Le città affrontano la sfida climatica: come passare dal gas all'elettricità?

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Nel 1836, i Filadelfi usavano principalmente olio di balena e candele per illuminare le loro case e le loro attività. Quell'anno, la neonata Philadelphia Gas Works ha suscitato scalpore quando ha acceso 46 lampioni del centro con gas prodotto dal carbone nel suo impianto sul fiume Schuylkill. Alla fine della guerra civile, le strade pubbliche e le abitazioni private nel cuore della maggior parte delle grandi città orientali furono illuminate dal gas, alimentato da tubi di ghisa sepolti sotto le strade trafficate – e l'industria dell'illuminazione dell'olio di balena era quasi morta.

La rete di condutture di Filadelfia si è espansa negli ultimi 185 anni fino a comprendere 6.000 miglia di condutture del gas e linee di servizio. Ma oggi, Philadelphia Gas Works (PGW) – la più grande azienda municipalizzata del gas nel paese – è l'azienda storica che fissa le minacce esistenziali, che affronta le sfide delle nuove tecnologie, dei rivali emergenti e una rapida transizione energetica del 21 ° secolo che mira a convertire molti edifici dal gas all'elettricità.

In riconoscimento di queste forze e del piano d'azione per il clima della città, Filadelfia ha commissionato uno "studio di diversificazione" per trovare un nuovo modello di business a basse emissioni di carbonio per la più antica azienda di gas della nazione, che fornisce gas naturale a 510.000 clienti.

All'inizio di quest'anno, Filadelfia ha annunciato l'obiettivo di raggiungere le emissioni nette di gas a effetto serra entro il 2050. "Non c'è modo che possa accadere senza cambiare il PGW", ha affermato Tom Shuster, direttore del programma di energia pulita della sezione Pennsylvania del Sierra Club, che sostiene elettrificazione degli edifici più ampia. Il gas venduto dalla società di servizi pubblici è la principale fonte di inquinamento da riscaldamento climatico della città, rappresentando il 22% delle sue emissioni di gas serra.

Dei 120 milioni di famiglie del paese, circa il 58% è riscaldato principalmente con gas naturale.

Tracciare un percorso in avanti che assicuri sia la sopravvivenza del PGW che la neutralità del carbonio della città sarà un passaggio pesante, molti sostenitori riconoscono. Il compito è ancora più arduo se considerato su scala nazionale. Mentre molte città stanno adottando o prendendo in considerazione regole che richiedono che le nuove costruzioni siano completamente elettriche, il problema molto più spinoso è come ottenere combustibili fossili dagli edifici esistenti, che rappresentano circa il 30% delle emissioni di gas serra degli Stati Uniti.

Dei 120 milioni di famiglie del paese, circa il 58% è riscaldato principalmente con gas naturale. Per azzerare le emissioni di carbonio di quelle case, tutti i loro forni, scaldabagni e altri apparecchi dovranno essere alimentati con "molecole verdi" (come biogas, idrogeno e gas sintetici) invece di gas fossile, o sostituiti con pompe di calore e altri dispositivi alimentati da elettricità rinnovabile.

Diversi stati hanno già iniziato a pianificare formalmente la loro transizione a lungo termine dal gas naturale. Lo scorso giugno, il procuratore generale del Massachusetts ha presentato una petizione alle autorità di regolamentazione dei servizi pubblici dello stato per indagare su come passare dal gas naturale. Spinti dai propri obiettivi di azione per il clima, la California e New York hanno avviato iniziative simili. Il piano generale per l'energia del New Jersey ha fissato l'obiettivo di elettrificare il 90% della domanda di riscaldamento e raffreddamento degli edifici entro il 2050.

Il menu per la decarbonizzazione degli edifici comprende pompe di calore alimentate con elettricità rinnovabile, sistemi geotermici, combustibili a idrogeno e biogas generato da rifiuti organici. Alcune di queste soluzioni sono nelle prime fasi di sviluppo e distribuzione. Le pompe di calore ad aria sono la tecnologia più matura, con decenni di utilizzo in alcune parti dell'Europa e del Giappone e negli Stati Uniti meridionali, dove le pompe di calore costituiscono oltre il 20% dei sistemi di riscaldamento degli edifici. Alcune aziende del gas stanno sperimentando la miscelazione dell'idrogeno nel loro mix di gas e testando come gli elettrodomestici lo gestiscono, nella speranza che "l'idrogeno verde", creato con elettricità rinnovabile, li aiuti a strappare il carbonio dalle loro operazioni. Ed Eversource, la più grande azienda energetica del New England, sta collaborando con l'Home Energy Efficiency Team (HEET), un'organizzazione no profit con sede nel Massachusetts focalizzata sulla riduzione delle emissioni dal settore edile, per costruire un innovativo sistema pilota di teleriscaldamento e teleraffrescamento geotermico nell'area di Boston. estate.

