Torniamo a parlare della tecnologia delle pompe di calore sulla scia di un interessante white paper realizzato da Thomas Nowak, segretario generale della EHPA, European Heat Pump Association. Il documento sviluppa in maniera molto approfondita il potenziale delle pompe di calore per la decarbonizzazione e lo sviluppo delle energie rinnovabili. Iniziamo inoltre in questo modo a introdurre il tema Energia Rinnovabile, che sarà lo speciale focus del nostro Tempco Blog per tutto il prossimo mese di Febbraio 2023.
Le pompe di calore sono dispositivi in grado di fornire riscaldamento e condizionamento oltreché produrre acqua calda ad uso residenziale o per applicazioni nell’industria di processo. Il documento (dati 2015 ma forniscono ancora una valida idea) stima che in Europa il 50,3% della domanda energetica è relativa ad applicazioni di riscaldamento e raffreddamento. In particolare, la domanda energetica per riscaldamento di ambienti e nell’industria di processo ammonta all’85% della richiesta totale. Domanda che viene in maggior parte soddisfatta con combustibili fossili, gas in primo luogo.
Alla base del funzionamento di una pompa di calore vi è un ciclo termodinamico alimentato da energia elettrica che consente di ottenere al contempo riscaldamento e raffreddamento. La maggior parte delle tecnologie di pompa di calore impiega un ciclo di compressione di un gas. Laddove l’energia elettrica per consentire il funzionamento della pompa di calore proviene da fonti rinnovabili, la tecnologia della pompa di calore diventa quindi completamente green e al 100% sostenibile. Sostenibilità che potrebbe quindi essere spinta ulteriormente grazie alla sostituzione dei gas refrigeranti tradizionali, ad alto tasso GWP e inquinanti, con nuovi gas privi di effetto serra, al primo posto la CO2 (R744) che già viene impiegata negli innovativi sistemi di refrigerazione a CO2.
Le basi del ciclo di compressione e refrigerazione in una pompa di calore dovrebbero esserci già note, ma le rivediamo sinteticamente. Questo è composto da un evaporatore, ossia uno scambiatore di calore da liquido a gas, da un compressore, da un condensatore, ossia uno scambiatore da gas a liquido, da una valvola di espansione e da un fluido di scambio termico.
Una pompa di calore, per il suo ottenere l’effetto di condizionamento o per riscaldare, può quindi sfruttare energia rinnovabile, proveniente dall’aria, dall’acqua o dal terreno (geotermia), come spiegato in dettaglio nel documento (pagg 21-22), realizzando applicazioni come quelle sviluppate da Tempco per la Marina di Loano o con scambiatori a immersione nelle acque del Lago di Como.
Il white paper fa quindi una interessante la stima del bilancio energetico offerto dalle pompe di calore, per cui a fronte di una unità di energia elettrica necessaria al funzionamento del ciclo di compressione del gas, e 2-4 unità di energia rinnovabile proveniente dall’ambiente o come energia di scarto recuperata, si ottengono dalle 3 alle 5 unità di energia in riscaldamento e dalle 2 alle 4 unità per il raffreddamento. Con lo sviluppo della tecnologia delle pompe di calore, il livello di efficienza delle stesse è inoltre in continuo aumento. Si stima quindi che una pompa di calore possa fornire riscaldamento a una temperatura compresa tra 30 e 55° C, e acqua calda tra 55 e 65° C. Quest’ultima può anche arrivare fino a 90° C aumentando l’efficienza con pompe di calore a CO2, gas green alternativo che oltre al beneficio in termini di sostenibilità incrementa l’efficienza del ciclo termico della pompa di calore. La sfida per il futuro, nelle pompe di calore a CO2 così come per la refrigerazione a CO2, consiste quindi nello sviluppare componenti in grado di lavorare alle alte pressioni e temperature richieste dai cicli termici a CO2.
Suggestiva e interessante infine anche la riflessione su una possibile futura configurazione delle pompe di calore, che grazie alla combinazione con sistemi di accumulo termico e batterie potrebbero contribuire a stabilizzare la domanda di energia nelle smart grid, aumentando la flessibilità e l’affidabilità della rete e al contempo incrementando il livello di indipendenza delle stesse pompe di calore.
Per restare informato ogni mese sulle ultime applicazioni di gestione dell’energia termica, iscriviti alla Newsletter – Solid Temperature di Tempco.