Pompe di calore commerciali e industriali: una realtà consolidata e in rapida espansione

Negli ultimi anni, le pompe di calore si sono affermate come tecnologia cardine nella transizione energetica europea, non solo in ambito residenziale, fortemente spinte dagli incentivi governativi, ma anche, e soprattutto, nei settori commerciale e industriale.

La crescita nell’adozione della tecnologia delle pompe di calore è sempre più marcata nel mondo commerciale e industriale e non sembra influenzata in maniera determinante dagli incentivi perché è il risultato di un insieme di fattori convergenti, quali:

• l’evoluzione tecnologica (che porta anno dopo anno, efficienze sempre più alte);
•  la spinta normativa dell’Unione Europea verso la decarbonizzazione;
•  i miglioramenti nei ritorni economici degli investimenti;
•  l’ampliamento dei settori applicativi;
•  il bisogno crescente di soluzioni energetiche efficienti e sostenibili.

L’efficientamento energetico, il recupero energetico e la decarbonizzazione degli impianti termici sono obiettivi primari nell’industria moderna, poiché la crescente consapevolezza ambientale, le normative stringenti sulle emissioni e l’incremento dei costi energetici spingono le aziende a investire in soluzioni tecnologiche avanzate per:

• ridurre il consumo di energia;
• ridurre le emissioni di CO2;
• abbattere i costi di esercizio dei cicli produttivi (OPEX – dall’inglese OPerational EXpenditure, in italiano spesa operativa).

Il presente articolo analizza le principali soluzioni e strategie disponibili per raggiungere tali obiettivi e si focalizza sul perché oggigiorno questa sia una opzione molto importante per la competitività della manifattura italiana ed europea.

Osservando la ripartizione del consumo di energia tra i diversi settori (figura 1) appare evidente che il riscaldamento degli edifici è il servizio dominante nei settori residenziale e terziario, mentre il servizio “riscaldamento di processo” (Process Heating) domina nell’industria e vale circa il 32% sul totale.

Il “process heating” nell’industria ha dunque un peso molto importante (32%, circa 2000 TWh) sul totale degli usi di energia e, sebbene in altri settori come ad esempio in quello residenziale siano stati fatti passi da gigante negli ultimi 15 anni, ad esempio nel campo dell’efficienza energetica in edilizia, (basti pensare alla rifusione della Direttiva sulla prestazione energetica nell’edilizia (EPBD) (UE/2024/1275), adottata di recente, nel maggio 2024, che aumenta ulteriormente i requisiti di prestazione energetica per i nuovi edifici [2] ) e nell’utilizzo delle energie rinnovabili (facendo riferimento ad esempio alla Renewable Energy Directive (2018/2001/EU) [3] entrata in forza lo scorso Dicembre 2018, come parte del Clean energy for all Europeans package [4]), in molti settori della produzione di beni e servizi, il parco installato dell’impiantistica commerciale ed industriale del riscaldamento non sempre è aggiornato e molti processi potrebbero essere sicuramente notevolmente più efficienti.

Le cose stanno velocemente cambiando a livello europeo anche nel campo industriale e alle aziende viene sempre più chiesto di valutare e gestire l’impatto ambientale delle proprie attività produttive sulla base di framework standardizzati e condivisi che riguardano vari fattori, tra cui a titolo esemplificativo e non esaustivo energia, clima e sicurezza. La crescente importanza della gestione della questione climatica per le aziende che deriva da regolamentazioni presenti e future, si unisce alla domanda da parte di investitori e consumatori sempre più attenti ed esigenti rispetto a temi di sostenibilità.

Questo implica un cambiamento nelle strategie aziendali, orientando il business verso modelli sempre più “sostenibili e resilienti”. In particolare, la creazione della domanda di “prodotti industriali a emissioni prossime allo zero”, prevede aziende in grado di contribuire agli obiettivi di decarbonizzazione dell’industria oltre che di puntare a clientela (finale ma anche B2B) sempre più interessata al basso impatto ambientale.

