Pompe di calore - un'opportunità trascurata?

Recuperare l'energia, non sprecarla!

Cosa hanno in comune un fiordo norvegese, una fabbrica di birra belga, un caseificio danese, un data center finlandese, un edificio per uffici tedesco e un centro sportivo francese (e molti altri)? Usano pompe di calore - e nessuno lo sa.

La tecnologia delle pompe di calore è ben nota per la fornitura di riscaldamento, raffreddamento e acqua calda agli edifici residenziali in modo efficiente e affidabile. Meno noti sono i cugini più grandi delle pompe di calore residenziali: leunità industrialie commerciali. Anche se forniscono gli stessi servizi primari, aggiungono un fattore importante ai sistemi energetici delle città, dei grandi edifici o dei processi industriali: Le grandi pompe di calore chiudono i cicli di energia.

Ovunque l'uomo sia attivo, ha bisogno di energia. L'energia "scorre" sempre da un livello di temperatura più alto a uno più basso. Il risultato è un surplus di energia ad un livello solitamente ritenuto non utile. In un tipico edificio residenziale, gli utenti hanno bisogno di riscaldamento e raffreddamento, illuminazione, intrattenimento ecc. e mentre gli abitanti godono di questi servizi, l'energia alla fine viene persa. Lo stesso vale per edifici commerciali, ospedali, scuole.

Le pompe di calore possono fornire energia, ma possono anche aiutare a ridurre la domanda assoluta di energia, essendo integrate in sistemi di recupero del calore. Negli edifici più grandi, una gestione energetica intelligente basata su pompe di calore può distribuire l'energia tra le parti dell'edificio che richiedono il riscaldamento e quelle che hanno bisogno di raffreddamento. Questo potrebbe essere fatto anche tra diversi edifici.

L'effetto è ancora maggiore nell'industria. A parte la necessità di riscaldare/raffreddare gli edifici e di fornire acqua calda per la cucina e le docce, molti processi industriali oggi funzionano a temperature inferiori a 100°C. Questo li rende adatti all'uso di pompe di calore. I prototipi possono persino fornire temperature fino a 170°C. Una valutazione del potenziale tecnico delle pompe di calore nelle applicazioni industriali ha rivelato un potenziale di risparmio energetico di 174TWh o circa il 10% della domanda di energia di riscaldamento dell'industria. La quantità di risparmio è ancora maggiore, quando si considera l'integrazione dei processi di raffreddamento e di refrigerazione nel sistema.

Collegare i punti è una sfida chiave per utilizzare pienamente il potenziale.

I flussi di energia nell'industria sono spesso complessi. Richiedono e forniscono energia in tempi, luoghi e livelli di temperatura diversi, nonché in quantità diverse.

Ogni input di energia si traduce in energia di scarto a un livello inferiore, ogni processo di raffreddamento/refrigerazione produce calore di scarto e anche se una pompa di calore viene utilizzata per il riscaldamento, si traduce in un raffreddamento di scarto. Questa energia può essere gettata nell'ambiente o recuperata per migliorare l'efficienza energetica complessiva.

Le persone hanno bisogno di capire questo processo per decidere favorevolmente per la sua implementazione. Anche gli esperti responsabili della progettazione e del funzionamento dei processi industriali potrebbero non conoscere le opportunità. Un tipico commento di un direttore d'impianto è stato: "un sottoprodotto del nostro processo principale è l'energia a 50°C ma è inutile per noi. Ancora peggio, diventa un fattore di costo, poiché dobbiamo investire in impianti per liberarcene".

La sfida è collegare le aree di applicazione e trovare un uso per il calore di scarto di un processo di raffreddamento o per il freddo di scarto di un processo di riscaldamento è la sfida. A volte può bastare un po' di pensiero creativo, altre volte può essere raggiunto solo riprogettando l'intero processo di produzione. Se si riesce, i miglioramenti dell'efficienza sono enormi. Fino al punto che i beneficiari di questi miglioramenti non vogliono che gli altri lo sappiano; preferendo raccogliere il vantaggio dei costi il più a lungo possibile.

Le pompe di calore stanno diventando lo stato dell'arte nelle applicazioni commerciali

Edifici per uffici, hotel, ristoranti, ospedali e impianti sportivi hanno tutti bisogno di riscaldamento e raffreddamento - molto spesso richiedono più riscaldamento che raffreddamento. La maggior parte di loro ha anche bisogno di acqua calda per diversi scopi. L'installazione di una pompa di calore come soluzione stand-alone o in una configurazione ibrida è sempre più comune. Usare una sola macchina per fornire riscaldamento e raffreddamento è economicamente ancora più efficiente

Processi industriali

Le pompe di calore possono essere applicate in molti processi di produzione industriale. Le aree di applicazione includono:

• Riscaldamento/raffreddamento di edifici
• Pulizia
• Asciugatura - di solito i loop energetici sono chiusi collegando il lato dell'energia di scarto al lato dell'energia di origine e colmando la differenza di temperatura tramite la pompa di calore. Se necessario, viene aggiunto un bruciatore fossile come fonte di energia di riserva o per coprire i picchi di domanda.
• Produzione e trasformazione alimentare (fiocchi, birra, maltaggio, frutta e verdura, pasta di lievito, patate, così come carne, latte e formaggio),
• Produzione generale (come tessile, industrie del legno, gomma e plastica, carta, produzione di birra, produzione di mattoni per il malto e rivestimento di metalli).

