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Un forno solare per un cemento più sostenibile

Un nuovo progetto basato sulla tecnologia CSP potrebbe contribuire alla riduzione delle emissioni generate dalla produzione di cemento e altri materiali.

di Chris Dalby
12 marzo 2020
11 min di lettura
diChris Dalby
12 marzo 2020
11 min di lettura

Uno dei principali problemi dell’energia solare è rappresentato dal fatto che l’attuale tecnologia dei pannelli solari non riesce a generare le altissime temperature necessarie ad alimentare processi industriali come la produzione di cemento, vetro o acciaio.
La compagnia californiana Heliogen potrebbe presto cambiare lo status quo. La startup, infatti, sta lavorando segretamente a un “forno solare” che può generare temperature superiori ai 1.000° C. Basato sui CSP (Concentrating Solar Power, o sistemi a concentrazione solare), questo forno è formato da centinaia di specchi solari che riflettono la luce del sole verso una turbina a vapore. L’energia solare surriscalda l’acqua producendo vapore, che a sua volta genera energia.
Con l’aiuto di un potente alleato, Bill Gates, Heliogen è decisa a migliorare la tecnologia CSP.
Una volta che Heliogen riuscirà a generare temperature di 1.500 gradi, potrebbe creare un’alternativa a zero emissioni per l’industria pesante. Niente male, considerato che la sola produzione di cemento è responsabile di una parte considerevole di tutte le emissioni di CO2. Nel 2015, ad esempio, l’industria del cemento ha emesso 2,8 miliardi di tonnellate di CO2, ovvero l’8% delle emissioni totali su scala globale, superando di gran lunga le compagnie aeree (responsabili del 2,5%) e raggiungendo quasi le emissioni del settore agricolo (11%).
Senza innovazioni volte a rendere più pulita la produzione, l’impatto del cemento sui gas serra difficilmente potrà calare, soprattutto se consideriamo che l’utilizzo globale del cemento sta subendo un’impennata. Il mercato internazionale del calcestruzzo e del cemento è cresciuto a un ritmo medio del 7% tra il 2014 e il 2018, e si prevede che aumenterà sino all’11% l’anno fino al 2020, sollecitato dalla domanda del mercato immobiliare e dai bassi interessi sui mutui nei paesi industrializzati.
Sono stati suggeriti tanti modi per ridurre le emissioni causate dall’industria cementizia, come ad esempio utilizzare materiali più puliti e alternativi nel processo produttivo, rendere più efficienti i forni o alimentarli con biocarburanti. Tuttavia, i progressi di Heliogen rimangono tra i più interessanti.
Il potenziale di Heliogen è finito in prima pagina nel novembre del 2019, quando la compagnia ha annunciato che Bill Gates aveva investito nella startup. Negli ultimi anni, Gates ha sostenuto diversi potenziali progetti rivoluzionari nel campo dell’energia, incluso un sostanzioso investimento a favore di Commonwealth Fusion Systems, società americana che ha compiuto notevoli passi avanti nella fusione nucleare anche grazie al supporto di Eni.

SLOVENIA/

L’industria del cemento è responsabile di una parte considerevole di emissioni di CO2

Come funziona il forno solare?

Il “forno solare” creato da Heliogen nel deserto del Mojave in California è formato da 400 specchi solari (eliostati), ciascuno dotato di un conduttore algoritmico che direziona i raggi solari verso una torre specifica. La stessa torre, descritta come "un occhio di Sauron industriale", accumula energia solare a temperature di 1.800° C, “circa un quarto della temperatura della superficie del sole”.
Questo calore estremo può poi essere applicato a processi industriali pesanti, fornendo l’energia necessaria per produrre cemento, acciaio o vetro. L’appeal è evidente: sostituendo i combustibili fossili e le alte emissioni dell’attuale settore del cemento con energia pulita, questa tecnologia si rivelerebbe un potenziale punto di svolta.
“Stiamo presentando una tecnologia in grado di contrastare il prezzo dei combustibili fossili senza causare emissioni di CO2”, ha spiegato Bill Gross, fondatore e CEO di Heliogen, alla CNN Business. “Ed è davvero una manna dal cielo”.
Heliogen ha già installato un piccolo forno per il cemento in cima alla torre Heliomax, per dimostrare che il calcare può essere scomposto in calce e anidride carbonica e poi successivamente ricomposto in cemento, insieme ad altri materiali. Ha funzionato, anche se un primo tentativo era già stato portato avanti con successo da Solpart, un progetto francese, nel 2018.

