Pompe di calore ibride per edifici non ristrutturati. Una proposta di FIRE

Giuseppe Tomassetti, Dario Di Santo

Le pompe di calore hanno un ruolo fondamentale nella transizione energetica per due motivi: l’energia meccanica che aziona la pompa permette di assorbire calore ambientale esterno (aria o acqua) e di trasferirlo ad una temperatura più elevata adatta a scaldare gli edifici, ottenendo un forte risparmio di energia primaria del combustibile fossile; sono tradizionalmente alimentate da elettricità, forma di energia che progressivamente è sempre più prodotta da fonti rinnovabili.

Per ciò che riguarda le imprese italiane di settore, alcune  hanno sviluppato la proposta di impianti ibridi caldaie a gas/pompa di calore, la commutazione potrebbe avvenire, area per area, su comando del gestore della rete di distribuzione in accordo con una specifica tariffa. Ovviamente questa soluzione richiederebbe l’adozione di specifici sistemi di controllo oltre che l’evoluzione delle società di distribuzione verso un ruolo più attivo di quello svolto oggi.

Proponiamo un approfondimento sul tema a cura del Vicepresidente e del Direttore FIRE.

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Le pompe di calore hanno un ruolo fondamentale nella transizione energetica per due motivi:

1 – l’energia meccanica che aziona la pompa permette di assorbire calore ambientale esterno (aria o acqua) e di trasferirlo ad una temperatura più elevata adatta a scaldare gli edifici, ottenendo un forte risparmio di energia primaria del combustibile fossile;

2 – sono tradizionalmente alimentate da elettricità, forma di energia che progressivamente è sempre più prodotta da fonti rinnovabili.

In un’applicazione ottimale si può considerare che, in un edifico termicamente ristrutturato, con distribuzione del calore a bassa temperatura, il COP o coefficiente di prestazione, possa raggiungere un valore di 4 d’inverno, cioè fornire 4 kWh termici per un kWh meccanico assorbito.

Il kWh meccanico è generato da un motore elettrico alimentato dalla rete, d’inverno in Italia circa l’1/3 dell’elettricità è generata da fonte rinnovabile e 2/3 generata in impianti termoelettrici da fonti fossili, con rendimento di circa il 50%; si ha così un consumo di 2/3/0,5=1,3 kWh da fonte fossile (considerando le perdite di rete si sale a 1,45kWh) per la fornitura di 4 kWh termici utili. Se il calore fosse generato con una caldaia a condensazione ipotizzando un rendimento 100%, il consumo di fonte primaria sarebbe di 1kW/1kWt, mentre, con la pompa di calore si ha un consumo di energia primaria pari a 1,45kWh da fonte fossile/4kWt= 0,36 kW con una riduzione del consumo di energia fossile del 64%.

Questo bilancio è molto positivo ma non è generalizzabile rapidamente alla totalità degli edifici. In Italia in particolare, ci si trova a dover affrontare tre differenti ostacoli, in parte transitori e superabili ma solo in tempi lunghi:

  1. La fonte rinnovabile prevista in maggiore espansione in Italia, la fotovoltaica, è concentrata nei mesi estivi, in fase con la domanda di condizionamento, ma meno disponibile d’inverno specie nelle ore notturne, di mattino e di sera quando la domanda delle pompe di calore dovrebbe essere maggiore (e le batterie non possono fare lo stoccaggio stagionale).
  2. Le reti di distribuzione dell’elettricità sono storicamente dimensionate, nelle aree residenziali, per i bisogni di illuminazione e per il funzionamento non contemporaneo delle tante apparecchiature presenti nelle abitazioni, coprendo solo il 20% dei consumi nazionali. Per poter servire contemporaneamente nuovi carichi costanti, come le pompe di calore e la ricarica delle auto elettriche, dovrebbero avere capacità 2-3 volte maggiore.
  3. La grande maggioranza degli edifici non è stata ristrutturata termicamente, non si è avuta una riduzione della domanda che allevierebbe la richiesta invernale di elettricità, così come si è mantenuta la distribuzione del calore con i termosifoni con acqua a 60-70 gradi; per queste temperature il COP della pompa risulta più basso, attorno a 2,5 con un vantaggio di efficienza ridotto. Applicando lo stesso calcolo ad edifici con potenziali di COP 2,5 e COP 2 i consumi di fonte primaria fossile, per ogni kWt generato sarebbe rispettivamente di 0,58kW e 0,73 kW e la riduzione del consumo di fonte fossile passerebbe a 42% e 27% rispetto al 64% della situazione ottimale.