Gli studenti girano l'interruttore per accendere il solare sul tetto installato su una casa a schiera come parte del programma Solarize Philly nel 2018.

Jared Piper / PHLCouncil

In qualsiasi scenario, sarà necessaria una massiccia trasformazione del modo in cui utilizziamo l'energia negli edifici per raggiungere ambiziosi obiettivi di emissioni di città, stati e federali. Forse da nessuna parte queste sfide sono così dure come nelle città più vecchie del nord-est, che continuano a dipendere fortemente dal gas naturale per il riscaldamento e hanno alcuni degli alloggi più antichi e meno efficienti dal punto di vista energetico.

A Filadelfia, la revisione del PGW comporta la navigazione in un boschetto di imperativi in ​​competizione oltre al taglio delle emissioni di gas serra: tappare pericolose fughe di metano, trattenere o riqualificare la forza lavoro di 1.600 dipendenti dell'azienda e garantire che i Filadelfi più vulnerabili non siano lasciati a sostenere l'onere di puntellare una rete del gas sempre più costosa.

Anche prima che la pandemia portasse a un recente aumento delle bollette non pagate, molti Filadelfi hanno dovuto affrontare una crisi di accessibilità energetica. Filadelfia ha il più alto tasso di povertà di qualsiasi altra grande città degli Stati Uniti; circa un terzo dei clienti di PGW è a basso reddito. Per essere equa, qualsiasi transizione per l'utilità deve "assicurarsi che ogni persona che fa affidamento sul gas naturale abbia un modo per riscaldarsi in inverno, cucinare il cibo e riscaldare l'acqua", ha affermato Elizabeth Marx, direttore esecutivo della Pennsylvania Utility Law Progetto, che rappresenta gli interessi dei clienti di utility a basso reddito. "Se stai parlando di abbandonare un sistema che è stato costruito con i contribuenti per decenni, non puoi allontanarti facilmente senza lasciare indietro le persone".

Poiché i clienti più abbienti abbandonano il gas per installare pompe di calore e altri aggiornamenti di energia pulita con costi iniziali più elevati, molti sostenitori di una "transizione giusta" temono che i contribuenti a basso reddito saranno lasciati a pagare il conto per mantenere l'invecchiamento dell'infrastruttura del gas di PGW.

Esistono limiti fisici e finanziari su quanto idrogeno e biogas potrebbero sostituire il gas fossile.

"Quello che vuoi evitare è la situazione in cui devi mantenere e spendere soldi per l'intero sistema, anche se vendi meno gas", ha detto Mike Henchen, che guida il programma di decarbonizzazione degli edifici presso l'Energy Thinktank RMI.

Nel frattempo, una parte di quella manutenzione non può aspettare, per motivi di sicurezza e ambientali. Nel dicembre 2019, una perdita da una conduttura del gas di 92 anni ha causato un'esplosione che ha ucciso due persone e ha raso al suolo cinque case a schiera nel sud di Filadelfia. Il metano in quelle perdite è anche un potente agente di riscaldamento del clima; uno studio del 2019 che ha campionato l'aria su Filadelfia e altre cinque città della costa orientale ha rilevato livelli di metano 2,5 volte superiori a quelli suggeriti dagli inventari delle emissioni dell'Agenzia per la protezione ambientale.

"I servizi di distribuzione del gas sono in una situazione difficile", ha affermato Audrey Schulman, fondatrice e co-direttrice esecutiva di HEET, l'organizzazione non profit che ha avviato il progetto geotermico del Massachusetts. "Nello stesso momento in cui devono decarbonizzare, devono sostituire questi vecchi tubi del gas".

Il dilemma più grande per i funzionari di Filadelfia – e per gli altri leader municipali in tutto il paese – è per quanto tempo, e quanto, continuare a spendere per le infrastrutture del gas prima di "saltare" a una più ampia elettrificazione degli edifici.

Quando la Philadelphia Gas Works ha chiesto un aumento della sua tariffa base alla Commissione per i servizi pubblici dello Stato l'anno scorso, il Sierra Club è intervenuto, sostenendo che non è saggio spendere per la manutenzione dei tubi al di là di quanto richiesto dalle preoccupazioni immediate per la sicurezza. "Stai chiedendo soldi per sostituire l'intero sistema", ha detto Shuster del Sierra Club, "ma così facendo probabilmente stai installando un'infrastruttura che non vedrà la fine della sua vita utile prima di essere messa offline".

