Il problema: le emissioni dei settori hard to abate
Immaginiamo che in un futuro prossimo anche i settori cosiddetti “hard to abate”, sostanzialmente le industrie con processi energivori che richiedono calore ad alta temperatura, possano funzionare a zero emissioni. Ad oggi sembra un lontano miraggio e le imprese si stanno chiedendo quale potrebbe essere la soluzione migliore per portare la transizione energetica anche in questo comparto.
In realtà, alcune proposte esistono già oggi. Ad esempio, le caldaie elettriche industriali totalmente a zero emissioni, che potrebbero sostituire gli attuali generatori a gas in ambito industriale per la produzione di vapore e di acqua surriscaldata utilizzati nei processi produttivi.
Si tratta di una soluzione potenzialmente dirompente per innovare questo settore, ma che allo stato attuale si scontra quasi ovunque (compreso il nostro Paese) con la limitata infrastruttura di produzione e trasporto dell’energia elettrica.
Una caldaia elettrica, infatti, richiede potenze estremamente elevate. Una soluzione concreta per avviare la transizione, invece, sono le caldaie industriali ibride gas-elettricità, che consentono di efficientare i processi industriali e renderli meno impattanti sull’ambiente con una corretta integrazione del vettore elettrico che si affianca al combustibile fossile.
La necessità delle alte temperature
Produrre calore in modo sostenibile significa abbandonare i combustibili fossili. Questo obiettivo oggi si può raggiungere con l’elettricità, utilizzando pompe di calore o caldaie elettriche. La tecnologia delle pompe di calore è estremamente efficiente, essendo caratterizzata da un rapporto tra energia elettrica consumata e quella resa in calore tipicamente di 4 a 1 o di 3 a 1; tuttavia, le pompe di calore, anche quelle del tipo ad alta temperatura, si fermano a 60-70 °C, valori decisamente inadeguati per le aziende gasivore.
Le caldaie industriali elettriche, così come quelle a gas, grazie alla presenza di resistenze elettriche sono invece capaci di raggiungere le temperature elevate necessarie (oltre i 200°C) per produrre il vapore e l’acqua surriscaldata. Sono però caratterizzate da rendimenti meno elevati (restituiscono 1 kWh di energia termica per ogni kWh elettrico consumato) e necessitano quindi di potenze elettriche importanti.
Caldaie elettriche industriali: i vantaggi
Tra i vantaggi delle caldaie elettriche industriali, il primo è senz’altro la sostenibilità ambientale: questi sistemi potrebbero rappresentare in futuro una tecnologia importante per decarbonizzare le industrie e le aziende manifatturiere dove oggi vengono utilizzati generatori di vapore e caldaie per l’acqua calda a gas: industria alimentare e casearia, mangimifici, tessile, chimico-farmaceutico, carta, industria della gomma e del cemento.
Con le caldaie elettriche, infatti, si produce calore ad alta temperatura senza le emissioni nocive locali dovute alla combustione del gas (in particolre NOx) e senza emettere CO2, a condizione che l’elettricità provenga da fonti rinnovabili.
Dal punto di vista del funzionamento, si hanno vantaggi relativamente all’avvio più rapido a freddo (non è più necessaria la procedura di riscaldamento graduale utilizzata con il bruciatore) e alla disponibilità più rapida di calore dalla fase di standby.
Ulteriori benefici arrivano dal punto di vista dello spazio di installazione ridotto, perché non sono presenti lo stoccaggio del combustibile né gli apparati di scarico fumi.
Caldaie elettriche industriali: gli attuali limiti
Ipotizzando di dover sostituire un generatore a gas con una producibilità da 2 ton/ora di vapore, sarebbe necessaria una caldaia elettrica da almeno 1500 kW di potenza, decisamente superiore alla taglia impegnata da una media azienda italiana di qualsiasi settore.
La disponibilità attuale di energia elettrica da fonti rinnovabili dalla rete non può soddisfare questa richiesta distribuita sul territorio, senza contare l’impatto degli onerosi interventi di adeguamento per l’allacciamento alla rete. Con tali potenze in gioco, anche un impianto fotovoltaico di taglia industriale non sarebbe sufficiente.
Attualmente, quindi, l’installazione di caldaie elettriche industriali in sostituzione dei generatori a gas appare ancora non concretizzabile. Nonostante la tecnologia sia pronta, per l’infrastruttura serve ancora tempo. Si può invece considerare già oggi l’installazione di caldaie ibride, soprattutto in particolari contesti.
La soluzione delle caldaie ibride
Una caldaia ibrida industriale funziona con un generatore elettrico che si abbina a un tradizionale generatore a gas. Rappresenta una soluzione verso la decarbonizzazione perché consente comunque di ridurre i consumi di fonti fossili.
Con una caldaia elettrica di potenza decisamente più contenuta (200 o 300 kW) è possibile sodisfare il carico di base (base load) dei consumi elettrici aziendali, che può rappresentare il 10-20% del totale. Si tratta di una potenza impegnata comunque rilevante, ma decisamente più accessibile e tra l’altro compatibile con la produzione di un impianto fotovoltaico aziendale.