Questi ostacoli potranno essere superati nel tempo. Per il primo ostacolo, grazie all’espansione dell’eolico, maggiormente disponibile d’inverno e allo stoccaggio stagionale grazie alla conversione del solare estivo in idrogeno ed altri gas derivati; le batterie saranno preziose per lo scambio giorno/notte ma non per quello estate/inverno.

Il consumo nelle aree residenziali avrà il contributo degli impianti distribuiti, ma le nostre reti di distribuzione vanno ristrutturate. Si potrà provvedere nelle aree urbane a collegare una parte dei condomini e degli edifici alla rete di media tensione, in grado di gestire più facilmente la contemporaneità dei carichi.

Il rinnovamento degli edifici andrà inquadrato nella rigenerazione urbana e dei quartieri e nella strategia di riqualificazione nazionale del parco immobiliare. Sono evoluzioni possibili ed in parte necessarie ma molto lente. Nel frattempo, può essere opportuno esaminare la possibilità di risposte utili per il transitorio non solo dal punto di vista tecnologico ma anche sociale e politico.

Alcune imprese italiane del settore hanno sviluppato la proposta di impianti ibridi caldaie a gas/pompa di calore, la commutazione potrebbe avvenire, area per area, su comando del gestore della rete di distribuzione in accordo con una specifica tariffa. Ovviamente questa soluzione richiederebbe l’adozione di specifici sistemi di controllo oltre che l’evoluzione delle società di distribuzione verso un ruolo più attivo di quello svolto oggi.

L’innovazione tecnologica sta portando sul mercato soluzioni di pompe di calore ad alta temperatura con rendimenti maggiori del passato e rende perseguibile l’opzione pompa di calore per termosifoni, economicamente meno impattante di una riqualificazione completa degli edifici, ma non è la situazione ottimale dal punto di vista sistemico (capacità di generazione nazionale rinnovabile e di riserva, reti di distribuzione, occupazione suolo, etc). A tale proposito, nei paesi del nord Europa come la Germania, si propone di estendere rapidamente l’applicazione delle pompe di calore elettriche anche agli edifici non energeticamente ristrutturati; questi paesi contano su una forte espansione dell’eolico, maggiormente attivo d’inverno per avere una quota crescente di elettricità rinnovabile e su una maggiore elettrificazione delle aree residenziali (consumo per abitante circa 20% maggiore che in Italia pur in assenza della domanda di condizionamento estivo), ma da associare anche alla crescente domanda delle auto elettriche.

Occorre tener conto, oltre dei vincoli tecnici, degli indirizzi della politica europea, anche se a volte appare che la politica giudichi più importante gettare il cuore oltre l‘ostacolo, salvo poi temere le rivolte delle Vandee. Fra pochi anni non sarà più incentivato l’uso di soluzioni basate sui combustibili fossili (per il residenziale già dal 2026). Questo da un lato favorirà la transizione verso soluzioni più efficienti sul fronte dei consumi energetici e delle emissioni di gas serra, dall’altro potrà mettere più in evidenza i problemi sopra evidenziati.

 

Cogenerazione ad alto rendimento (CAR) e pompa di calore

Un’opzione che potrebbe essere utile nel breve periodo, per superare le difficoltà sulle reti elettriche, potrebbe essere l’accoppiata cogenerazione ad alto rendimento (CAR) – pompa di calore, che FIRE aveva peraltro approfondito una quindicina di anni fa in uno studio. Si tratta di un’opzione che mette insieme due tecnologie particolarmente prestazionali in termini energetici e ambientali; in caso di riqualificazione energetica si potrebbe rimanere con la sola pompa di calore e impiegare il cogeneratore come generatore elettrico e termico di soccorso.

Per le applicazioni della cogenerazione nel settore residenziale, con taglie ridotte rispetto al settore industriale, per l’impiego del combustibile metano, sono possibili due opzioni tecnologiche: le celle a combustibile e i motori a scoppio a ciclo Otto.