Una perdita del 2019 da una conduttura del gas di 92 anni ha causato un'esplosione che ha ucciso due persone e ha raso al suolo cinque case a schiera nel sud di Filadelfia.
Tim Tai / The Philadelphia Inquirer tramite AP

La città ha commissionato lo studio di diversificazione per affrontare questo tipo di difficili compromessi. "Non esiste un proiettile d'argento pulito", ha detto Christine Knapp, direttrice dell'Office of Sustainability di Filadelfia. "Probabilmente finirà per essere una strategia frammentaria che ci porterà ai nostri obiettivi: una certa quantità di gas naturale rinnovabile, geotermia, elettrificazione e agenti atmosferici, ad esempio, che si sommano ad avere un impatto maggiore".

Philadelphia Gas Works non ha risposto alle richieste di commento. Ma in una testimonianza in un'audizione del Consiglio comunale del 2019 sullo studio di diversificazione proposto, un funzionario del PGW ha sottolineato i limiti normativi e legali sulla capacità dell'utilità di evolversi oltre la sua ristretta missione di fornire gas naturale. Attraverso la propria difesa diretta e la sua appartenenza all'American Gas Association, un gruppo commerciale del settore, l'ente si è opposto all'aggiornamento dei codici di costruzione che avrebbero incoraggiato le amministrazioni statali e cittadine a richiedere elettrodomestici più efficienti e cablaggi pronti per l'elettrificazione.

In uno dei percorsi studiati, PGW manterrebbe il suo sistema basato su tubi e aggiungerà semplicemente più molecole di gas a basso tenore di carbonio alla sua miscela di carburante. Ad esempio, SoCalGas, la più grande azienda di servizi di gas della nazione, ha fortemente spinto la promessa di un più ampio uso del biogas (noto anche come "gas naturale rinnovabile") a base di rifiuti organici come motivazione per preservare ed espandere le infrastrutture del gas e per resistere alle chiamate a vietare l'uso del gas nelle nuove costruzioni. Molte altre utility del gas hanno promosso i loro nascenti sforzi per decarbonizzare miscelando biogas e idrogeno nella loro fornitura di gas naturale.

Ma quel percorso significherebbe comunque pompare molecole di metano che riscalda il clima attraverso tubi soggetti a perdite. E ci sono limiti fisici e finanziari su quanto idrogeno e biogas potrebbero sostituire il gas fossile. Varie stime fissano la fornitura potenziale totale di gas naturale rinnovabile tra il 2 e il 12 percento della domanda totale di gas naturale. Anche il gas naturale rinnovabile e l'idrogeno sono combustibili ancora costosi da produrre.

I costi di installazione delle pompe di calore sono ancora ben oltre quello che molti Filadelfi possono permettersi.

Diversi studi recenti hanno scoperto che l'elettrificazione completa degli edifici è un modo più economico per decarbonizzare rispetto alla strada delle "molecole verdi". In uno, i ricercatori hanno stimato che il costo mensile di funzionamento di una pompa di calore sarebbe compreso tra $ 34 e $ 53, mentre il funzionamento di una fornace a gas con gas naturale rinnovabile costerebbe $ 160 a $ 263. L'appello delle pompe di calore sia ai proprietari di case che ai responsabili politici è in aumento anche nel freddo nord-est: il Maine, ad esempio, ha il mandato di installare 100.000 pompe di calore nelle case e nelle aziende entro il 2025.

Ma anche se il funzionamento di una pompa di calore è probabilmente più economico nel lungo periodo rispetto all'accensione di un forno con biogas, il costo iniziale per l'acquisto e l'installazione di uno, compreso l'aggiornamento del cablaggio e degli interruttori automatici per gestire carichi più pesanti, rimane elevato rispetto a un riscaldatore a gas convenzionale. Quei costi sono ancora ben oltre quello che molti Filadelfi possono permettersi.

Un'azienda sta proponendo un nuovo modo per superare questo ostacolo. BlocPower è una startup con sede a Brooklyn specializzata in retrofit energetici di grandi edifici urbani, con particolare attenzione alla conversione di alloggi a prezzi accessibili e edifici plurifamiliari dal riscaldamento a combustibili fossili a pompe di calore alimentate da fonti rinnovabili. Con oltre 1.000 ristrutturazioni di edifici a New York alle spalle, BlocPower si sta espandendo nelle città di tutto il paese, tra cui Los Angeles e Chicago. L'azienda vede Philadelphia come un terreno fertile.

"Filadelfia ha molti edifici prebellici ed edifici multifamiliari in aree dense che riteniamo essere molto simili e applicabili al lavoro che abbiamo svolto fino ad oggi", ha affermato Ian Harris, direttore aziendale di BlocPower.

