Congiuntamente con l’ufficio tecnico abbiamo portato a termine una serie di rilievi volti a definire la potenza termica da dissipare, informazione che in ragione della complessità dell’impianto ha richiesto alcuni mesi di rilievi e verifiche, anche a causa dei periodi produttivi a regimi ridotti a causa del COVID.

Effettuato l’intervento di revamping del sistema di raffreddamento nel reparto di stampaggio materie plastiche, a distanza di un primo anno di funzionamento a pieno regime la proprietà ha constatato la validità del progetto e ha deciso di investire in un potenziamento, volto a supportare i futuri ampliamenti produttivi e nel caso fornire un valido back up ai chiller attualmente in uso nello stabilimento.

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In questo contesto, una tecnologia altamente innovativa pertiene l’utilizzo della CO2 come refrigerante, in sostituzione dei fluidi refrigeranti tradizionali, offrendo una valida alternativa per conformarsi alle nuove normative nel comparto della refrigerazione volte a ridurre l’impatto ambientale del settore. La CO2 infatti è una risorsa naturale, disponibile in atmosfera e ma anche come prodotto di scarto in numerosi processi industriali. Molto in crescita sono a tale riguardo anche le tecnologie che provvedono alla cattura, stoccaggio e utilizzo della CO2, chiamate CCS o CCUS (Carbon Capture and Storage e Carbon Capture Utilization and Storage).

Le proprietà della CO2 rendono infatti questo gas una risorsa rinnovabile che offre un elevato tasso di efficienza nel trasferimento termico, che aumenta la sicurezza delle applicazioni in caso di perdite negli impianti e garantisce al contempo un alto potenziale di abbattimento delle emissioni, con un valore di Global Warming Potential pari a 1.

Nei cicli termici di compressione, condensazione ed evaporazione della CO2 occorre tuttavia lavorare con pressioni di esercizio molto elevate, che arrivano fino a 140 bar. Ambito che apre nuove interessanti prospettive applicative per gli scambiatori saldobrasati, che grazie al particolare ciclo di saldobrasatura sono in grado di resistere a elevatissime pressioni di lavoro.

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Il biogas è un prezioso alleato nella transizione energetica, e Tempco è molto attiva in questo comparto con un gran numero di referenze e impianti realizzati per contribuire allo sviluppo efficiente del settore del biogas in ottica green e di sostenibilità. Il biogas è difatti una fonte di energia rinnovabile, ottenuto dalla decomposizione anaerobica di biomasse, come rifiuti agricoli e alimentari, scarti industriali e reflui zootecnici. Il biogas rappresenta quindi un’importante fonte alternativa per la produzione di energia, che consente il recupero e la valorizzazione di materiali di scarto in ottica di economia circolare e al contempo la riduzione dei gas serra.

Come fonte di energia rinnovabile e green, il biogas può quindi essere utilizzato per generare elettricità, produrre calore o alimentare veicoli, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e contribuendo alla sicurezza energetica.

Nell’articolo sono descritte maggiormente in dettaglio alcune applicazioni pratiche di impianti e soluzioni per il trattamento del biogas realizzate da Tempco. In sostanza, il trattamento del biogas consiste nella deumidificazione del biogas stesso, passaggio essenziale per ridurre l’umidità presente nel gas e migliorarne la qualità affinché possa essere utilizzato in motori endotermici e nella produzione di energia. La tecnologia principalmente impiegata è quella della refrigerazione a compressione, tra le più diffuse ed efficaci allo scopo.

Il processo coinvolge diversi componenti chiave:

– Compressore: il biogas grezzo viene compresso per aumentarne la pressione e ridurre il volume.
– Scambiatore di raffreddamento e deumidificazione: il gas compresso viene raffreddato, causando la condensazione dell’umidità.
– Separatore di condensa: l’acqua condensata viene quindi separata dal gas deumidificato.

Infine, il biogas deumidificato può essere ulteriormente trattato per rimuovere impurità solide o liquide residue.

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Anche nel 2023 abbiamo difatti avviato un discreto numero di impianti per biogas, tutti completi di chiller, scambiatore di calore e separatore di condensa.

Tutti gli impianti sono sempre in configurazione completa e vengono consegnati pronti per l’installazione. Di particolare interesse sono quindi le ultime applicazioni in ambito delle cartiere, con lo scopo di abbattere le emissioni inquinanti. Le cartiere presentano infatti un alto potenziale per la produzione di biogas e biometano, in quanto il ciclo produttivo di una cartiera genera una grande quantità di acque reflue ricche di COD (chemical oxygen demand) biodegradabili, che si prestano a essere trattati e valorizzati per produrre biogas.

