La fabbrica di mattoni Wienerberger a Uttendorf, in Austria, nelle Alpi tirolesi, ha sempre richiesto un flusso costante di calore a 90 gradi C (194 gradi F) per asciugare i suoi blocchi da costruzione. Questo processo sarebbe stato una proposta costosa per l’azienda dopo che la Russia ha tagliato le esportazioni di gas verso l’Europa, come è stato per la maggior parte del settore delle costruzioni ad alta intensità energetica in Europa. Ma quattro anni fa Wienerberger, il più grande produttore di laterizi al mondo, ha fatto un investimento per il futuro che ora sta dando i suoi frutti: ha sostituito la caldaia a gas di Uttendorf con una pompa di calore su scala industriale, che riduce la bolletta energetica della fabbrica di circa 425,00 euro l’anno.
Per decenni, le pompe di calore elettriche sono state utilizzate nelle case europee e in altri edifici per il riscaldamento e il raffrescamento, ma non hanno mai guadagnato molta trazione nel settore manifatturiero, che ha un fabbisogno energetico molto più elevato per la produzione di acqua calda e vapore. E poiché i combustibili fossili erano stati a lungo relativamente economici, le industrie avevano pochi incentivi a sostituire i sistemi alimentati a gas e petrolio con apparecchiature più ecologiche. Ora, con lo sviluppo di pompe di calore in grado di fornire temperature fino a 160 gradi C (320 gradi F) a una frazione del prezzo delle caldaie a gas e con i prezzi del gas alle stelle a causa della guerra in Ucraina, quel calcolo si sta attivando la sua testa. Molte aziende europee stanno ripensando le proprie fonti energetiche riducendo al contempo le proprie emissioni di gas a effetto serra, un requisito dell’UE. L’industria europea è responsabile di oltre un quarto dei gas serra del blocco.
Le pompe di calore sono da tre a cinque volte più efficienti delle caldaie a gas, secondo l’Agenzia internazionale dell’energia.
Per raggiungere i suoi ambiziosi obiettivi energetici e spezzare la sua dipendenza dal gas russo, l’UE conta nientemeno che su una rivoluzione delle pompe di calore. In molti paesi, le vendite di pompe di calore, principalmente per uso residenziale, sono raddoppiate nella prima metà del 2022. In Germania, il maggiore consumatore europeo di gas russo, la domanda è aumentata del 52% lo scorso anno, mentre la crescita nell’UE nel 2021 è stata del 35%. Nel frattempo, una transizione un po’ meno annunciata alle pompe di calore per la produzione sta prendendo velocità. Wienerberger, ad esempio, sta ora installando pompe simili nelle sue fonderie di mattoni nei Paesi Bassi, nel Regno Unito, in Polonia, in Romania e altrove in Austria.
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“Cinque anni fa la maggior parte delle aziende non sapeva quasi nulla delle pompe di calore”, afferma Veronika Wilk, ingegnere ricercatore senior presso l’Istituto austriaco di tecnologia. “Ora le aziende ne sono consapevoli e sempre più pompe di calore vengono installate nell’industria”.
Una pompa di calore a compressione può sia riscaldare che raffreddare l’aria. In inverno, aumenta la temperatura interna rimuovendo il calore dall’acqua, dalle profondità della terra o dall’aria esterna, quindi aumenta la sua temperatura utilizzando una piccola quantità di elettricità e sposta l’aria all’interno. Anche l’aria fredda fino a -12 gradi C (10 gradi F) contiene energia sufficiente per una pompa di calore per estrarre e aumentare la sua temperatura. In estate, le pompe di calore elettriche abbassano le temperature interne rimuovendo il calore dall’aria interna e deviandolo all’esterno. Le pompe di calore ad assorbimento non funzionano con l’elettricità ma con una fonte di calore, che potrebbe essere gas naturale ma anche acqua riscaldata dal sole o persino calore di scarto da data center o fognature. Portano questo calore fino a una temperatura “utile”, quindi lo forniscono come aria calda o acqua calda.
Le pompe di calore utilizzano l’elettricità per comprimere un refrigerante, aumentandone la temperatura. AIE
A seconda della direzione in cui si muove il calore, all’interno o all’esterno, i pistoni della pompa di calore comprimono o espandono un fluido, provocandone rispettivamente il riscaldamento o il raffreddamento. Poiché le pompe di calore spostano solo i fluidi, possono essere più del doppio dell’efficienza energetica rispetto ai riscaldatori che bruciano combustibile.
