Pompe di calore: le sfide di una realtà industriale matura
Quando si parla di transizione energetica vengono in mente le auto elettriche o i pannelli fotovoltaici. Un'altra tecnologia fondamentale, ma che forse ha fatto meno breccia nell'immaginario comune, sono le pompe di calore elettriche, soluzioni efficienti e sostenibili per la climatizzazione degli edifici, che oggi sono responsabili di larga parte delle emissioni soprattutto delle aree urbane.
“La transizione energetica non può riuscire senza una trasformazione del settore termico” ha detto Martina Battocchio, EU Policy Officer della European Heap Pump Association (EHPA), a un evento divulgativo organizzato dal Centro studi di economia e tecnica dell'energia "Giorgio Levi Cases" dell’università di Padova, lo scorso 24 febbraio. “Riscaldamento e raffrescamento insieme rappresentano circa il 50% consumo energetico europeo e il 70% di questa energia al momento proviene da fonti fossili”.
Come funzionano
Una pompa di calore è un dispositivo che può fornire riscaldamento, raffrescamento o acqua calda per abitazioni, aziende e oggi sempre di più anche per l’industria. Il loro principio di funzionamento è semplice: per quanto riguarda il riscaldamento, prelevano calore da una fonte esterna che può essere l’aria, il suolo o un bacino d’acqua e lo trasferiscono all’interno dell’edificio. Lo stesso ciclo può essere invertito per rimuovere calore dall’ambiente interno e raffrescarlo.
Il segreto delle pompe di calore risiede nel fluido refrigerante che scorre nell’impianto e che viene usato per scambiare calore tra ambiente esterno e interno. Spesso questi fluidi vengono indicati con sigle come R410A (usato fino a qualche anno fa), R32, o R290. Quest’ultimo per esempio è propano e il suo utilizzo sta prendendo piede negli impianti più recenti.
Con le tradizionali caldaie a gas siamo abituati a scaldare l’acqua, anche fino a 60°C, e farla arrivare ai radiatori per scaldare casa. Le pompe di calore invece utilizzano dei fluidi che hanno una proprietà molto particolare: evaporano a temperature molto basse, anche vicine agli 0°C o addirittura al di sotto dello zero. Così anche quando fuori farà freddo, ci sarà comunque una differenza di temperatura tra l’ambiente esterno e il gas, e questa differenza permetterà lo scambio di calore tra il primo e il secondo.
Il gas evaporato raggiunge quindi un compressore, alimentato da energia elettrica, che aumenta la pressione e di conseguenza la temperatura del gas, che diventa più caldo e arriva a un condensatore, da cui viene rilasciato il calore nell’impianto di riscaldamento dell’edificio. Al contempo la condensazione ritrasforma il gas in liquido, che torna a temperature e pressioni più basse ed è pronto per ricominciare il ciclo.
Per raffrescare l’edificio, il ciclo viene semplicemente invertito: il calore all’interno dell’edificio viene catturato dal gas evaporato e ceduto all’ambiente esterno.
Il ciclo di una pompa di calore si divide in 4 fasi: evaporazione, compressione, condensazione, espansione. Credits: EHPA
Efficienza e sostenibilità
Naturalmente, maggiore è la differenza di temperatura tra la sorgente esterna (aria, acqua o suolo) e l’ambiente interno, più favorevole sarà lo scambio. Quando questa differenza è ridotta (ad esempio quando si vuole scaldare casa d’inverno), la pompa di calore dovrà lavorare di più. “Più fredda è la sorgente, minore è il COP”, ossia il coefficiente di performance, spiega Michele De Carli, professore del dipartimento di ingegneria industriale dell’università di Padova. Il COP misura il rapporto tra l’energia resa (ossia il calore ceduto all’ambiente da riscaldare) e l’energia elettrica consumata.
“Studi recenti hanno mostrato che il COP delle pompe di calore, dal 2020 al 2025, è nettamente aumentato” sostiene De Carli. Ciò significa che la tecnologia è diventata più efficiente. “All’interno del progetto NEST, finanziato da fondi del PNRR, abbiamo fatto delle analisi che hanno mostrato che usando le pompe di calore, il livello atteso di classe energetica di un’abitazione sale di 2 classi. Se ci aggiungiamo anche il fotovoltaico per auto-produrre l’energia elettrica, si rientra in classe elevata”.
Oggi le pompe di calore in commercio sono in grado di raggiungere COP di 3 o 4, valori considerati molto elevati: significa che per ogni unità di energia consumata vengono prodotte 3 o 4 unità di calore. Anche se l’energia elettrica non dovesse essere tutta rinnovabile, ma proveniente per esempio anche da combustibili fossili (come nel caso del mix elettrico italiano che dipende per quasi la metà dal gas), le emissioni associate alla pompa di calore sarebbero in ogni caso molto più basse di quelle prodotte da una caldaia a gas, spiega De Carli. La ragione sta proprio nell’efficienza: la pompa di calore fa lo stesso lavoro di una caldaia richiedendo meno energia.
