In un impianto industriale il calore non serve solo a scaldare gli ambienti: alimenta direttamente la produzione. Lavaggio, pastorizzazione, essiccazione, preriscaldo di linee, processi chimici e reti di vapore a bassa pressione dipendono da energia termica affidabile, continua e precisa. Per questo decarbonizzare il calore di processo è un tema diverso, e più delicato, rispetto alla decarbonizzazione di un edificio.
Questo articolo spiega come ragionare sull'elettrificazione del calore di processo: quali tecnologie possono entrare in gioco, dove danno il meglio e come combinarle.
Che cosa significa elettrificare il calore di processo
Elettrificazione del calore di processo è il termine, ormai consolidato nel settore, con cui si indica la sostituzione, totale o parziale, della produzione di calore da combustibili fossili con calore prodotto elettricamente. Spesso avviene in combinazione con altre tecnologie: recupero termico, generazione di vapore elettrica, cogenerazione.
Non esiste una tecnologia unica che copra ogni esigenza. La soluzione efficace nasce dalla combinazione di strumenti diversi, scelti in funzione delle caratteristiche del processo.
Perché oggi il tema è diventato prioritario
Questo approccio risponde a tre esigenze che oggi convivono nelle aziende industriali:
- riduzione delle emissioni dirette (Scope 1), legate alla combustione in sito;
- minore esposizione alla volatilità del prezzo del gas;
- valorizzazione del calore di scarto già disponibile nello stabilimento.
C'è anche un aspetto di efficienza. Il rapporto tra energia termica prodotta ed energia elettrica consumata, nelle pompe di calore moderne, può superare ampiamente il valore di 3. Per questo la tecnologia può restare competitiva anche quando il prezzo dell'elettricità è superiore a quello del gas, soprattutto con un dimensionamento corretto e con gli incentivi attualmente disponibili.
Prima della tecnologia: capire il processo
Il primo passo non è scegliere la macchina, ma capire a quale temperatura e con quale continuità serve il calore. Occorre distinguere tra:
- fabbisogni continui H24 e fabbisogni intermittenti legati a cicli di produzione specifici;
- fabbisogni a temperatura costante e fabbisogni con rampe di temperatura.
Le temperature di processo vanno da circa 35°C a 80°C e oltre. Questa mappatura determina quali tecnologie sono applicabili e con quale efficienza.
Il ruolo delle pompe di calore ad alta temperatura
Una pompa di calore non crea calore dal nulla: lo preleva da una sorgente a temperatura più bassa e lo trasferisce, tramite un ciclo frigorifero, a un veicolo a temperatura più alta. Più è alta la temperatura richiesta, più cala l'efficienza del suddetto ciclo. Per questo le macchine ad alta temperatura ricorrono spesso a cicli a due stadi di compressione o a soluzioni a cascata, strategie che permettono di raggiungere temperature elevate mantenendo ugualmente una buona efficienza.
Per il progettista contano soprattutto quattro elementi:
- la temperatura di mandata richiesta dal processo;
- la temperatura della sorgente, aria esterna, acqua o fluido di processo;
- il refrigerante utilizzato, che incide su temperature raggiungibili, impatto ambientale e sicurezza;
- la configurazione, macchina singola o cascata modulare, che garantisce anche continuità di servizio in caso di manutenzione.
Il limite tecnico va dichiarato con onestà. Non tutti i fabbisogni di calore di processo sono oggi coperti, in modo economicamente conveniente, dalle pompe di calore. Alcuni processi richiedono temperature che superano ampiamente quelle raggiungibili in modo efficiente dalle macchine disponibili. In questi casi non ha senso forzare la pompa di calore oltre il suo campo ottimale: è quindi necessario optare per una soluzione ibrida.
Recupero del calore di scarto: la vera leva di efficienza
È uno degli aspetti più interessanti e meno raccontati. Una pompa di calore può valorizzare calore già disponibile nel sito, che altrimenti andrebbe disperso:
- acqua di raffreddamento dei compressori;
- cicli frigoriferi;
- linee di processo;
- reflui industriali a temperatura moderata.