Collegare i cicli energetici utilizzando l'energia di scarto di un processo, spostandola ad un livello utile e fornendola ad un altro processo è il vero Graal della progettazione di un processo efficiente.

I seguenti esempi danno un'idea dei vantaggi realizzati dalle grandi installazioni di pompe di calore in diverse aree di applicazione per gli edifici per uffici, il teleriscaldamento, la cartiera, le caldaie e la produzione casearia. Possono essere solo un'inventiva per considerare ulteriormente le applicazioni della pompa di calore. Per liberare completamente questo potenziale, non solo sarà necessario che l'industria sviluppi ulteriormente la tecnologia, ma anche che i responsabili politici creino quadri e mercati che favoriscano i sistemi basati sulle pompe di calore come soluzioni più sostenibili. Dovrebbero favorire la riduzione della domanda di energia utilizzando l'energia recuperata in modo simile a come favoriscono l'uso di energia rinnovabile oggi.

Ultimo ma non meno importante, fissare l'attuale meccanismo di mercato è l'elefante nella stanza. I tempi di recupero delle pompe di calore che sono accettabili per l'industria e la disponibilità di opzioni di finanziamento dipendono in gran parte dal confronto con il costo delle alternative di combustibili fossili. Se i responsabili politici vogliono utilizzare il meccanismo di mercato per la transizione energetica, hanno bisogno di impostare un segnale di prezzo corretto.

I capi di stato e di governo hanno firmato gli accordi COP21 per limitare il riscaldamento globale a significativamente meno di 2 gradi Celsius lo scorso dicembre a Parigi.

Sfruttare appieno il potenziale delle grandi pompe di calore negli edifici residenziali e commerciali, nei processi industriali e nelle città renderà molto più facile il raggiungimento di questo obiettivo. Ma ancora di più: una decarbonizzazione del sistema energetico è impossibile senza la decarbonizzazione del settore del riscaldamento; una decarbonizzazione del settore del riscaldamento e del raffreddamento è impossibile senza pompe di calore.

Contesto: la tecnologia delle pompe di calore

Le pompe di calore convertono l'aria, il calore del suolo e l'acqua in energia - è così semplice! Il principio generale della tecnologia è identico e indipendente dall'applicazione. Una pompa di calore può fornire riscaldamento, raffreddamento e acqua calda sanitaria per applicazioni residenziali, commerciali e industriali. Le pompe di calore trasformano l'energia da fonti di energia rinnovabili (aria | aerotermica, terra | geotermica e acqua | idrotermale) in calore utile. Possono anche utilizzare l'energia recuperata da processi industriali, installazioni di infrastrutture (fogne, metropolitana, parcheggi sotterranei) o l'aria di scarico degli edifici. La trasformazione avviene tramite il ciclo di refrigerazione. Si compone di una fonte di calore, l'unità della pompa di calore e un sistema di distribuzione per riscaldare/raffreddare l'edificio, di solito o condotti d'aria o d'acqua.

Sebbene esistano diverse varianti tecniche della tecnologia delle pompe di calore, il ciclo a compressione elettrica è quello più comunemente usato. In una pompa di calore a compressione elettrica, un fluido di trasferimento (refrigerante) trasporta il calore da una fonte di bassa energia a un dissipatore di energia superiore. L'energia ausiliaria - di solito elettricità o gas - è necessaria per far funzionare il compressore e le pompe di calore.

Il ciclo del refrigerante fornisce riscaldamento e raffreddamento, continuamente

I sistemi a pompa di calore sono ottimizzati per il riscaldamento o il raffreddamento. In modalità di riscaldamento, l'energia ambientale è la fonte di calore e l'edificio/processo è il dissipatore di calore. In modalità di raffreddamento, l'edificio/processo viene raffreddato usando l'esterno come dissipatore di calore. Ovviamente, l'efficienza di un sistema aumenta notevolmente nelle aree di applicazione con una domanda parallela di riscaldamento e raffreddamento, dando a tali sistemi un ulteriore vantaggio economico.

Gli effetti collaterali positivi dell'uso della pompa di calore sono l'occupazione locale, la riduzione della dipendenza dalle importazioni, la stabilizzazione dei costi energetici e la creazione di un ponte tra i settori elettrico e termico, fornendo un potenziale di risposta alla domanda e stabilizzando la rete elettrica.

Le pompe di calore sono trasversali al sistema energetico moderno e orientato al futuro. La necessaria decarbonizzazione del sistema energetico non può essere raggiunta senza decarbonizzare il settore del riscaldamento. Il settore del riscaldamento non può essere decarbonizzato senza le pompe di calore!

Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta su Revolve "Renewing Energy", estate 2016