Pannelli solari su un edificio residenziale vicino al centro di Filadelfia.
Ariella Maron

BlocPower ha iniziato a lavorare con Philadelphia nel 2014, partecipando a un progetto pilota di alloggi plurifamiliari guidato dalla Philadelphia Energy Authority. Questo mese prevede di lanciare BlocMaps Philly, uno strumento software che aiuta gli urbanisti ei singoli proprietari di edifici a modellare il potenziale per ridurre sia le emissioni che le bollette energetiche installando pompe di calore ad aria e altri sistemi, come batterie e microgrid solari. Entro i prossimi 12 mesi, l'azienda punta a completare 500 progetti a Filadelfia.

BlocPower gestisce ogni fase del progetto, dalla progettazione all'installazione, e offre ai proprietari degli edifici la possibilità di affittare il sistema. Il modello di BlocPower cerca di rimuovere le tradizionali barriere per rendere più verdi le abitazioni urbane a basso reddito, compresa la sfida di garantire i prestiti. L'azienda utilizza algoritmi per stimare i potenziali risparmi energetici di un edificio, quindi utilizza i risparmi previsti per assicurarsi finanziamenti da istituzioni come la New York Green Bank e la Goldman Sachs. Mira a dimostrare che gli investitori possono ottenere rendimenti stabili a lungo termine sugli investimenti in pompe di calore urbane, non diversamente da quanto si aspetterebbero dalle obbligazioni per le infrastrutture municipali.

"Vediamo una grande opportunità per la transizione di quante più persone possibile dai combustibili fossili a Filadelfia", ha detto Harris.

Altri vedono ancora un ruolo per i tubi nel futuro energetico della città. Questa estate, Eversource Gas, l'utilità privata di proprietà degli investitori nell'area di Boston, darà il via alla prima dimostrazione dell'innovazione di HEET. L'organizzazione senza scopo di lucro ha sviluppato un concetto chiamato GeoMicroDistrict, che collegherebbe gli edifici in una data strada o blocchi in un sistema di energia geotermica in rete. Il sistema è alimentato da pompe di calore geotermiche, dispositivi estremamente efficienti dal punto di vista energetico che utilizzano l'acqua come mezzo per condividere l'energia termica tra gli edifici, inviando calore dove è necessario e lontano da dove non c'è. I distretti geotermici sfruttano la temperatura costante del suolo e possono essi stessi essere ulteriormente collegati tra loro in reti più grandi.

I maggiori costi iniziali sono associati all'installazione del sistema, compresa la perforazione di pozzi superficiali larghi sei pollici; dopo di che, i costi operativi sono bassi. Utilità come PGW potrebbero assorbire quei costi elevati di capitale e distribuirli nel tempo e sulla loro ampia base di utenti, sfruttando le economie di scala, ha affermato Zeyneb Magavi, co-direttore esecutivo di HEET. I tubi geotermici potrebbero essere posati con le stesse direttrici già utilizzate per i tubi del gas. I sistemi geotermici potrebbero anche preservare più posti di lavoro, ha aggiunto, sfruttando l'esperienza dei lavoratori delle utenze, molti dei quali sono addestrati per installare lo stesso tipo di tubi di plastica.

"Dobbiamo lavorare con i pezzi che abbiamo", dice un esperto di energia a proposito degli sforzi di decarbonizzazione.

"Dobbiamo lavorare con i pezzi che abbiamo", ha detto Magavi. "Il modo più veloce è capovolgere i meccanismi di finanziamento delle utility e le reti di clienti, tutti questi pezzi che possiamo reindirizzare verso la costruzione di un sistema energetico migliore".

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Qualunque sia il percorso di decarbonizzazione scelto da Philadelphia, come primo passo Mike Henchen di RMI vorrebbe vedere PGW identificare un segmento della rete del gas della città – un quartiere, una strada, un blocco discreto di edifici – da chiudere. "Possono lavorare per supportare ogni edificio servito da quella parte per convertirlo in un'alternativa priva di emissioni di carbonio al gas, e quindi smantellare un vero tubo nel terreno", ha detto Henchen. "Chiudi la valvola."

Questo tipo di abbandono strategico, sostiene, sarebbe il passo più trasformativo che PGW potrebbe intraprendere – uno che riconoscerebbe che un sistema di erogazione del gas più piccolo è necessario in qualsiasi scenario probabile e che segnalerebbe ai leader di città, stato e servizi pubblici in giro il paese dove il futuro si dirige per l'intera industria della distribuzione del gas. "Se potessero farlo", ha detto Henchen, "sarebbe davvero rivoluzionario".

La segnalazione di questa storia è stata resa possibile grazie a una sovvenzione della Alicia Patterson Foundation.