pompe di calore industriali
una pompa di calore industriale per alte temperature
La domanda globale di calore industriale tra 100 e 200 °C è attualmente circa 6.500 TWh all’anno (circa il 4% del totale della domanda globale di energia), e si prevede un ulteriore aumento del 20% entro il 2030*. Una panoramica dei processi industriali che utilizzano l’energia termica ed i livelli di temperatura coinvolti è disponibile qui.
Attualmente oltre l’80% di questo calore è prodotto da fonti energetiche fossili, che emettono nell’atmosfera milioni di tonnellate di CO2, con delle conseguenze gravissime per il clima.
Sostituire fonti di energia fossile con energia rinnovabile implica nella maggioranza dei casi, usare energia elettrica per i processi termici. Perciò, tanti settori industriali devono elettrificare la produzione di energia termica, se vogliono ridurre l’impatto ambientale della loro attività.
Una pompa di calore è lo strumento più efficiente per convertire l’energia elettrica in energia termica.
Finora, le pompe di calore per scopi industriali, non erano in grado produrre calore con delle temperature oltre il 80-90 °C, mentre gran parte della domanda per energia termica nell’industria, è compresa tra 100 e 200 °C. Per risolvere questo problema la SPH Sustainable Process Heat GmbH ha sviluppato il ThermBooster™, una pompe di calore in grado di produrre calore con temperature fino a 165 °C. Nel futuro, questo livello può essere aumentato sino a superare i 200 °C.
Il cuore di queste macchine è un compressore a pistoni, derivato dal settore automobilistico, sviluppato appositamente per questo scopo, combinato con dei refrigeranti innovativi.
Approfondimenti pompa di calore
*Source: IEA: “World Energy Outlook 2017”
campo d'applicazione
Al momento, la macchina della SPH Sustainable Process Heat GmbH può operare con quattro refrigeranti diversi:
- R1234ze
- R1336mzz-E
- R1233zd
- R1336mzz-Z
Ognuno di questi refrigeranti ha un campo di funzionamento specifico, come illustrato nel grafico accanto.
la resa termica
La resa termica della pompa di calore dipende dalla temperatura dell’evaporatore e dalla differenza di temperatura tra l’evaporatore e il condensatore, come illustrato nel grafico a sinistra. Di conseguenza, per avere delle prestazioni ottimali si deve, dove possibile, usare una fonte di calore di scarto con la temperatura più elevata.
il COP
Il COP (Coefficient of Performance) esprime il rapporto fra l’energia termica resa dalla pompa di calore e l’energia elettrica impiegata per il compressore. Anche il COP dipende dalla differenza di temperatura tra l’evaporatore e il condensatore, come illustrato nel grafico a destra.
Questa è una caratteristica tipica di ogni pompa di calore che fa sì che le sue prestazioni dipendano per una parte importante, dal sistema termico di cui fa parte. Perciò per valutare l’opportunità tecnico/economica dell’impiego di una tale macchina si deve, caso per caso, considerare il sistema in cui deve operare e, se necessario, procedere alla sua ottimazione per avere un risultato significativo. (vedi anche qui)
la produzione di vapore
Il ThermBooster™ può, su richiesta, essere fornita con un condensatore in grado di produrre vapore senza l’aiuto di un circuito intermedio. In questo modo si può evitare l’uso di scambiatori e la perdita di prestazioni che comportano. Nel grafico a sinistra si riporta la resa termica per determinate condizioni di funzionamento.
i vantaggi
L’impiego di una pompa di calore elettrica in ambito industriale può portare tanti vantaggi:
- benefici economici: minor costo d’operazione per gli impianti
- benefici ambientali
- permette il recupero di energia termica anche in casi finora fuori portata
- incentivabile con certificati bianchi
- riduzione del consumo di energia primaria, perciò una riduzione dell’impatto ambientale
- meno dipendenza da fonti fossili
- start & stop semplice e veloce, senza perdita di efficienza
- operazione semplice: tramite un inverter la resa termica può essere regolata in modo continuo fra il 30 % ed il 100 % della potenza nominale
- poca manutenzione
- è il metodo più efficiente per usare energia elettrica per la produzione di energia termica e perciò rappresenta la strada maestra per elettrificare i processi termici
- metodo pulito e semplice per produrre vapore “senza fiamma” anche per sterilizzare (“clean steam”)
- non genera emissioni locali
- soluzione ideale per produrre calore là dove la rete di metano non è disponibile
- aumenta la flessibilità della rete tramite “sector coupling” e “peak shifting”
fattibilità
Al fine di valutare, in modo preliminare, se è possibile installare una pompa di calore per alimentare un processo termico industriale, si può usare la check-list riportata qui a sinistra.
Applicazioni
La pompa di calore può essere utilizzata in molte applicazioni diverse, come illustrato nella figura accanto. Ci deve essere un bisogno di energia termica nell’intervallo di temperature compatibili con il range operativo della macchina. Allo stesso tempo ci deve essere disponibilità di calore di scarto che può essere fornito all’evaporatore.
Nella figura a destra si riporta qualche esempio di possibili fonti di energia di scarto (Heat source) e di possibili impieghi del calore prodotto (Heat sink).
aspetti ambientali
Oltre i benefici economici, l’impiego di una pompa di calore si giustifica con un uso più efficiente dell’energia e la possibilità di usare energia elettrica per produrre energia termica in un modo molto efficiente. In altre parole, l’uso di una pompa di calore, industriale o domestica, ha senso solo se contribuisce a ridurre l’impatto ambientale del consumo energetico. Perciò durante lo sviluppo della pompa particolare attenzione è stata data agli aspetti ambientali. I principali parametri relativi all’impatto ambientale dei refrigeranti usati, sono elencati nella tabella a sinistra. Nella stessa tabella si riportano anche i dati relativi all’infiammabilità. Dai dati risulta chiaramente che per entrambe le problematiche, i parametri sono ampiamente nelle norme attuali e in quelle previste.
riduzione dell'Emissioni di gas serra
Oltre ai vantaggi economici, un motivo importante per l’impiego delle pompe di calore elettriche per la produzione di energia termica, è il fatto che queste macchine, se usate correttamente, contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas serra.
Per calcolare l’entità di questo contributo si deve conoscere quanta CO2 viene mediamente rilasciata nell’atmosfera per la produzione di un kWh di energia elettrica fornito dalla rete. Ciò è espresso dal fattore di emissione di CO2 per la produzione di energia elettrica. In Italia questo valore è stabilito ogni anno dall’ISPRA. Per il 2019 il valore è pari al 0,276 [kg/kWh]. Grazie al contributo crescente della produzione di energia elettrica rinnovabile, il fattore di emissione diminuisce di anno in anno.
Un’applicazione tipica di una pompa di calore della SPH Sustainable Process Heat (il Base Case), in Italia, porterebbe ad una riduzione annua delle emissioni di CO2 pari a 567 [t], rispetto ad un generatore di calore a metano. Una riduzione pari al 70 %.