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Questo sviluppo permette quindi di utilizzare condensatori ad aria, i classici dry-cooler, adottando una soluzione che offre anche il vantaggio di eliminare i consumi d’acqua delle torri e offre una gestione molto più semplice dell’impianto. Non vi è infatti più il rischio di implicazioni di legionella derivanti da una cattiva gestione delle acque oppure di scaling e incrostazioni dovuto alla presenza di carbonati.

Le soluzioni per i cicli di produzione del polistirolo espanso sviluppate da Tempco fanno quindi comunque impiego di particolari scambiatori di calore dotati di tubi in acciaio inox, materiale scelto con l’obiettivo di aumentarne la durata e l’affidabilità nel tempo.

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Negli ultimi anni il settore della refrigerazione ha spinto sempre più la ricerca verso l’impiego di gas nuovi alternativi che limitino l’effetto serra. Un esempio è anche l’ammoniaca, che però di contro ha risvolti negativi sul fronte della tossicità e infiammabilità. Ultimo nato è invece la CO2.

Si stanno infatti sempre più sviluppando impianti di condizionamento, refrigerazione e raffreddamento che nel loro ciclo termico impiegano la CO2, l’anidride carbonica. La CO2 è un gas naturale con quindi risvolti decisamente green. Vi sono però naturalmente anche delle implicazioni e difficoltà, legate al fatto che la CO2 ha dei passaggi di stato che avvengono a pressioni molto elevate, e parliamo di 100, 120, 130 o 140 bar. Basti pensare che un impianto di refrigerazione che impiega il classico freon lavora in fase di condensazione a pressioni al massimo di 40-45 bar.

Pertanto tutta la componentistica che viene utilizzata negli impianti di refrigerazione necessita di un importante upgrade tecnologico per poter lavorare con la CO2. Impianti funzionanti a CO2 esistono già sul mercato, per cui la componentistica già esiste, magari non per tutte le taglie e le potenze. Ad esempio però i compressori per CO2 sono già disponibili sul mercato, in un’ampia gamma anche se magari non proprio a coprire tutte le taglie e potenze.

Sorgono difficoltà invece a livello di raccorderia e tubazioni, in quanto occorre studiare raccordi e tubazioni in grado di resistere a queste pressioni. Di contro, lavorando a pressioni tanto elevate si hanno alti volumi specifici, consentendo di ridurre i diametri delle tubazioni.

Sul fronte dello scambio termico è quindi anche necessario studiare scambiatori di calore, in funzione di condensatori ed evaporatori, che siano appositamente pensati per lavorare con queste pressioni elevate nelle applicazioni a CO2. Scambiatori che possono essere dei saldobrasati come evaporatori o condensatori, oppure batterie di scambio termico quando abbiamo scambiatori ad aria. Ad ogni modo, si tratta di apparecchiature studiate ad hoc per poter lavorare con la CO2 ad alta pressione. Una gamma ampia è già disponibile fino a potenze interessanti, ma quella in cui attualmente ci troviamo è sicuramente ancora una fase di forte studio e sviluppo.

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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.

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Gli scambiatori saldabrasati vengono impiegati nei chiller in funzione di condensatori, in caso di condensazione ad acqua, o come evaporatori, ossia come scambiatori tra il gas frigorigeno che evapora e il fluido da raffreddare, che sia acqua, soluzione glicolata oppure olio.

Ridurre l’impatto ambientale della refrigerazione industriale è quindi possibile grazie allo sviluppo e all’impiego di scambiatori saldobrasati a micro channel, ovvero scambiatori che presentano piastre con una profondità di stampaggio molto ridotta, nell’ordine dei 2 mm, 2,5 o 3 mm circa, a seconda del fluido che si andrà a utilizzare con lo scambiatore.

La sfida è pertanto realizzare macchine che garantiscano la stessa resa termica ma impiegando una ridotta quantità di gas frigoriferi. Ciò per avere volumi di freon o gas frigorifero molto più contenuti in caso di dispersione nell’ambiente. Il fatto di avere canali di passaggio tra le piastre molto piccoli consente quindi di avere meno gas che passa tra di esse, ottenendo la stessa resa termica.

Normalmente, la dimensione di questi canali negli scambiatori deve avere un certo diametro, onde evitare fenomeni di sporcamento e intasamento, in relazione quindi al tipo di applicazione. Nel caso dei chiller, l’acqua circola nello scambiatore a circuito chiuso, venendo perciò filtrata all’inizio, prima di caricare il sistema, ed è poi sempre la stessa che viene continuamente fatta circolare su se stessa. Pertanto difficilmente presenta particelle tali da causare sporcamento o intasamenti. Inoltre, lo scambiatore/evaporatore lavora a temperature molto basse, e sicuramente al di sotto dei livelli di temperatura che provocano la precipitazione dei carbonati, motivo in più per cui questi scambiatori non sono soggetti a sporcamento.

