Pompe di calore: visione contro realtà

Visione contro realtà - perché l'intervento politico è essenziale per liberare il potenziale di risparmio energetico delle pompe di calore nelle applicazioni industriali e commerciali.

Gli edifici hanno bisogno di una temperatura interna confortevole e della qualità dell'aria, i livelli di temperatura nei processi industriali devono essere regolati al punto, le merci in stoccaggio e trasporto richiedono un'atmosfera controllata - questi sono solo alcuni esempi in cui il riscaldamento e il raffreddamento sono essenziali in una società moderna.

Troppo spesso entrambi i servizi sono ancora affrontati separatamente. Le caldaie sono installate per riscaldare, gli impianti di condizionamento e refrigerazione per raffreddare. Raramente entrambi sono visti come due lati della stessa medaglia. Di conseguenza, l'energia immagazzinata nell'aria o nell'acqua di scarico viene scaricata nell'ambiente e quindi persa per un ulteriore utilizzo.

Se in un edificio, l'acqua calda viene riscaldata da una caldaia e un sistema a/c viene usato per raffreddare la temperatura dell'aria interna, l'energia viene sprecata. Se in un processo industriale, l'energia fossile viene bruciata per fornire il riscaldamento nella prima fase e poi un prodotto intermedio o finale viene raffreddato, l'energia viene sprecata. Se gli impianti di produzione industriale sono raffreddati da apparecchiature di raffreddamento/refrigerazione o gli uffici vicini sono riscaldati da apparecchi separati, si ha uno spreco di energia. In breve, ogni volta che i requisiti di riscaldamento e raffreddamento vengono risolti indipendentemente l'uno dall'altro, senza adottare una prospettiva di sistema, la probabilità di spreco di energia è alta. La tecnologia della pompa di calore fornisce riscaldamento e

raffreddamento allo stesso tempo, sempre. È una questione di corretta progettazione del sistema per sfruttare entrambi i lati e trasformare così la strada a senso unico dell'uso dell'energia in un'economia energetica circolare. Il potenziale dei cicli chiusi è particolarmente alto nelle applicazioni industriali. Nel 2015, il gruppo di lavoro sulle pompe di calore industriali e commerciali (ICHP) della European Heat Pump Association ha studiato il potenziale delle applicazioni non domestiche delle pompe di calore per il riscaldamento e il raffreddamento. Gli autori di tale studio, Philippe Nellissen e Stefan Wolf hanno definito il rapporto "potenziale per una rivoluzione industriale" [1].

Le tecnologie delle pompe di calore sono riconosciute per il fatto che contribuiscono agli obiettivi energetici e climatici dell'UE. Esse

• riducono la domanda di energia e le emissioni di CO2.
• integrano l'energia rinnovabile e aiutano a decarbonizzare il sistema.
• possono utilizzare il calore di scarto.
• forniscono un potenziale di risposta alla domanda e aiutano a stabilizzare la rete elettrica.
• forniscono occupazione locale e mantengono il know-how in R&S
• utilizzare l'energia locale e ridurre la dipendenza dalle importazioni.

La tecnologia delle pompe di calore è ampiamente accettata come una soluzione fattibile nel settore residenziale, dove utilizzano principalmente energia rinnovabile dall'aria, dall'acqua e dal terreno per fornire riscaldamento e acqua calda. Molto meno conosciuta è l'opportunità di valorizzare i flussi di calore di scarto migliorando la loro temperatura e quindi utilizzarli per coprire le richieste di calore degli utenti situati nelle vicinanze. Questo si applica ovunque siano necessari simultaneamente raffreddamento e riscaldamento, per esempio in molti processi industriali nell'industria alimentare, cartaria o chimica.[1]

La tecnologia delle pompe di calore può aumentare o abbassare il livello di energia di queste fonti al livello desiderato di un'altra applicazione, collegando così i singoli cicli di energia in una cascata che alla fine può essere chiusa di nuovo. Mentre il mercato delle pompe di calore residenziali è dominato dalle pompe di calore a compressione elettrica, una varietà di tecnologie di pompe di calore sono utilizzate in applicazioni industriali e commerciali (vedi fig. 1).