In sintesi, le caldaie elettriche ibride industriali possono già oggi rappresentare una soluzione utile per ridurre la dipendenza dal gas e diversificare le fonti energetiche, minimizzando i rischi di approvvigionamento.
Caldaia ibrida e fotovoltaico: l’importanza delle valutazioni progettuali
L’effettiva convenienza dell’installazione di una caldaia elettrica ibrida in combinazione con un impianto fotovoltaico aziendale va valutata sempre in funzione del caso specifico, analizzando - oltre ai consumi specifici del generatore di calore elettrico - il profilo dei consumi elettrici del sito produttivo.
In linea generale, utilizzare l’impianto fotovoltaico aziendale per alimentare una caldaia ibrida è conveniente quando l’autoproduzione risulta in esubero e molta elettricità viene immessa in rete con una bassissima remunerazione.
In questo caso, che si verifica quando la richiesta elettrica dei processi produttivi non è elevata, si può destinare l’elettricità prodotta in eccesso dai pannelli alla caldaia stessa. Serve, però, un impianto fotovoltaico di grandi dimensioni (intorno ai 300 kW) e la produzione deve essere il più possibile costante per assicurare continuità operativa.
L’offerta Viessmann di caldaie elettriche e ibride per l’industria
Viessmann ha recentemente arricchito il proprio catalogo di generatori di calore a gas per l’ambito industriale (caldaie a vapore e ad acqua calda) con due soluzioni totalmente elettriche e due ibride. Vitomax HS-E è un caldaia full electric per la produzione di vapore con una producibilità da 0.5 a 5 ton/h, una pressione di esercizio da 6 a 25 bar e un’efficienza pari al 99%. Il modello “gemello” Vitomax HW-E, invece, è una caldaia elettrica per la produzione di acqua calda con potenza da 0,45 to 4,5 MW caratterizzata da ampio campo di modulazione per gestire anche minime richieste di calore.
Per quanto riguarda le proposte ibride, Vitomax HS-EH è un generatore di vapore da 1.2 a 8.4 t/h “H2 ready” che combina una caldaia a grande volume d'acqua standard con riscaldatori elettrici flangiati. Il rapporto tra combustione ed elettricità è di 4 a 1. Anche in questo caso, esiste la versione Vitomax HW-EH per la produzione di acqua calda, con potenze da 0.8 a 5.6 MW.
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Domande Frequenti
Quali sono le principali differenze costruttive e di funzionamento tra una caldaia elettrica a resistenze e una a elettrodi?
Le caldaie a resistenze sfruttano l'effetto Joule generato dal passaggio di corrente attraverso elementi riscaldanti corazzati immersi nell'acqua, e sono ideali per potenze medio-basse. Le caldaie a elettrodi, utilizzate per grandi potenze industriali, sfruttano invece la conducibilità elettrica dell'acqua stessa: la corrente passa direttamente tra gli elettrodi immersi e l'acqua funge da resistenza, generandone il riscaldamento immediato e la produzione di vapore ad alta pressione.
In quali scenari industriali la sostituzione del gas con una caldaia completamente elettrica risulta economicamente vantaggiosa?
L'elettrificazione del calore industriale tramite caldaie elettriche diventa conveniente in presenza di impianti fotovoltaici aziendali di grande taglia che generano un forte surplus di energia, oppure in stabilimenti che possono accedere a contratti di fornitura PPA (Power Purchase Agreement) a prezzi competitivi. È inoltre una scelta strategica per azzerare le emissioni locali di anidride carbonica (CO2) e superare i vincoli normativi o di sicurezza legati all'uso dei combustibili fossili.
Come si definisce un sistema termico ibrido industriale e come viene gestita la priorità di funzionamento delle sorgenti?
Un sistema ibrido combina un generatore a combustione (es. caldaia a gas ad alta efficienza) con una tecnologia elettrica (es. pompa di calore industriale o caldaia elettrica). La priorità di funzionamento viene gestita in tempo reale da un sistema di building automation: un software intelligente analizza costantemente le temperature esterne, il fabbisogno del processo e il costo istantaneo dei vettori energetici (elettricità e gas), attivando la tecnologia più efficiente ed economica in quel preciso momento.
Quali modifiche devono essere previste a livello di infrastruttura elettrica aziendale per installare una caldaia elettrica di grande taglia?
L'installazione di una caldaia elettrica industriale richiede quasi sempre un adeguamento della cabina elettrica di trasformazione MT/BT (Media Tensione/Bassa Tensione) per supportare l'importante aumento di potenza impegnata. È necessario dimensionare adeguatamente i quadri elettrici di potenza, le linee di alimentazione e i sistemi di protezione, valutando anche l'integrazione di sistemi di rifasamento per evitare penali in bolletta dovute a un basso fattore di potenza.