Secondo l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), le pompe di calore sono da tre a cinque volte più efficienti del gas. E se funzionano con energia solare, eolica, idroelettrica o con calore residuo, non hanno alcuna emissione.
A differenza delle pompe di calore residenziali, i cui componenti esterni hanno all’incirca le dimensioni di una lavatrice, le versioni industriali, grandi come una casa, possono sfruttare l'”energia di processo” sprecata dalle fabbriche per aumentare la temperatura dell’acqua a più di 190 gradi C (374 gradi F). Negli stabilimenti Wienerberger, ad esempio, gli essiccatoi per mattoni consumano enormi quantità di energia, con la camera di essiccazione che rilascia principalmente vapore acqueo. Questo viene condensato in acqua calda. Le pompe di calore quindi aumentano la sua temperatura da circa 40 gradi C a circa 90 gradi C e la restituiscono al processo di essiccazione. Poiché la fonte di energia per la pompa di calore è il calore residuo stesso, questa sequenza consuma quasi l’80% di energia in meno rispetto a quando l’impianto funzionava a gas.
L’UE vede la costruzione di pompe di calore come cruciale per il suo obiettivo di abbattere le emissioni di gas a effetto serra.
“Il sistema è un circuito chiuso”, afferma Johannes Rath, Chief Technology Officer di Wienerberger. “Poiché iniziamo con temperature più elevate, otteniamo temperature più elevate” rispetto a quelle prodotte dalle pompe residenziali.
Prototipi di pompe di calore prodotte in Norvegia funzionano già a circa 180 gradi C e gli esperti prevedono che entro un decennio gli ingegneri progetteranno una tecnologia che raggiunga temperature superiori a 200 gradi C. Questo progresso aprirebbe sempre più processi nei settori chimico, cartario, alimentare ad alta intensità energetica e raffinerie alla tecnologia delle pompe di calore.
Questi tipi di pompe di calore per impieghi gravosi vengono ora utilizzati in hotel, ristoranti, pasticcerie, magazzini, piscine, serre, produzione chimica e nell’essiccazione di materiali come carta e amido. Le pompe di calore ad assorbimento sono particolarmente adatte agli impianti che utilizzano sia il riscaldamento che il raffrescamento.
L’azienda finlandese Kiilto, ad esempio, produce prodotti chimici, come le colle, per il settore edile. Il suo impianto di Lempäälä ora utilizza una pompa di calore industriale ibrida per recuperare il calore dai processi di raffreddamento elettrico in loco, nonché da una vicina fonte geotermica, per aumentare le temperature fino a 75 gradi C.
Una pompa di calore industriale presso la Mars Confectionery di Veghel, nei Paesi Bassi. GEA
Presso la Mars Wrigley Confectionery nei Paesi Bassi, la più grande fabbrica di cioccolato del mondo, la pompa di calore estrae e aumenta il calore di scarico altrimenti inutilizzabile dalle sue unità di refrigerazione, producendo acqua calda fino a 63 gradi C. L’acqua viene convogliata attraverso la rete di tubazioni della fabbrica a tenere in caldo il cioccolato e lo sciroppo. La tecnologia ha ridotto la bolletta energetica della fabbrica del 6% e ha consentito all’impianto di risparmiare circa 26 terajoule di gas, pari alla quantità di energia consumata da 625 famiglie europee. Una seconda pompa di calore riscalda l’acqua per la pulizia a 80 gradi C, offrendo un ulteriore risparmio di 12,25 terajoule.
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L’acqua è un’altra valida fonte di calore. Il vivaio Inntal in Baviera, in Germania, utilizza l’acqua di falda proveniente da pozzi vicino al fiume Inn e un’unica pompa di calore acqua-aria delle dimensioni di un serbatoio Sherman per riscaldare 30.000 metri quadrati di serre tutto l’anno. L’acqua viene aspirata nella pompa di calore, portata a 35 gradi C, inviata attraverso il sistema di riscaldamento a pavimento, quindi raffreddata e restituita al fiume.