Figura 1: Classificazione delle tecnologie delle pompe di calore. Fonte: Wolf/Nellissen 2015 [1]

Con la tecnologia attualmente disponibile, le pompe di calore possono fornire calore su livelli di temperatura fino a 100°C con uno scarto tra la temperatura della sorgente e del sink di circa 50 K per stadio. Questo è importante da notare, poiché le installazioni di pompe di calore a due stadi possono coprire uno spread maggiore.

L'uso di pompe di calore per applicazioni con una richiesta di calore superiore a 100°C è ancora una sfida. Mentre i principi alla base di tali pompe di calore sono noti ed esistono prototipi per questi livelli di temperatura, non sono ancora disponibili in prodotti standard. L'attuale livello dei progetti di ricerca e sviluppo, così come l'aumento dell'interesse da parte di nuovi attori ad impegnarsi nel segmento delle grandi pompe di calore, lascia spazio all'ottimismo. Nei prossimi anni, si prevede un certo numero di nuovi prodotti sul mercato.

In assenza di soluzioni esistenti per applicazioni di pompe di calore per livelli di temperatura superiori a 150°C , questo segmento non è stato incluso nell'attuale valutazione del potenziale. Con questo in mente, sono stati valutati i dati disponibili da Eurostat per determinare il potenziale per l'applicazione delle pompe di calore in questi settori industriali:

1. Ferro e acciaio/metalli non ferrosi
2. Chimica e petrolio
3. Minerali non metallici
4. Carta, pasta di legno e stampa
5. Macchine alimentari e del tabacco
6. Legno e prodotti in legno
7. Attrezzature per il trasporto
8. Tessile e cuoio
9. Altri

I dati del 2012 per l'UE-28 rivelano che l'industria utilizza 3200 TWh di energia finale e una domanda di calore di circa 2000 TWh. La figura 2 mostra la suddivisione di questa domanda di calore per settore analizzato e per intervallo di temperatura coperto.

Figura 2: Distinzione della domanda di calore nell'industria per settore e intervallo di temperatura. [1]

Questa valutazione rivela un potenziale praticamente raggiungibile per le pompe di calore nell'intervallo di temperatura fino a 100°C di 68 TWh, principalmente nell'industria chimica, della carta, alimentare/tabacco e del legno (vedere le barre blu ombreggiate in fig. 2). Aggiungendo i settori dell'acqua calda e del riscaldamento degli ambienti, si scopre un ulteriore 74 TWh (vedere le barre ombreggiate in arancione nella fig. 2). Con il progresso tecnico, un ulteriore potenziale di 32 TWh nella gamma di temperatura da 100 a 150°C può essere reso accessibile (vedi la barra blu più scura in fig. 2). In totale, 174 TWh o l'8,7% di tutto il fabbisogno di calore nell'industria può essere fornito da pompe di calore.

Gli intervalli di temperatura più alti mostrati in grigio nel grafico precedente rimangono inaccessibili per la tecnologia delle pompe di calore.

Il risultato di questa valutazione mostra il potenziale realistico delle applicazioni delle pompe di calore. Il potenziale tecnico è molto più grande, ma spesso non può essere sfruttato appieno a causa di considerazioni pratiche. Un'analisi più raffinata, basata su modelli, eseguita da Wolf e Blesl giunge alla conclusione che il potenziale tecnico dell'uso delle pompe di calore nell'industria nei 28 Stati membri dell'UE è di 1717 PJ (477 TWh), di cui solo 270 (75 TWh) o il 15% è accessibile se si applicano considerazioni economiche e pratiche. [2] Quindi l'approccio basato sul modello porta a un potenziale tecnico più grande, ma a un potenziale economico molto più basso.

I principali fattori che influenzano la prospettiva economica delle operazioni della pompa di calore sono

• Costo dei combustibili fossili
• Costo dell'elettricità
• Tasso di interesse
• Efficienza del sistema della pompa di calore
• Disponibilità simultanea di fornitura di calore e domanda di calore, domanda simultanea di riscaldamento e raffreddamento
• Differenze nei costi di investimento.