In questo caso la pompa di calore non compete con una caldaia sullo stesso piano. Recupera energia che andrebbe persa, e la sua efficienza reale può risultare nettamente superiore rispetto al funzionamento con la sola aria esterna come sorgente. È anche il tipo di intervento più interessante per i meccanismi incentivanti che premiano il risparmio di energia primaria.
Quando entra in gioco il vapore elettrico
Quando il processo richiede vapore, oppure una quota di calore a temperature superiori a quelle efficienti per la pompa di calore, entra in gioco la generazione di vapore elettrica. Consente di elettrificare anche la parte di fabbisogno che una pompa di calore, da sola, non coprirebbe in modo conveniente.
La valutazione va fatta caso per caso, considerando anche la potenza elettrica disponibile in sito e il costo dell'energia. Questa leva è ancora più interessante se l'azienda dispone di produzione da fonti rinnovabili, per esempio fotovoltaico in loco.
Pompe di calore e vapore elettrico: complementari, non alternative
L'errore più comune è trattare le due tecnologie come concorrenti. Nella pratica industriale le soluzioni più efficaci sono integrate: si scompone il fabbisogno per livelli di temperatura e si assegna a ciascuna tecnologia la quota in cui lavora meglio.
| Quota del fabbisogno | Tecnologia più indicata |
|---|---|
| Calore a temperatura medio-alta | Pompa di calore ad alta temperatura |
| Calore recuperabile dal sito | Pompa di calore con recupero termico |
| Temperature più elevate o vapore | Generazione di vapore elettrica |
Settori in cui l'approccio è già maturo
Non tutti i comparti industriali hanno lo stesso profilo termico, e per questo le due tecnologie non hanno lo stesso peso ovunque. Per ogni settore vale la pena porsi le stesse domande: a cosa serve il calore, a quale livello termico, quanto calore di scarto è disponibile e qual è il vincolo che pesa di più sulla scelta.
Alimentare e beverage
Il calore serve per lavaggio, pastorizzazione e preriscaldo delle linee, con temperature tipicamente comprese tra 60 e 90°C. È una fascia in cui la pompa di calore ad alta temperatura lavora in modo efficiente, e per questo il comparto è tra i più maturi sul mercato. Il punto da verificare è il profilo del fabbisogno: un processo continuo H24 e uno legato a cicli di produzione intermittenti richiedono infatti dimensionamenti diversi. Per le applicazioni di singoli sotto-comparti, come cantine o mangimifici, rimandiamo agli approfondimenti dedicati.
Settore farmaceutico
Nei processi farmaceutici il vincolo principale non è tanto la temperatura massima quanto l'affidabilità: servono elevata continuità e precisione di temperatura. Qui la configurazione conta quanto la tecnologia. Una cascata modulare garantisce continuità di servizio anche in caso di manutenzione o fermo di una singola unità, cosa decisiva quando un'interruzione del calore è un problema produttivo e non di comfort. La pompa di calore copre la quota compatibile con il suo campo di funzionamento, mentre il vapore elettrico interviene dove il processo lo richiede.
Settore chimico
Il calore serve per il preriscaldo di reagenti e per processi a temperatura controllata. In questo comparto le temperature sono dettate dal singolo processo e possono differire molto da una linea all'altra. Per questo la mappatura iniziale è ancora più importante: occorre capire quali quote di fabbisogno rientrano nel campo efficiente della pompa di calore e quali no. La soluzione più frequente è quindi ibrida: pompa di calore per le quote a temperatura più bassa, generazione di vapore elettrica per quelle più elevate.
Settore cartario e tessile
Essiccazione e trattamento sono processi che spesso rendono disponibile molto calore di scarto. La leva principale è quindi il recupero termico: la pompa di calore valorizza energia già presente nel sito, con un'efficienza reale che può risultare nettamente superiore a quella di una macchina alimentata solo dall'aria esterna. Il punto di attenzione è la sorgente: la resa dipende dalla temperatura del calore recuperato, e va verificata caso per caso.
In tutti questi settori è sempre importante ricordarsi che la scelta parte dal processo e non dalla tecnologia. La tecnologia è infatti al servizio dei processi produttivi.