In questo quadro, considerando che gli usi termici nel campo industriale hanno un ruolo chiave (si stima circa dal 60% all’80% sul totale nel mondo industriale), l’efficientamento energetico, il recupero energetico e la decarbonizzazione degli impianti termici nell’industria (e della loro eventuale combinazione intelligente con gli impianti frigoriferi) si prevede dominerà molte scelte nel campo degli assets industriali nel comparto dei trattamenti termici, almeno nel prossimo decennio.

Valutazioni tecniche sull’applicabilità delle diverse tecnologie in ambito commerciale

Nel settore commerciale, l’adozione delle pompe di calore di piccola, media e grande potenza si è ormai affermata come una scelta tecnologica stabile, affidabile e sempre più strategica. Dagli uffici agli hotel, dai centri commerciali agli ospedali, fino agli impianti sportivi e alle strutture ricettive, le pompe di calore rappresentano oggi una soluzione ampiamente diffusa per soddisfare esigenze di riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria.

Per quanto riguarda i livelli di temperatura coperti dalle pompe di calore, uno dei temi che spesso sono considerati più critici per sostituire le tradizionali tecnologie a combustione, si può fare una distinzione in tre categorie principali, basate sulla temperatura della fonte di energia (TSorgente) e il livello di temperatura erogabile (TUtilizzo) come espresso nella figura 2.

In linea di massima le tre tipologie possono essere così descritte:

•  HP: Pompe di calore (HP = Heat Pumps) tradizionali. Queste sono largamente diffuse e stabili a livello tecnologico. Vengono tipicamente utilizzate in tutti i settori del comfort, sia nel campo residenziale che commerciale e talvolta per processi a medio-bassa temperatura (ad esempio 35-65-80 °C) nel campo industriale;
• HTHP: Pompe di Calore ad alta temperatura (HTHP = High Temperature Heat Pumps). Queste possono arrivare in genere a 100 °C ma anche (in un vicinissimo futuro) agevolmente a 120 e 140 °C a seconda della sorgente di calore disponibile;
•  VHTHP: Pompe di Calore a temperatura molto alta (VHTHP = Very High Temperature Heat Pumps) possono andare oltre i 140 °C ma talvolta sono a livello di sviluppo di ricerca di laboratorio e per essere molto efficienti ci si aspetta necessitano ancora di anni per vedere un ampio sviluppo e diffusione.

Questa visione più completa, specie per chi è abituato a scontrarsi con il limite di temperatura tipico delle pompe di calore residenziali (60/80°C) apre nuovi scenari.

Valutazioni tecniche sull’applicabilità delle diverse tecnologie in ambito industriale

Se la tecnologia della pompa di calore fosse in grado, già oggi, e in maniera efficiente, di riprodurre tutte le temperature necessarie ai diversi processi nel campo industriale, sembrerebbe abbastanza semplice poter scegliere quali tecnologie dovrebbero essere applicate in maniera indistinta ai diversi processi industriali, ovvero: pompe di calore alimentate da energia 100% rinnovabile (es. Fotovoltaico, Idroelettrico, Eolico, ecc.) e con refrigeranti naturali (es. Ammoniaca (R717), Anidride Carbonica (R744) o Propano (R290)), ma purtroppo questa condizione ottimale (che ormai tutti si aspettano molto vicina) non è condizione sufficiente per un largo impiego, nell’immediato, di queste tecnologie anche nel campo industriale.

Ciò è dovuto alla necessità di considerare una ulteriore variabile, ovvero quella delle temperature di esercizio richieste dai vari processi. È questo uno dei temi di grande dibattito ed attualità, ovvero si parla sempre più spesso di “Technology Readiness Level” (TRL) per classificare il fatto che non tutte le alte temperature richieste nell’industria possono essere raggiunte con le tecnologie più green, anzi (sebbene le cose stiano cambiando velocemente) per i trattamenti termici più impegnativi ad esempio al di sopra dei 100-120 °C le tecnologie in pompa di calore non sono così diffuse e spesso sono a livello prototipale, sopra il 140 °C parliamo quasi sempre di ricerca di laboratorio e comunque il tutto poi dipende anche dalla temperatura delle sorgenti termiche.