I risparmi sui costi di gestione derivanti dall'uso della pompa di calore sono possibili se il costo relativo dei combustibili fossili e dell'elettricità è inferiore all'efficienza del sistema della pompa di calore. Con un prezzo dell'energia piuttosto distorto, questo è sempre più difficile, poiché molti governi recuperano il costo dell'inverdimento del sistema elettrico attraverso il costo dell'elettricità stessa. Allo stesso tempo il prezzo dei combustibili fossili non riflette l'impatto ambientale negativo del loro uso. Quindi il costo relativo della fornitura di calore punta a favore dei combustibili fossili.

Figura 3: Potenziale delle pompe di calore industriali nell'UE-28 [2]

Poiché c'è una relazione diretta tra la riduzione della domanda di energia e le emissioni di CO2, l'estensione del potenziale economico di riduzione della domanda ridurrà anche le emissioni di CO2 dal settore industriale. Lo studio conclude un potenziale totale di riduzione delle emissioni di CO2 di 86,2 Mt con 21,5 Mt (25%) di esso economicamente fattibile.

Ostacoli, sfide e opportunità

I principali ostacoli che limitano l'uso della pompa di calore nell'industria sono i seguenti:

• Requisiti estremi sul ritorno dell'investimento, spesso non più di 2 anni sono accettati. Questo è ulteriormente complicato da un prezzo relativamente basso per l'energia fossile.
• L'avversione al rischio, in particolare nei confronti delle pompe di calore che non sono fidate, ma percepite come una tecnologia nuova e non provata.
• Disponibilità limitata o nulla di esempi di buone pratiche che potrebbero creare fiducia nelle nuove soluzioni.
• Barriere strutturali nell'industria

o

Alto costo di transazione per la conversione dei processi, poiché molti vecchi processi sono basati sul vapore

o

Necessità di integrare competenze e responsabilità per realizzare una prospettiva di sistema al fine di ottimizzare energeticamente i processi industriali e le applicazioni commerciali

Sia il risparmio energetico che il potenziale di riduzione di CO2 delle pompe di calore nelle applicazioni industriali è ancora largamente inutilizzato. La creazione di condizioni quadro politiche più favorevoli permetterà di invertire questa tendenza. Questi includono

• Aggiungere un segnale di prezzo all'uso del combustibile fossile
• Ridurre l'onere delle tasse e dei prelievi sull'elettricità sempre più pulita
• Fornire bassi tassi d'interesse e garanzie di prestito agli investimenti in efficienza energetica utilizzando tecnologie a bassa emissione di carbonio come le pompe di calore
• Aumentare la ricerca e lo sviluppo di soluzioni standardizzate di pompe di calore per i settori industriali identificati
• Fornire più esempi di buone pratiche.

È necessario uno sforzo congiunto da parte dei responsabili politici e dell'industria per sviluppare il potenziale tecnico ed economico delle applicazioni delle pompe di calore nell'industria. È necessario che entrambi tirino la stessa corda (e nella stessa direzione) per liberare completamente il potenziale.

Autore: Thimas Nowak, EHPA

L'autore ringrazia Stefan Wolf, Università di Stoccarda e i membri del gruppo ICHP dell'EHPA per il contributo fornito.

Fonti:

[1] Nellissen, P.; Wolf, S.: Pompe di calore in applicazioni non domestiche in Europa: Potenziale per una rivoluzione energetica. Presentazione tenuta all'8° EHPA European Heat Pump Forum, 29.5.2015, Bruxelles, Belgio .

[2] Wolf, S.; Blesl, M.: Quantificazione basata su modelli del contributo delle pompe di calore industriali alla strategia europea di mitigazione del cambiamento climatico. In: 2016: Atti della conferenza sull'efficienza industriale ECEEE 2016. Berlino, 12.-14.09.2016. Stoccolma, 2016

Nota sull'associazione europea delle pompe di calore (EHPA) aisbl:

EHPA è un'associazione industriale con sede a Bruxelles che mira a promuovere la consapevolezza e la corretta diffusione della tecnologia delle pompe di calore nel mercato europeo per applicazioni residenziali, commerciali e industriali. EHPA fornisce input tecnici ed economici alle autorità europee, nazionali e locali in materia legislativa, normativa e di efficienza energetica. L'EHPA ha recentemente introdotto un gruppo di lavoro sulle pompe di calore industriali e commerciali (ICHP) per aumentare il riconoscimento di questa area di applicazione e il suo potenziale contributo agli obiettivi climatici ed energetici dell'UE.