Il calore nei processi industriali: una nuova visione integrata che unisce i combustibili fossili e le energie rinnovabili termiche

Una nuova visione integrata che combina in maniera innovativa i combustibili fossili alle energie rinnovabili termiche

A cura di Jacques Gandini (Segretario Generale ANICA), con il contributo tecnico (in ordine alfabetico) di Ing. Nicola Bettio (BNY Engineering), Ing. Andrea Maffezzoli (HOVAL), Ing. Elisabetta Mazzi (EM FORMAZIONE) e Ing. Roberto Torri (GREEN POWER TECHNOLOGIES)

L’ anello di congiunzione che mancava tra il riscaldamento a combustibili fossili e le energie rinnovabili termiche, secondo la IEA (International Energy Agency), è ormai maturo ed è un tema prioritario in agenda dell’Unione Europea, che coinvolge le caldaie a condensazione efficienti e digitali, i recuperi dei cascami termici e le pompe di calore industriali.

Un tema che riguarderà migliaia di progettisti termotecnici, energy managers ed industrie da qui al 2030-2050.

Processi industriali e fonti rinnovabili: la nuova sinergia tra calore da combustione e pompe di calore

Tra il 2010 ed il 2020, e con una verticalizzazione negli ultimi 5 anni arrivando al 2025, dopo decenni di grande concentrazione da parte dell’industria della “produzione” e dei “policy makers”, a livello Europeo ed Italiano, sul risparmio energetico e più in generale sull’efficienza energetica per l’edilizia residenziale e commerciale, il campo industriale, e gli usi termici ad esso collegati, è sempre più considerato da molti esperiti come il prossimo grande obiettivo 2030-2050 dell’Unione Europea, in termini di efficientamento e decarbonizzazione. Un obiettivo necessario per poter incidere in maniera forte nell’abbattimento delle emissioni climalteranti connesse alla combustione di combustibili fossili nel comparto industriale e più precisamente dei processi.

Nel campo industriale molta energia viene purtroppo sprecata ed i cosiddetti “cascami termici” risultano, ancora oggi, inutilizzati e/o semplicemente dissipati in atmosfera, generando sprechi di energia ormai inaccettabili ed irrispettosi degli sforzi fatti nel campo residenziale e commerciale attraverso varie tecniche di riduzione dei fabbisogni energetici e di aumento dell’efficienza energetica facendo ampio utilizzo di fonti rinnovabili, ai fini della diminuzione degli usi finali e dell’impiego minimo possibile di energia primaria e secondaria.

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IEA (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY) – ANNEX 58: PROSPETTIVE DI SVILUPPO TECNOLOGICO DELLE POMPE DI CALORE AD ALTA TEMPERATURA

Per quanto riguarda l’impiego di fonti rinnovabili termiche (anche) nel settore industriale, gli addetti ai lavori hanno certamente già notato il cambio di direzione sempre più evidente tra: la combustione quale elemento di generazione del calore e le pompe di calore, che vengono sempre più chiamate in causa, per i recuperi termici o per la generazione di energia termica, a vari livelli e che vengono spesso definite come:

• HTHP: Pompe di Calore ad alta temperatura (HTHP = High Temperature Heat Pumps). Queste possono arrivare in genere a 100 °C ma anche (in molti casi) agevolmente a 120, 140 ed anche 160 °C a seconda della sorgente di calore disponibile. Talvolta sono a livello prototipale e non ancora largamente diffuse;
  
• VHTHP: Pompe di Calore a temperatura molto alta (VHTHP = Very High Temperature Heat Pumps) possono andare oltre i 160 °C ma talvolta sono a livello di sviluppo di ricerca di laboratorio e per essere molto efficienti ci si aspetta necessitano ancora di anni per vedere un ampio sviluppo e diffusione.

In tutto questo la IEA (International Energy Agency) ha già le idee molto chiare ed attraverso il proprio “Technology Collaboration Programme on Heat Pumping Technologies” (HPT TCP) e la pubblicazione “Annex 58 High Temperature Heat Pumps Task 1 – Technologies Task Report”  ha già offerto una chiara visione su quali siano le straordinarie opportunità di sviluppo delle pompe di calore nel campo industriale, con una roadmap molto interessante nel periodo 2020-2030 di sviluppo di numerosi segmenti di prodotto, in parte maturi ed in parte in maturazione proprio nei prossimi 5 anni nel campo delle HTHP e VHTHP.

Non sarà questo (tra combustibili fossili e le rinnovabili termiche, nel campo industriale) un passaggio facile e neppure veloce, in quanto per molti impieghi termici che eccedono ad esempio i 100-200 °C ancora le applicazioni dominanti sono combustione di gas e gasolio ed elettricità, ma a poco a poco le pompe di calore industriali (HTHP & VHTHP) stanno, anno dopo anno, migliorando la loro efficienza energetica, aumentando i range di temperature a cui possono arrivare e ampliando enormemente il campo di applicazione settoriale, prendendo spazi rilevanti in molte applicazioni.