Ostacoli globali

Come qualsiasi tecnologia potenzialmente rivoluzionaria, Heliogen deve affrontare problemi reali. Il primo è passare dalla mera prova di fattibilità all’applicazione globale, il secondo è rappresentato dall’ampio spazio richiesto da questi forni solari. Infine, la quantità prodotta da Heliogen non è che una minima parte di quella necessaria per produrre cemento su scala industriale.
Come ammesso sia da Solpart sia da Heliogen, ampliare la tecnologia non sarà semplice. L’industria del cemento richiede la produzione 24 ore su 24 di migliaia di migliaia di tonnellate di cemento. Riusciranno i forni solari a farsi carico di questa portata costante a prezzi convenienti?
Occorreranno ulteriori ricerche per dimostrare che questi sistemi di specchi solari gestiti tramite computer possono essere replicati su scala mondiale. Ciò che funziona nel sito di collaudo di Heliogen potrebbe non essere universalmente applicabile. Anche se la tecnologia può essere prodotta su scala e fornita a un prezzo vantaggioso, le variazioni globali del clima, le condizioni topologiche e la portata individuale delle aziende produttrici di cemento giocheranno un ruolo cruciale.
In un’intervista a Wired, Jan Baeyens, manager di European Powder & Process Technology, ha spiegato che, per via della variabilità legata alla disponibilità della luce solare, molte aziende produttrici di cemento farebbero meglio a cercare una soluzione ibrida per la produzione del proprio prodotto, unendo ad esempio l’energia solare alla biomassa. E persino i vertici di Heliogen ammettono che solo metà circa dei cementifici nel mondo dispone dello spazio necessario per installare un sistema Heliomax, a prescindere dal loro interesse.

I problemi dell’energia solare concentrata

Heliogen deve affrontare un’altra sfida tecnologica: dimostrare una volta per tutte che l’energia solare a concentrazione (CSP) non è un’utopia.
Sino ad oggi, la CSP ha fatto fatica a decollare, pur essendo stata impiegata in diversi progetti ambiziosi. Il più interessante sino ad ora, la centrale solare di Ivanpah in California, impiega 173.500 eliostati da due specchi ciascuno, che riflettono l’energia solare su tre torri. Nel 2013, anno della sua inaugurazione, era la centrale solare più grande al mondo, anche se è stata successivamente superata dalla centrale di Noor a Ouarzazate, in Marocco. Il culmine di questa gigantesca installazione sarebbero state tre centrali elettriche CSP separate, per un totale di 500 megawatt combinati, incorporando ore di accumulo di energia.
Ma i punti deboli di Ivanpah hanno rischiato di stroncare sul nascere la CSP. Nel novembre del 2014, la centrale riusciva a soddisfare soltanto la metà circa dei suoi target energetici. La situazione nel 2016 non era migliorata, e la California Public Utilities Commission concesse a Ivanpah un anno per raggiungere il suo obiettivo di 377 MW generati. La centrale recuperò terreno ma, con un costo di 2,2 miliardi di dollari, questi problemi alterarono la percezione della CSP. Durante la preparazione di Ivanpah, uno dei primi investitori, Google, disse che avrebbe disinvestito completamente dall’energia solare concentrata per focalizzarsi su tecnologie fotovoltaiche più convenienti.

