di Daniele Forni
Girando tra le fiere di settore nel marzo scorso, tra varie novità, tre tendenze hanno attirato la mia attenzione. Evoluzioni tecnologiche e di mercato, ma anche possibili segnali di come si stanno evolvendo domanda e offerta degli impianti termici.
Il primo è quasi un paradosso: a circa un secolo dai primi sistemi di refrigerazione, sviluppati utilizzando refrigeranti naturali come ammoniaca, anidride carbonica, etc., il mercato sta tornando da dove era partito, non per nostalgia, ma per necessità. I refrigeranti sintetici si erano imposti per la loro sicurezza, le buone proprietà termodinamiche e la facilità d’uso. E si sono evoluti, diventando via via più sofisticati. Ora però stanno cedendo il passo, anche sulla spinta del Regolamento europeo F-Gas che sta chiudendo le maglie per i refrigeranti ad alto potenziale di riscaldamento globale (GWP).
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L’avvicendamento è partito dai frigoriferi domestici a inizio secolo – nel corso di questo decennio è arrivato agli impianti monoblocco residenziali, oggi dominati dal propano (R290) – e adesso si sta estendendo a macchine di taglia maggiore per applicazioni commerciali e industriali. Molti costruttori hanno ora a catalogo macchine che gestiscono il nodo del maggior contenuto di gas infiammabile con involucri ventilati e altri accorgimenti che permettono o semplificano l’installazione in vari contesti.
Le pompe di calore hanno cambiato le regole del riscaldamento civile, anche grazie alle temperature più elevate delle macchine con isobutano e propano, che ne permettono l’abbinamento con impianti a radiatori, ampliando le possibilità di retrofit degli impianti esistenti. Ma è nei processi industriali che si può aprire un fronte con un potenziale enorme: il calore industriale di processo vale circa la metà dei consumi energetici finali in Europa, ed è storicamente il segmento più difficile da decarbonizzare. Settori come l’alimentare, il cartario e la chimica — dove le temperature di processo restano sotto i 150°C — sono quelli con le maggiori opportunità immediate. Circa il 30% del fabbisogno termico combinato di questi tre settori potrebbe già essere coperto con le tecnologie a pompa di calore oggi disponibili, per una capacità potenziale di circa 15 GW in Europa su 3.000 impianti stimati. Inoltre, il mercato europeo delle pompe di calore di taglia commerciale e industriale ha una posizione di primo piano a livello mondiale e il 60% della componentistica delle pompe di calore, compresi i compressori impiegati nelle macchine, è italiana (per approfondimenti si suggerisce la lettura dello studio FIRE Catena del valore delle tecnologie di elettrificazione industriale )
I refrigeranti naturali hanno permesso di aumentare la temperatura di mandata, oltre 70 °C con propano e arrivando anche a 100 °C con alcune soluzioni a isobutano. Salendo di temperatura il discorso si complica e fino a poco tempo fa le pompe di calore capaci di produrre vapore erano eccezioni esotiche.
Non è più così. Alle fiere di marzo le macchine in grado di produrre vapore erano presenti in numero significativo, non solo nei cataloghi e fisicamente in fiera: una funzionava, sbuffando silenziosamente vapore nel bel mezzo di un padiglione.
Oltre ai cicli chiusi, ci sono possibilità interessanti di salire ulteriormente di temperatura e pressione ricomprimendo meccanicamente il vapore prodotto o recuperato. Laddove il salto di pressione richiesto è elevato si possono valutare anche compressori volumetrici. La ricompressione meccanica con un compressore a doppia vite (questa in fiera era solo in una brochure), entrerà in funzione in uno degli impianti dimostrativi presentati durante il webinar FIRE “La decarbonizzazione delle imprese attraverso l’elettrificazione“.
Se la pompa di calore sta uscendo di casa e sta entrando in fabbrica, gli accumuli a cambiamento di fase stanno facendo il percorso inverso: nati in ambito industriale e terziario, stanno riducendo le dimensioni e diventando moduli plug and play, permettendo applicazioni anche su impianti più piccoli, fino al domestico. In alcuni casi stanno anche ampliando il campo di applicazione nel settore industriale con temperature oltre 100 °C.
Questi accumuli sfruttano il cambiamento di fase: nel passaggio dallo stato solido a quello liquido e viceversa, vengono rilasciate grandi quantità di calore mantenendo la temperatura quasi costante. Per dare un’idea delle quantità in gioco, per accumulare la stessa quantità di calore del ghiaccio che si fonde, un accumulo ad acqua richiederebbe un salto termico di circa 70 K – 80 K, a seconda che il confronto sia fatto a parità di volume o di peso. Nel caso di un accumulo a cambiamento di fase tutto il calore è disponibile alla temperatura di liquefazione, scelta in fase progettuale, ed è quindi tutto calore utilizzabile.
Mi sono imbattuto in una decina tra produttori di accumuli a cambiamento di fase e produttori che integravano accumuli a cambiamento di fase nei propri prodotti. Il range di applicazioni era ampio, da accumuli per piccole taglie domestiche ad accumuli di dimensioni maggiori disponibili su richiesta con diverse temperature di fusione (da qualche grado sopra zero per applicazioni frigorifere, passando per temperature adatte al riscaldamento e all’acqua calda sanitaria con pompe di calore a oltre 100°C per processi industriali).
Storicamente il calore è stato legato alla combustione. Nuovi refrigeranti naturali e sintetici, nuove pompe di calore e nuovi accumuli permettono oggi di cambiare questo paradigma per il settore civile e buona parte dei processi industriali.