Ad esempio, nell’industria cartaria, le temperature in gioco e l’intelligente riutilizzo dei cascami termici, consentono già oggi l’impiego di pompe di calore industriali in maniera sorprendentemente efficiente, a basse emissioni e riducendo moltissimo l’impatto ambientale in termini di emissioni di CO₂ dirette ed indirette.

Il quadro politico e l’ascesa 2030-2050 delle pompe di calore (HTHP & VHTHP) a fianco (e talvolta in sostituzione) dei dispositivi a combustione

Anche la politica si è resa conto del grande potenziale del mondo industriale e ci fa piacere citare una parte del discorso del Commissario Europeo all’Energia Kadri Simpson che nel suo speech presso l’Heat Pump Forum di Bruxelles, realizzato da EHPA (European Heat Pump Association), a settembre 2023, disse esplicitamente:
“Il futuro del riscaldamento domestico non risiede nella combustione di combustibili fossili. Si baserà sempre più su tecnologie basate su fonti energetiche rinnovabili, nonché nel teleriscaldamento e teleraffreddamento efficiente. Le pompe di calore, in particolare, sono pronte a diventare la tecnologia di riscaldamento tradizionale. La loro introduzione dovrà far parte dei piani di riscaldamento e raffreddamento locali, regionali e nazionali. La loro implementazione dovrebbe essere accompagnata dalla flessibilità necessaria per adattarsi alle esigenze e ai vincoli di edifici, industrie e reti. Esse sono una tecnologia avanzata e matura per la decarbonizzazione degli edifici, delle reti di teleriscaldamento e, sempre di più, anche dell'industria, poiché sono riconosciute per la loro elevata efficienza energetica e per il maggiore utilizzo di fonti energetiche rinnovabili”.

In termini legislativi la vera svolta verso le energie rinnovabili arrivò a partire dagli anni 2000, quando l'Unione Europea iniziò a implementare una serie di politiche volte a ridurre le emissioni di gas serra e a promuovere l'uso di energie rinnovabili, oltre che la necessaria riduzione dei fabbisogni.

Con l’aumento della consapevolezza riguardo ai cambiamenti climatici, si iniziò sempre più a promuovere l'uso di fonti rinnovabili. L'energia solare termica diretta o indiretta (ovvero quella catturata dalle pompe di calore con le tipiche fonti aria, acqua e terra) e le biomasse moderne (come pellet di legno) vennero sempre più promosse come alternative sostenibili.

Ad esempio, l'adozione di involucri edilizi sempre più isolati, pannelli solari termici e fotovoltaici, impianti geotermici e pompe di calore si è intensificata, con incentivi e normative che hanno stimolato la transizione energetica. Anche il riscaldamento a biomassa ha conosciuto un rinnovato interesse, grazie anche all'uso di materiali di scarto e colture dedicate e diminuzione delle emissioni inquinanti, anche se la produzione di particolato come prodotto di scarto rimane un problema irrisolto, se immaginato in termini di un impiego su larga scala delle biomasse.

Attualmente, l'Europa è impegnata in una transizione energetica che mira alla completa decarbonizzazione entro il 2050 e tecnologie come le pompe di calore, il teleriscaldamento alimentato da fonti rinnovabili e l'integrazione di sistemi energetici intelligenti rappresentano alcune tra le tecnologie di punta.

La riqualificazione energetica degli edifici esistenti e degli impianti industriali per la produzione del calore anche per gli usi di processo è diventata una priorità, con l'obiettivo di ridurre i consumi energetici e incentivare l'uso di sistemi di riscaldamento a basse emissioni e alimentati il più possibile da fonti rinnovabili di energia.

Tra tutte queste tecnologie, l'adozione di tecnologie come le pompe di calore è incentivata da direttive europee, come ad esempio a titolo esemplificativo e non esaustivo le seguenti tre:

1. La Direttiva RED III (Renewable Energy Directive III), in vigore dallo scorso 20 novembre 2023. La Direttiva 2023/2413/UE, che modifica la Direttiva 2018/2001/UE, prevede una serie di novità per gli Stati membri nel settore delle energie rinnovabili, in particolare per quanto riguarda la loro promozione e l’aumento della loro quota nel mix energetico dell’Unione. Entro il 2030 l’Europa vuole garantire una quota rinnovabile pari almeno al 42,5% (contro l’attuale 32%) nel consumo finale di energia, con l’obiettivo di raggiungere il 45%. Ogni Stato membro si impegnerà a contribuire al raggiungimento degli obiettivi nei settori dei trasporti, dell’industria, dell’edilizia, e dei sistemi di teleriscaldamento e raffreddamento. Tutti gli Stati Membri sono inoltre incoraggiati a destinare almeno il 5% della capacità delle nuove installazioni energetiche a soluzioni innovative. La Direttiva RED III sostituisce la Direttiva 2009/28/UE (RES), che per la prima volta nel 2009 introdusse le fonti aria, acqua e terra come fonti energetiche rinnovabili, abilitando così il mondo delle pompe di calore al segmento delle energie rinnovabili termiche. Fu di fatto proprio la direttiva 2009/28/UE ad essere il primo e determinate tassello mancante per consentire lo sviluppo odierno di questa tecnologia straordinariamente efficiente ed utilizzante grandi quantità di energia rinnovabile. Le pompe di calore sono infatti oggi riconosciute come una tecnologia che sfrutta fonti di energia rinnovabile, come l'energia aerotermica, geotermica e idrotermica, contribuendo direttamente al raggiungimento degli obiettivi fissati dalla direttiva.
2. La Direttiva 2010/31/UE, nota come EPBD (Energy Performance of Buildings Directive), aggiornata nel 2018 (Direttiva 2018/844/UE) [4] e successivamente nel 2024 con la Direttiva 2024/1275/UE (Cosiddetta EPBD IV) [5] sulla prestazione energetica nell’edilizia è stata pubblicata l’8 maggio 2024 sulla Gazzetta Ufficiale dell’Unione europea, stabilisce standard minimi di prestazione energetica per gli edifici nuovi e esistenti. Uno degli obiettivi principali della direttiva è che entro il 2050, il parco immobiliare europeo diventi altamente efficiente dal punto di vista energetico e a basse emissioni di carbonio. Le pompe di calore sono considerate una delle soluzioni tecniche più efficaci per raggiungere gli standard energetici previsti dalla direttiva. L’EPBD incoraggia l'uso delle pompe di calore in nuove costruzioni e nelle ristrutturazioni di edifici esistenti attraverso obblighi di prestazione energetica e incentivi economici.
3. Infine a livello legislativo e di indirizzo strategico comunitario, non può certamente non essere menzionato il “Net-Zero Industry Act”  che è un'iniziativa derivante dal “Green Deal Industrial Plan” che mira ad aumentare la produzione di tecnologie pulite nell'UE. Ciò significa aumentare la capacità produttiva dell'UE di tecnologie che sostengono la transizione verso l'energia pulita e rilasciano emissioni di gas a effetto serra estremamente basse, nulle o negative quando vengono utilizzate. Questa legislazione attirerà investimenti e creerà condizioni migliori e un accesso al mercato per le tecnologie pulite nell'UE. L'obiettivo è fare in modo che la capacità di produzione strategica globale delle tecnologie a zero emissioni nette dell'Unione si avvicini alla capacità di produzione o raggiunga almeno il 40% del fabbisogno annuale di diffusione entro il 2030. Ciò accelererà i progressi verso il conseguimento degli obiettivi dell'UE in materia di clima ed energia per il 2030 e la transizione verso la neutralità climatica entro il 2050. Rafforzerà inoltre la competitività dell'industria dell'UE, creerà posti di lavoro di qualità e sosterrà gli sforzi dell'Unione europea per diventare indipendente dal punto di vista energetico. Il “Net-Zero Industry Act” mira a semplificare inoltre il quadro normativo per la fabbricazione delle tecnologie necessarie. Ciò contribuirà ad aumentare la competitività dell'industria delle tecnologie a zero emissioni nette in Europa e ad accelerare la capacità di stoccaggio delle emissioni di CO₂.

Il “Net-Zero Industry Act” riguarda tecnologie che apporteranno un contributo significativo alla decarbonizzazione. Sostiene, in particolare, le tecnologie strategiche a zero emissioni nette disponibili sul mercato e che presentano un buon potenziale per una rapida diffusione.

Queste tecnologie tendono a rafforzare la competitività industriale e la resilienza del sistema energetico dell'UE, consentendo nel contempo la transizione verso l'energia pulita. Le tecnologie promosse dal “Net-Zero Industry Act” sono:

• Solar photovoltaic and solar Thermal;
• Onshore wind and offshore renewables;
• Batteries and storage;
• Heat pumps and geothermal energy;
• Electrolysers and fuel cells;Sustainable biogas and biomethane;
• Carbon capture and storage (CCS);
• Grid technologies.

Il 6 febbraio 2024 il Parlamento europeo e il Consiglio hanno raggiunto un accordo politico sul regolamento relativo al “Net-Zero Industry Act”. Una volta formalmente adottato, entrerà in vigore.

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