Con l'arrivo del clima invernale, il caldo si accende nei circa un milione di edifici di New York City. La maggior parte dei forni o delle caldaie di questi edifici funziona con combustibili fossili come gas naturale e petrolio; di conseguenza, il riscaldamento e l'acqua calda rappresentano circa il 42% delle emissioni totali di gas serra della città.

Vijay Modi, professore nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Columbia University e membro di facoltà dell'Earth Institute, e il suo gruppo di ricerca stanno studiando come decarbonizzare il riscaldamento. La sua soluzione? Pompe di calore che funzionano con l'elettricità, perché man mano che sempre più elettricità proviene da energia rinnovabile, "è molto più facile e conveniente rendere l'elettricità verde che produrre un combustibile verde".

"I decisori politici hanno riconosciuto il valore delle pompe di calore, " Egli ha detto, "E fanno parte degli obiettivi di efficienza energetica del governatore dello Stato di New York, che entro il 2030, dovremmo avere il 25% del riscaldamento da pompe di calore."

Il riscaldamento elettrificato è importante per il resto della nazione, pure. Per evitare gli impatti catastrofici del cambiamento climatico, dobbiamo ridurre le nostre emissioni di carbonio a zero il prima possibile. Secondo un rapporto del 2018 del Rocky Mountain Institute, raggiungere obiettivi di "decarbonizzazione profonda" di riduzione delle emissioni di gas serra del 75% o più comporterà, tra le altre misure, eliminare la maggior parte delle emissioni prodotte dalla combustione del gas naturale, olio o propano nelle case e nelle aziende americane per il riscaldamento e l'acqua calda.

Cos'è una pompa di calore?

Modi descrive le pompe di calore, in uso dagli anni '40, come condizionatori d'aria con hardware interno e controlli che consentono loro di funzionare al contrario.

Un tipo popolare di pompa di calore ha un'unità esterna contenente un compressore e un condensatore che funziona con un'unità interna (sebbene le pompe di calore possano anche essere contenute in un'unità). Nella stagione calda, una pompa di calore funziona come un condizionatore d'aria, estrarre calore dall'aria all'interno della casa e trasferirlo all'esterno, rinfrescare la casa.

Nei mesi freddi, trae calore dall'aria esterna e lo trasferisce all'interno; controintuitivamente, anche quando fa freddo, l'aria esterna contiene abbastanza calore per riscaldare la tua casa. Mentre la maggior parte delle pompe di calore trasferisce il calore dall'aria, sono presenti pompe geotermiche e ad acqua che trasferiscono calore dal terreno o da una vicina sorgente d'acqua; altri fungono da scaldabagni.

Le pompe di calore sono più efficienti dal punto di vista energetico dei forni e delle caldaie poiché invece di generare calore, spostano semplicemente il calore da un luogo all'altro, e possono sia riscaldare che raffreddare la casa. Forniscono il riscaldamento e il raffreddamento più efficienti disponibili, producendo da due a quattro unità di calore per ogni unità di energia utilizzata:un forno a gas produce poco meno di un'unità di calore per unità di energia.

Rispetto ai forni e al riscaldamento a battiscopa, le pompe di calore possono ridurre il consumo di energia del 50 percento. E secondo uno studio del Natural Resources Defense Council (NRDC), nel corso della sua vita, una nuova pompa di calore ad aria può ridurre le emissioni di gas serra dal 46 al 54% rispetto alle alternative a gas naturale.

Come passare alle pompe di calore

La decarbonizzazione del riscaldamento a New York City è impegnativa a causa della densità della città, grande richiesta di energia, infrastrutture obsolete, varietà di tipologie edilizie, e vincoli di spazio. Il Quadracci Sustainable Engineering Lab di Modi sta studiando come potrebbe essere fatto, studiando i benefici del riscaldamento elettrizzante, e affrontare i potenziali problemi che potrebbero sorgere.

Quando il gas naturale è diventato più economico del petrolio, molti edifici di New York sono stati convertiti dal petrolio al gas. Ma poiché i costi iniziali per sostituire un sistema a gas naturale esistente con una soluzione interamente a pompa di calore sono elevati, Modi dubita che la maggior parte delle persone opterebbe per farlo. Anziché, essere conveniente, retrofit potrebbero installare pompe di calore da utilizzare la maggior parte del tempo, accanto agli impianti di riscaldamento esistenti.