Per queste ragioni, è pertanto possibile impiegare canali di passaggio molto più piccoli, riducendo la quantità di gas frigorifero che circola nell’impianto creando così dei gruppi frigoriferi con un carbon footprint ancora più contenuto.

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Ricordo quando sul mercato si iniziò a pensare di utilizzare gli inverter per regolare la velocità dei compressori nei gruppi frigoriferi. Inverter che già da tempo si impiegano inverter per regolare la velocità dei motori elettrici, modulando la potenza assorbita in base alle stagioni. E’ infatti chiaro che durante la stagione estiva, con le temperature ambientali più alte, un gruppo frigorifero deve assorbire la sua massima potenza per generare i livelli di freddo richiesti. Mentre in inverno si ha minore necessità di potenza, per una serie di ragioni, come la miglior efficienza del sistema di condensazione e il fatto che l’acqua arriva dal processo produttivo già a livelli di temperatura più bassi.

Lo studio nel tempo di sistemi per implementare il risparmio energetico nei gruppi frigoriferi è stato quindi mirato a regolare la velocità dei ventilatori sui condensatori impiegando motori EC, a controllo elettronico, tramite inverter. Ciò consente di regolare la velocità dei ventilatori in base alla temperature ambiente.

Lo stesso tipo di regolazione si pensava di poterlo applicare ai compressori. Per spiegare il perché facciamo un esempio pratico: nel dimensionare un gruppo frigorifero per regolare la temperatura di reattori farmaceutici, l’impianto deve essere ingegnerizzato per fornire la massima potenza necessaria per svolgere quella funzione di raffreddamento. Vi sarà però anche una serie di situazioni intermedie in cui non serve che la capacità frigorifera di progetto sia sfruttata al massimo, ma magari solo al 50% o al 30.

In passato si facevano per questo impianti multi-compressore, con compressori a gradini, andando a far funzionare tutti i compressori, o uno su quattro, o due su quattro. Soluzione che consente di lavorare con un buon risparmio energetico cercando di modulare la potenza, chiaramente a gradini. Ovvero, con un impianto a quattro compressori, possiamo avere una potenza al 100%, al 75, al 50, al 25 o allo 0%.

Altro miglioramento era installare dei serbatoi volano per accumulare acqua refrigerata, smorzando i carichi, le punte e gli avvallamenti nel diagramma del lavoro termico da svolgere. Regolazione ottima, ma che può essere ancora migliorata.

Il miglioramento sta nell’inverter, che permette di modulare la velocità del compressore in modo da avere l’erogazione della corretta quantità di energia nell’esatto momento in cui mi serve. Che rappresenta la condizione davvero perfetta. Ricordo quindi che i primi tentativi di installare inverter sui compressori fallirono, in quanto si trattava di compressori volumetrici a pistone, che quando venivano alimentati dall’inverter si bloccavano.

Il problema è stato superato con l’avvento dei compressori scroll, che quindi consentono l’uso con inverter. Compiendo un enorme passo avanti nel risparmio energetico applicato ai gruppi frigoriferi. Vi sono poi altre opzioni per implementare ulteriormente il risparmio energetico, come ad esempio usare inverter sulle pompe, regolando quindi la pressione, ma ne parleremo prossimamente.

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Nella refrigerazione, oltre alle misure legate alle tipologie di freon impiegate nei gruppi frigoriferi, i costruttori si stanno infatti adoperando per diminuire la quantità di gas presente nelle macchine. Gli scambiatori saldobrasati serie B hanno un design asimmetrico delle piastre brevettato che ne ottimizza l’efficienza riducendo la quantità di refrigerante richiesto, con minori perdite di carico nel circuito dell’acqua rispetto ad altre tipologie di scambiatori nelle stesse condizioni di lavoro.

Gli scambiatori saldobrasati serie B sono inoltre compatibili con i refrigeranti naturali e i fluidi refrigeranti alternativi R290, R32 e R454B a basso GWP (Global Warming Potential), perseguendo l’obiettivo della riduzione delle emissioni dirette di CO2 e dell’impatto ambientale nel settore refrigerazione.

Questi in sintesi i vantaggi che offre la serie B di scambiatori saldobrasati:

• Riduzione fino al 44% della quantità di refrigerante
• Riduzione fino a 25% delle perdite di carico dell’acqua
• Incremento fino al 19% del flusso

Un approccio simile viene oggi seguito anche per i condensatori ad aria, nei quali sono sempre più diffusi i design con sistemi a micro channel.

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