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Il quadro normativo
“È ormai chiaro che le pompe di calore non sono una semplice tecnologia alternativa, ma uno strumento sistemico di decarbonizzazione” ha detto Martina Battocchio. “Una tecnologia da sola però non cambia il mondo, serve quadro normativo che la governi”.
Dopo la crisi energetica del 2022, che ha aggiunto alla sfida della transizione la dimensione della sicurezza energetica, il piano Repower EU ha riconosciuto le pompe di calore come tecnologia prioritaria e ha posto l’obiettivo di installarne altre 10 milioni entro il 2027. Negli ultimi anni sono stati messi appunto diversi pacchetti normativi come la direttiva su efficienza energetica (EED) o quella sulla performance degli edifici (EPBD) che hanno indirettamente indicato le pompe di calore come strumento chiave per la transizione energetica. Altri ancora sono attesi.
“Oggi in Europa ce ne sono circa 26 milioni di installate, solo nel 2024 ne sono state vendute 2,3 milioni. Esistono 300 siti produttivi, per più di 21 miliardi di euro di fatturato” ha ricordato Battocchio. “Non può più essere considerata una tecnologia sperimentale, ma una realtà industriale consolidata”. Tuttavia non mancano le criticità.
“Dopo anni di crescita sostenuta c’è stato un rallentamento non per limiti tecnologici ma ragioni sistemiche: in alcuni Stati membri il segnale di prezzo non riflette il rapporto tra efficienza e contenuto carbonico di diverse tecnologie e fonti” sostiene Battocchio. In altri termini, in diversi Paesi, tra cui l’Italia, l’energia elettrica è soggetta a maggiori costi (oneri di sistema e tassazione), cui il gas naturale non è soggetto.
Un recente studio di EHPA ha mostrato che nei Paesi in cui l’elettricità ha prezzi più alti perché ha regimi di tassazione più sfavorevoli, anche le pompe di calore hanno una minore diffusione.
In Belgio per esempio l'elettricità costa fino a 4 volte più del gas, di conseguenza le pompe di calore si prendono meno del 15% della fetta del mercato del riscaldamento. La Svezia invece favorisce le soluzioni pulite e tassa pesantemente i combustibili fossili: il risultato è uno dei tassi di adozione più alti d'Europa. L'Italia sta nel mezzo.
“La stabilità regolatoria non c’è e questo crea incertezza” sottolinea Battocchio. Un altro aspetto da monitorare è che l’atteso aumento di domanda elettrica nel settore del riscaldamento rischia di creare carichi elevati: “se lo sviluppo dell’infrastruttura di rete non segue l’aumento della domanda, si generano inefficienze e ritardi”.
Dalla casa all’industria
“È ormai chiaro che la tecnologia è matura, ma come possiamo utilizzarla?” si chiede Alberto Salmistraro, amministratore delegato di Eneren. Oltre all’uso domestico le pompe di calore si stanno rivelando pronte a impieghi anche industriali: “ormai si possono raggiungere temperature di 150°C in certi casi, o produzione di vapore a bassa pressione, che consentono applicazioni molteplici, non solo per il comfort domestico”.
Alcuni utilizzi possono essere davvero innovativi, come il recupero dell’energia termica prodotta dai data center, “che sono infrastrutture molto energivore e che scaldandosi hanno bisogno di capacità frigorifera enorme”. Invece di sprecarlo, quel calore può venire recuperato inserendolo nel ciclo di scambio di un impianto a pompa di calore. Il risultato è che i data center si raffreddano e le abitazioni di una comunità adiacente si riscaldano, in un sistema ad anello. “Pensiamo fare lo stesso per esempio in un ambiente floro-vivaistico che disperde calore in aria. Lo stesso vale per settore alimentare” sottolinea Salmistraro.
Di recente, grazie a fondi PNRR, ha preso il via un progetto di teleriscaldamento a Montegrotto Terme che utilizza il calore dei fanghi termali di scarto degli hotel per riscaldare edifici pubblici.
Non tutti gli edifici però sono adatti a ospitare una pompa di calore, che ha un volume a volte ingombrante. Spesso in quei casi la caldaia a gas è affiancata da un condizionatore dell’aria, che sostanzialmente è una pompa di calore più piccola. I due impianti però operano in maniera indipendente. “Non c’è un’ottimizzazione dei consumi tra lo split e la caldaia, ma un uso intelligente può superare questo limite” spiega Nicola Renoffio, co-fondatore di Giordano Controls.
“Con un’unità di controllo intelligente, dotata di sensori smart, si possono coordinare la caldaia e lo split, in funzione della temperatura esterna, delle fasce di prezzo dell’energia o a seconda del carico energetico. Con il dipartimento di ingegneria industriale abbiamo fatto simulazioni e abbiamo registrato riduzioni dei consumi significative, fino a raggiungere un aumento della classe energetica” spiega Renoffio. “Il processo di decarbonizzazione in atto non può affidarsi solo a sostituzioni, spesso deve ricorrere anche ad azioni di retrofit, possibili grazie all’integrazione di tecnologie intelligenti”.