Ha spiegato che gli edifici con un forno che riscalda l'aria e la distribuisce potrebbero anche incorporare una pompa di calore nel suo circuito per riscaldare l'aria. Sarebbe necessario un piccolo retrofit. Un grande grattacielo rappresenterebbe una sfida maggiore perché richiederebbe una pompa di calore di dimensioni industriali, che sarebbe difficile da adattare.

Le pompe di calore potrebbero essere più facilmente adottate anche quando gli edifici devono aggiungere o sostituire impianti di condizionamento o a gas naturale, aggiornare i propri impianti elettrici, o fare lavori di ristrutturazione dell'intestino. E le nuove costruzioni potrebbero facilmente fare affidamento interamente su pompe di calore elettriche.

Preoccupazioni per le pompe di calore

Ci sono preoccupazioni su cosa potrebbe accadere se fosse necessaria sempre più elettricità per il riscaldamento in inverno. La domanda di energia elettrica a livello di sistema attualmente raggiunge il picco in estate con l'uso dell'aria condizionata; Modi sostiene che abbiamo la capacità di aumentare l'utilizzo della pompa di calore fino a raggiungere un picco invernale comparabile. Come arrivare e oltre, le risorse eoliche potrebbero fornire una soluzione. "Abbiamo ottime risorse eoliche off-shore proprio qui a New York City, " ha detto Modi. "È un ottimo match per il riscaldamento, poiché in inverno otteniamo venti più forti che consentirebbero a una quantità crescente di calore di provenire dall'energia eolica".

Un altro problema è che il cablaggio elettrico di molti edifici potrebbe non essere in grado di accogliere l'elettricità extra necessaria alle pompe di calore, che funzionano a 220/240 volt. Modi ha suggerito che i condizionatori per finestre che funzionano a 220/240 volt potrebbero essere sostituiti da pompe di calore (che raffreddano anche). "Per la maggior parte del tuo riscaldamento, quando è sopra lo zero, potresti stare bene, " disse. E a New York City, almeno, "potrebbe essere il 60 percento del fabbisogno di riscaldamento. Inoltre ridurresti anche le emissioni."

Le prospettive per il futuro

Secondo Forbes, "L'economia globale del futuro sarà guidata dall'elettricità e riscaldata/raffreddata dall'elettricità, non solo alimentata da essa".

Il Rocky Mountain Institute ha citato diversi fattori che potrebbero aiutare ad accelerare questa transizione e rendere le pompe di calore più convenienti. Man mano che le pompe di calore prendono piede e i produttori realizzano economie di scala, i prezzi diminuiranno. La tecnologia intelligente che può aiutare a spostare il tempo del consumo di energia potrebbe, Per esempio, consentire alle pompe di calore di preriscaldare una casa nel primo pomeriggio quando le tariffe elettriche potrebbero essere più basse e aiutare a integrare più energia rinnovabile nella rete. Il prezzo del carbonio potrebbe invogliare più persone a installare pompe di calore.

Anche con la nostra attuale rete elettrica nello Stato di New York, però, l'elettrificazione del riscaldamento riduce le emissioni di gas serra. E con una rete sempre più alimentata da rinnovabili, le emissioni di riscaldamento potrebbero essere prevedibilmente eliminate del tutto.

"Potrebbe benissimo essere che nei prossimi 20 anni, scopriremo come rendere l'elettricità sempre verde ed economica. Quindi useremmo sempre le pompe di calore, " ha detto Modi. "Ma il percorso per farlo è difficile:mentre facciamo questa transizione, deve essere conveniente".

Per la costruzione di nuove case, lo studio NRDC ha stabilito che in California, l'installazione di pompe di calore elettriche invece di sistemi a gas naturale potrebbe far risparmiare $ 1 ai proprietari di case, 500 in anticipo, e centinaia di dollari ogni anno in costi operativi. Ma dal momento che i costi iniziali per l'installazione o il retrofit delle pompe di calore possono scoraggiare alcune persone dall'effettuare il passaggio, servizi di pubblica utilità, governi, e i produttori devono promuovere la tecnologia delle pompe di calore e renderla più accessibile. Gli incentivi finanziari sono fondamentali. "Stiamo dando grandi incentivi per l'acquisto di un'auto elettrica, " disse Modi. "Ma dollaro per dollaro, sarebbe molto meglio farlo per il riscaldamento... perché la riduzione delle emissioni sarebbe molto significativa per la stessa quantità di denaro."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.