La fattibilità della tecnologia delle pompe di calore nelle applicazioni industriali dipende dunque dai livelli di temperatura necessari nella produzione e anche dalla temperatura delle sorgenti.

Eurostat ad esempio distingue i seguenti settori:

• ferro e acciaio/metalli non ferrosi;
• chimico e petrolchimico;
• minerali non metallici;
• carta, cellulosa e stampa;
• macchinari per l’industria alimentare e del tabacco;
• lavorazione del legno;
• mezzi di trasporto;
• tessile e pelle;
• altri.

Dalla figura 3 appare immediatamente evidente che il campo di applicazione delle pompe di calore è certamente molto ampio e adatto a molti settori applicativi, prevalentemente quelli nelle aree verde chiaro e verde scuro. Le aree gialle e arancioni, che rappresentano temperature al di sopra dei 100 °C, sono per ora ancora saldamente dominate dalle applicazioni a combustione tradizionale.

Queste includono caldaie a condensazione di tipo evoluto, modulante, con controlli digitali e alimentate a gas: una combinazione che offre certamente buoni livelli di efficienza (all’interno delle apparecchiature a combustione) per raggiungere alte ed altissime temperature, dove le pompe di calore oggi non riescono ad arrivare in modo efficiente, ma dove in un relativamente breve periodo si prevede arriveranno, come ad esempio evidenziato dalla technology roadmap tracciata dalla IEA all’interno dell’Annex 58 (vedasi figura 4).

Conclusioni

Il settore delle pompe di calore commerciali ed industriali si sta ormai configurando come soluzione stabile per la sostituzione parziale o complessiva delle soluzioni di combustione tradizionali in virtù, in molti settori applicativi, dei possibili risparmi in termini di energia primaria. Se nel campo commerciale, dagli uffici 200agli hotel, dai centri commerciali agli ospedali, fino agli impianti sportivi e alle strutture ricettive, le pompe di calore rappresentano oggi una soluzione ampiamente diffusa per soddisfare esigenze di riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria, specie se abbinate alla produzione di energia elettrica 100% rinnovabile (es. fotovoltaico, idroelettrico, eolico, ecc.) e con refrigeranti naturali (es. ammoniaca (R717), anidride carbonica (R744) o propano (R290)), nel campo industriale ancora alcuni passaggi devono essere fatti.

Il settore termico industriale è responsabile di circa il 32% del consumo energetico glo­bale e si stima che circa la metà di esso sia disperso in ambiente sotto forma di flussi di calore inutilizzati o cosiddetto calore di scarto (o Waste Heat). Un simile spreco non è più tollerabile so­prattutto perché siamo in tempi di crisi climatica, elevati costi dell’energia e la necessità di una urgente e drastica riduzione delle emissioni inquinanti è un fatto ormai riconosciuto a livello globale. La messa in campo di strategie di efficientamento, in­cluso il recupero energetico negli impianti termici nell’industria è una strada percorribile con numerose tecnologie ormai mature e disponibili perlomeno fino agli 80-100 °C attraverso le tecnologie HP (Heat Pumps = Pompe di Calore) e HTHP (High Temperature Heat Pumps = Pompe di Calore ad Alta Temperatura).

Tale limite di temperatura (80-100 °C ) si sta sempre più alzando e ben presto, attraverso le VHTHP (Very High Temperature Heat Pumps = Pompe di Calore ad Altissima Temperatura), si prevede sarà possibile arrivare, in maniera efficiente e a basse emissio­ni, a 140-180 °C.

In attesa di un ampio impiego delle pompe di calore in ambito industriale, la sostituzione di vecchie centrali termiche obsolete, magari non a condensazione con tecnologie: a condensazione, con i recuperi termici lato fumi, gli economiz­zatori, la cogenerazione e la trigenerazione (laddove applicabili efficientemente), costituiscono tecnologie valide per ridurre gli sprechi e condurci gradualmente verso una società decarbo­nizzata anche nel campo industriale, garantendo così maggiore sostenibilità e competitività all’industria Europea e minori costi per i consumatori.