Le celle a combustibile sono disponibili con rendimenti elevati anche per taglie di pochi kW, quindi, sarebbero adatte anche per singoli appartamenti, sono però diffuse ampiamente solo in Giappone. La battaglia per la trazione elettrica ha visto vincitrice la batteria per le auto mentre le celle assolvono le crescenti applicazioni dell’idrogeno per gli autobus e i treni.

I motori a ciclo Otto sono entrati nella cogenerazione nel settore residenziale negli anni 80. Oggi sono disponibili modelli molto validati ed affidabili e piuttosto compatti per taglie a partire da 25 kWe e 80 kWt, quindi tipicamente applicati in attività del terziario capaci di autoconsumare l’elettricità oltre che il calore.

Nella integrazione con le pompe di calore il mercato è perciò orientato verso i condominii. Le difficoltà economiche per questi apparati nel settore residenziale sono in genere legate al basso fattore di carico del riscaldamento, attorno a 1000-1500 ore/anno, limite che può essere superato se l’edificio e l’impianto permettono di assolvere anche il servizio di condizionamento estivo, impiegando una pompa di calore reversibile.

Nella soluzione proposta, un cogeneratore costituito da un motore a scoppio e un alternatore, va accoppiato elettricamente al motore elettrico di una pompa di calore; c’è una ridondanza di componenti ma così si usano prodotti ben sperimentati e si ha la massima flessibilità. Un decennio fa era sul mercato una soluzione con un motore a scoppio che azionava direttamente il compressore della pompa di calore soluzione più economica, più compatta e più efficiente ma meno flessibile.

Le prestazioni della soluzione proposta sono fortemente dipendenti dalla taglia dei motori, valutazioni preliminari mostrano, per applicazioni con COP attorno a 2,5 riduzioni di consumo di fonte fossile dello stesso ordine di grandezza di quelle ottenibili alimentando le pompe di calore con l’attuale elettricità di rete.

L’evoluzione in fase di avvio del sistema elettrico, specie nella distribuzione, per un servizio sempre più flessibile, riducendo i consumi di energia, di territorio e di investimenti, potrà utilizzare le aperture delle Comunità Energetiche oltre il PV; non è facile prevedere oggi quanto e quando si diversificheranno le soluzioni ottimali per i diversi contesti.

 

Aspetti gestionali e nomativi

Si aggiunge infine una osservazione di carattere gestionale sul collegamento fra basso COP e elevata temperatura del calore distribuito. La gestione, formalizzata e normata, del riscaldamento degli edifici con caldaie, generalmente, prevede lo spegnimento degli impianti per almeno otto ore di notte per ottenere una piccola riduzione delle perdite (di notte gli infissi sono ben chiusi, spesso con persiane, tapparelle e sportelli chiusi, dunque non abbiamo le aperture delle ore di luce). Lo spegnimento notturno crea però un picco di domanda al mattino fra le 6 e le 8, ben evidente nelle reti di teleriscaldamento, le caldaie e le temperature dei radiatori sono progettate per questo picco di domanda. La rete gas ha molta capacità, l’utente paga solo il consumo, non la potenza richiesta; da questa situazione deriva il sovradimensionamento delle caldaie e delle temperature.

La gestione delle pompe di calore elettriche è molto differente, si paga sia il consumo che la potenza; l’efficienza aumenta se si abbassano le temperature, conviene non fare l’interruzione notturna per evitare il picco di domanda al mattino, se si ha un contributo PV conviene autoconsumare nelle ore di luce accumulando nell’edificio, forzando le valvole termostatiche pensate ed imposte sulla base delle caldaie. Fra qualche anno, con l’accumularsi di esperienze è verosimile si diffonda un diverso modo di gestire il riscaldamento negli edifici e saranno disponibili sistemi di regolazione e programmazione che considerino assieme le temperature esterne, la presenza di fotovoltaico e batterie e le caratteristiche dell’edificio.

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Una risposta a Pompe di calore ibride per edifici non ristrutturati. Una proposta di FIRE

  1. Articolo molto interessante e assolutamente condivisibile. Sarebbe stato interessante avere anche un quadro di analisi considerando anche l’opzione di una pompa di calore a gas (Thermally Driven Heat Pump), per avere una panoramica complessiva più estesa.