto di carburante, con conseguente zero emissioni in loco”, ha affermato Liu. “Fino ad ora, però, pochi studi hanno studiato gli impatti dell’implementazione su larga scala delle GHP sulla rete elettrica”.
I ricerca Profili di carico del consumo energetico. Lo studio, primo nel suo genere, simula gli impatti sull’uso dell’energia se le GHP fossero implementate nel 68% della superficie degli edifici esistenti e nuovi negli Stati Uniti contigui.
I ricercatori hanno studiato tre scenari: continuare a gestire la rete così com’è oggi; raggiungere una riduzione delle emissioni di rete del 95% entro il 2035 e del 100% di elettricità pulita entro il 2050; ed espandere la decarbonizzazione della rete per includere l’elettrificazione di ampie porzioni dell’economia, compreso il riscaldamento degli edifici. Il team di analisi ha modellato ciascuno di questi tre scenari con e senza l’implementazione di massa delle GHP abbinata a miglioramenti dell’involucro edilizio nelle case unifamiliari.
“I risultati sono stati sviluppati utilizzando le attuali capacità degli strumenti e dei dati esistenti”, ha aggiunto Liu. “Abbiamo combinato il modello Regional Energy Deployment System di NREL e PLEXOS, un software commerciale per una simulazione più dettagliata dei sistemi di energia elettrica, per eseguire simulazioni pluriennali dei sistemi di energia elettrica statunitensi in diversi scenari in regioni contrastanti, in diverse stagioni e durante i periodi di picco e di minimo domanda di energia”.
Sebbene i risparmi nella domanda di elettricità e la riduzione delle emissioni di carbonio siano stati realizzati in quasi tutte le regioni del paese, le simulazioni hanno indicato che nei climi freddi, le GHP sono più efficaci nel ridurre le emissioni di carbonio e il consumo di energia rispetto ai sistemi HVAC convenzionali come risultato dello spostamento delle risorse naturali. forni a gas e riducendo l’uso di riscaldatori elettrici.
Nei climi più caldi, come nel Sud e in altre zone climatiche più miti, i GHP generano maggiori risparmi di elettricità. La riduzione di picco della domanda elettrica è maggiore anche nelle aree densamente popolate del Sud.
“Abbiamo dimostrato che un’implementazione di massa di GHP, abbinata a miglioramenti dell’involucro edilizio, può ridurre la produzione e il fabbisogno di capacità del sistema elettrico statunitense fino all’11% e al 13%, rispettivamente, nel 2050”, ha affermato Liu. “Anche il picco della domanda elettrica in alcune zone climatiche calde può essere ridotto fino al 28%, il che faciliterà le operazioni di rete”.
Queste percentuali si traducono in un risparmio di circa 600 terawattora di elettricità nel 2050 e nell’eliminazione di oltre 5.000 miliardi di megajoule di combustibili fossili, che equivalgono al 5% dell’energia primaria consumata negli Stati Uniti nel 2022, compreso gas naturale, gasolio da riscaldamento e propano.
Se la diffusione del GHP dovesse aumentare costantemente dal 2022 al 2050, si risparmierebbero anche più di 300 miliardi di dollari di pagamenti cumulativi per l’elettricità. Liu ha affermato che ciò richiederebbe l’implementazione di circa cinque milioni di GHP all’anno.
Diminuzione delle interruzioni
Poiché gli eventi meteorologici estremi continuano a mettere a dura prova la rete elettrica, negli ultimi anni si sono verificati prolungati blackout o interruzioni di corrente. I GHP potrebbero essere una soluzione per migliorare la stabilità della rete. Per dimostrarne la capacità, lo studio ha analizzato l’impatto dell’implementazione di massa del GHP sulla rete elettrica del Texas, che ha subito una significativa perdita di potenza a causa delle tempeste invernali nel 2021.
“Durante questi intensi eventi meteorologici, l’impiego di massa di GHP avrebbe potuto migliorare il funzionamento della rete riducendo la domanda totale di elettricità”, ha affermato Liu. “Questa analisi preliminare può fornire informazioni approfondite al Texas e ad altre regioni che hanno registrato una domanda di elettricità più elevata di quella che le centrali elettriche possono fornire durante periodi di maltempo prolungato”.
Liu ha affermato che, sebbene la valutazione iniziale indichi che l’implementazione di massa delle GHP può migliorare l’affidabilità della rete in Texas, è necessaria un’analisi più dettagliata per ottenere un quadro preciso di come potrebbero funzionare nelle diverse regioni.
Jamie Lian, che ha svolto il ruolo di coinvestigatore dello studio, ha aggiunto che se le GHP dovessero essere implementate in tutti gli Stati Uniti, molte installazioni verrebbero effettuate da servizi pubblici in sistemi su scala distrettuale in modo che la perforazione del terreno possa essere sfruttata in numerosi edifici. Lo studio fornisce una base affinché le aziende di pubblica utilità possano valutare l’investimento nella realizzazione delle GHP.
“Un vantaggio duraturo di questo studio è che abbiamo sviluppato un’analisi a livello nazionale che si estende dall’analisi degli edifici all’impatto regionale e all’intera rete”, ha affermato Lian.
Strumenti tempestivi
Per comprendere meglio i costi e i benefici delle applicazioni GHP, il team di ricerca dell’ORNL ha sviluppato uno strumento web-friendly per i consumatori per stimare i costi e i benefici dell’applicazione delle GHP negli edifici residenziali e commerciali.
IL strumento gratuito è apertamente accessibile a proprietari di case, costruttori, installatori e produttori. Consente agli utenti di calcolare il risparmio energetico che può essere ottenuto dai GHP se installati in qualsiasi tipo di edificio residenziale o commerciale in qualsiasi zona climatica degli Stati Uniti. Lo strumento ha sfruttato gli ORNL AutoBEM software, che può creare automaticamente un modello di simulazione energetica dell’edificio per quasi tutti gli edifici esistenti nella nazione sulla base di informazioni minime, tra cui l’impronta dell’edificio, l’annata, la funzione principale e altre informazioni dai modelli di edificio prototipo del DOE.
“Quando si verifica un massiccio dispiegamento di sistemi GHP, ora abbiamo un punto di partenza per come sarebbe in termini di capacità, generazione, emissioni, costi e resilienza per i sistemi di energia elettrica”, ha affermato Liu. “Quella foto sembra molto promettente.”
Oltre a Liu e Lian, i ricercatori che hanno contribuito allo studio includono Xiaofei Wang, Mini Malhotra, Yanfei Li e Jyothis Anand dell’ORNL; Jonathan Ho e Weijia Liu dell’NREL; e Sean Porse e Jeff Winick, del DOE.
L’analisi è stata finanziata dall’Ufficio per le tecnologie geotermiche del DOE.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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