Un recente convertito è il gigante chimico tedesco BASF, che ha assunto MAN, una società di ingegneria tedesca nota per i suoi camion e autobus, per costruire la pompa di calore più grande del mondo presso il sito BASF di Ludwigshafen, nella Germania occidentale. Il sistema, delle dimensioni di una centrale elettrica convenzionale, sfrutterà il calore di scarto dei processi di raffreddamento per produrre 150 tonnellate di vapore all’ora, evitando così che circa 390.000 tonnellate di anidride carbonica all’anno raggiungano l’atmosfera.
Un think tank tedesco stima che una diffusa conversione alle pompe di calore potrebbe ridurre il consumo di gas dell’UE del 32% in cinque anni.
Oltre ai vantaggi di un’operazione più efficiente, le aziende con processi a basse emissioni di carbonio possono anche ridurre il costo delle loro emissioni di CO2, per le quali vengono fatturate per tonnellata attraverso il sistema di scambio di quote di emissione dell’Unione europea. A circa 85 euro per tonnellata di anidride carbonica — il prezzo dello scorso dicembre — il risparmio è notevole.
L’UE vede la costruzione di pompe di calore, sia per edifici industriali che non, come cruciale per il suo obiettivo di ridurre le emissioni di gas serra di almeno il 55% entro il 2030. La sua iniziativa REPowerEU mira ad accelerare la sostituzione di ben un terzo dei 150 milioni di caldaie termiche attualmente in uso con pompe di calore. Un numero crescente di pompe di calore su larga scala fornirà vapore o acqua calda alle reti di teleriscaldamento, come avviene attualmente in Norvegia, Svezia e Danimarca. La scrittura di codici edilizi rispettosi del clima, l’utilizzo di materiale riciclato nella costruzione di edifici, l’installazione di isolanti all’avanguardia e l’aumento del risparmio energetico potrebbero aumentare ulteriormente il risparmio energetico.
Il think tank tedesco Agora Energiewende stima che una diffusa conversione alle pompe di calore residenziali e industriali, combinata con misure di efficienza, potrebbe ridurre l’uso di gas naturale nell’UE del 32% in cinque anni. Insieme all’aumento dell’approvvigionamento di gas naturale liquido, ciò potrebbe ovviare completamente al fabbisogno europeo di gas russo. E poiché i progressi nella tecnologia su scala industriale consentono alle pompe di calore di raggiungere temperature di 500 gradi C (932 gradi F) nel prossimo futuro, prevede il think tank, l’elettricità potrebbe soppiantare il gas in modo ancora più ampio.
Tassi di crescita delle vendite di pompe di calore 2020-2021 in diversi paesi. AIE
In un documento pubblicato di recente, l’Agenzia internazionale per l’energia stima che l’UE potrebbe ridurre di 60 miliardi di euro le sue importazioni di gas se il blocco nel suo insieme passasse alle pompe di calore – per uso domestico, commerciale e industriale. Sostiene che entro il 2050 le pompe di calore soddisferanno la maggior parte del fabbisogno mondiale di riscaldamento e raffreddamento.
Si prevede che incentivi e sussidi UE e nazionali accelereranno la transizione dell’industria europea. Wienerberger, il produttore di mattoni, ad esempio, prevede di pagare da 2,5 milioni di euro a 3 milioni di euro a pezzo per nuovi sistemi di pompe di compressione in tutta Europa, i cui sussidi copriranno dal 20 al 40 percento dei costi. Funzioneranno con l’elettricità generata dai pannelli solari.
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Per quanto riguarda gli Stati Uniti, che si basano in gran parte sui combustibili fossili per il riscaldamento, un rapporto mostra che l’espansione delle pompe di calore domestiche nelle case unifamiliari potrebbe ridurre le emissioni di 142 milioni di tonnellate all’anno, riducendo le emissioni del settore energetico del 14%. Per i proprietari di case negli Stati Uniti, una pompa di calore ad aria standard va da circa $ 3.500 a $ 7.500. L’Inflation Reduction Act del presidente Biden fornisce sussidi e crediti d’imposta fino al 30 percento del prezzo di una pompa di calore domestica (o più per le famiglie a reddito basso e moderato). La legge autorizza incentivi anche per gli impianti industriali. Ma per molti negli Stati Uniti, i costi di investimento sono ancora un grosso ostacolo, anche con i sussidi.
In Europa, tuttavia, l’entusiasmo per questa tecnologia – nelle case, negli edifici commerciali e nell’industria – è notevole. Nella maggior parte dei luoghi, c’è un anno di attesa per l’installazione di una pompa di calore.