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La centrale solare di Ivanpah

Stoccaggio

Qui sorge un altro problema: Ivanpah non ha un sistema di immagazzinamento dell’energia, quindi di notte si raffredda. Le soluzioni di immagazzinamento hanno subito un rapido sviluppo negli ultimi anni: come possono essere integrate nella CPS? A partire dagli anni ’90, l’idea di utilizzare sale fuso come mezzo di stoccaggio è stata testata nella centrale elettrica di Crescent Dunes in Nevada, che pare ne avesse reso altamente vantaggiosa la costruzione e il funzionamento, garantendo una disponibilità di energia solare 24 ore su 24. Anche i ricercatori nei laboratori Eni stanno lavorando per rendere più efficiente e versatile l’energia solare concentrata, introducendo importanti miglioramenti ingegneristici, come lo sviluppo di una miscela di sale fuso che si solidifica a una soglia di temperatura molto minore rispetto a quella di solidificazione dei fluidi attualmente in uso.
I Sandia National Laboratories hanno sviluppato un’altra tecnologia che prevede l’impiego di un ricevitore di particelle in caduta che dispiega una “cascata di particelle” simile alla sabbia, come ossido di ferro e silice, in un ricevitore solare che può raggiungere temperature sino a 1.200 gradi. L’idea ha ricevuto un riconoscimento R&D 100 per l’innovazione nel 2016 e da allora ha attraversato diverse fasi di sviluppo sino a formare la centrale pilota di particelle Gen 3 (G3P3), sebbene sembri che il programma sia ancora in stadio embrionale.
In effetti, Heliogen potrebbe aver bisogno di comunicare con decisione il modo in cui pensa di risolvere questo problema di immagazzinaggio dell’energia CSP, magari collaborando con uno sviluppatore tecnologico esterno, a meno che non incontri le stesse problematiche di Ivanpah e richieda un raffreddamento notturno. Questo scenario difficilmente piacerà al suo portafoglio di clienti industriali.

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Il progetto CSP di Eni

Innovazioni reali per il futuro

Heliogen non sostiene di avere scoperto la soluzione definitiva per un cemento a zero emissioni. L’inquinamento del cemento deriva per lo più dal suo processo di riscaldamento, ma anche il resto della catena produttiva rilascia emissioni. Per risolvere questo problema, sono stati creati nuovi piani.
Nel 2018, i leader del settore del cemento si sono riuniti per capire come adempiere ai loro obblighi ai sensi dell’Accordo di Parigi e dell’Agenzia internazionale dell’energia (IEA) e hanno stilato delle linee guida per ridurre le emissioni derivanti dalla produzione di cemento del 25% entro il 2050. Si va dal passaggio a carburanti alternativi, come nel caso di Heliogen, e l’utilizzo di materiali leganti alternativi nella produzione di cemento, al fare affidamento su tecnologie di cattura della CO2 per impedire alle emissioni di raggiungere l’atmosfera.
Quest’ultima interessa particolarmente Gross, in quanto la sua tecnologia Heliomax potrebbe dare il proprio contributo. Il forno solare Heliomax rilascia CO2 più pulita rispetto agli attuali sottoprodotti dei tradizionali forni in cemento, che secondo Gross “sarebbe più facile da catturare”. Questo dovrà essere un altro step lungo il percorso di Heliogen verso il successo commerciale.
È difficile sopravvalutare l’impatto del cemento sul mondo moderno: è la sostanza creata dall’uomo più utilizzata di sempre e la seconda sostanza più utilizzata in assoluto dopo l’acqua.
Il forno solare di Heliogen potrà anche essere ben lontano dall’essere introdotto nel mercato o dal trovare nel settore del cemento i primi partner giusti. In ogni caso, la sua prova di fattibilità ha convinto Bill Gates, che potrebbe presto essere il primo di tanti.

 

L'autore: Chris Dalby

Giornalista specializzato in energia e politica con esperienza nei settori della politica, dell'energia, dell’oil & gas, dell'estrazione mineraria, della finanza, dell'economia, dell'America Latina, della Cina e delle Olimpiadi.