Un esempio applicativo
Per potenze elevate e temperature di processo nell'ordine dei 70-80°C, un esempio di tecnologia disponibile è la gamma Carrier 61AQ. Funziona con refrigerante naturale R-290, in configurazione modulare a cascata, con mandata fino a 75°C. Per le grandi potenze industriali esiste anche la gamma 30RQ/30RQP, da 160 a 1.040 kW. Sul lato vapore, la gamma elettrica e ibrida Viessmann Vitomax (HS-E/HS-EH, HW-E/HW-EH) è invece un concreto esempio di generazione di vapore e acqua calda a zero emissioni locali. Anche in questo caso è il fabbisogno a determinare la macchina, non viceversa.
Incentivi e altri strumenti di supporto
Gli strumenti da valutare sono tre. La scelta dipende dal soggetto beneficiario, dalle caratteristiche tecniche dell'intervento e dalle regole di cumulabilità.
- Conto Termico 3.0 (GSE): contributo in conto capitale che può arrivare fino al 65% della spesa ammissibile. È rivolto principalmente al calore per il riscaldamento. Se la pompa di calore produce anche calore di processo o per altri usi, la quota destinata al riscaldamento deve essere superiore al 50%.
- Nuovo Iperammortamento: può essere rilevante quando l'intervento rientra in un progetto più ampio di trasformazione tecnologica, ad esempio con sistemi di monitoraggio energetico o produzione da rinnovabili. Il calore prodotto deve essere ad esclusivo servizio del processo produttivo.
- Certificati Bianchi (TEE): interessanti quando l'intervento genera un risparmio di energia primaria significativo e misurabile, come nella sostituzione di una caldaia con una pompa di calore.
Il beneficio derivante da incentivi, o eventuali strumenti di finanza agevolata, vanno sempre verificati con i professionisti preposti prima di inserirli, definitivamente, in un business case.
Gli errori più comuni da evitare
Gli errori più costosi, in questo tipo di progetti, raramente dipendono dalla tecnologia. Nascono da decisioni prese nell'ordine sbagliato: si parte dalla macchina o dall'incentivo disponibile, e solo dopo ci si chiede che cosa serve davvero al processo. L'ordine corretto è l'opposto. Prima si mappano temperature e profili di carico, poi si individua il calore di scarto realmente recuperabile, e solo a quel punto si scelgono tecnologia, configurazione e strumenti di supporto. Un progetto di elettrificazione che parte da qui è più semplice da dimensionare, più facile da difendere economicamente e più solido e affidabile negli anni a seguire.
Domande frequenti
Che cosa si intende per elettrificazione del calore di processo?
È la sostituzione, totale o parziale, della produzione di calore da combustibili fossili con calore prodotto elettricamente. Spesso si combina con recupero termico, generazione di vapore elettrica o cogenerazione.
Quali processi industriali possono essere alimentati da una pompa di calore?
Dipende dalla temperatura e dalla continuità richieste. Lavaggio, pastorizzazione, preriscaldo di linee ed essiccazione sono tra le applicazioni più mature, con temperature tipicamente comprese tra 60 e 90°C nel settore alimentare e beverage.
Una pompa di calore può sostituire completamente una caldaia industriale?
Non sempre. Alcuni processi richiedono temperature che superano il campo di applicazione efficiente delle pompe di calore. In questi casi si valutano soluzioni ibride o tradizionali per la quota a temperatura più elevata.
Quando conviene utilizzare un generatore di vapore elettrico?
Quando il processo richiede vapore o una quota di calore a temperature superiori a quelle efficienti per la pompa di calore. La valutazione dipende anche dalla potenza elettrica disponibile in sito e dal costo dell'energia.
Qual è il vantaggio del recupero del calore di scarto?
Permette di valorizzare energia già presente nello stabilimento e che altrimenti verrebbe dispersa. L'efficienza reale della pompa di calore può risultare nettamente superiore rispetto al funzionamento con sola aria esterna.
Quali settori possono trarre maggior beneficio dall'elettrificazione del calore?
Alimentare e beverage, farmaceutico, chimico, cartario e tessile, dove i fabbisogni termici sono compatibili e c'è spesso calore di scarto da recuperare.
Esistono incentivi per questi interventi?
Sì. A seconda di soggetto beneficiario e caratteristiche dell'intervento possono essere applicabili Conto Termico 3.0, nuovo Iperammortamento e Certificati Bianchi. Le condizioni di accesso e di cumulabilità vanno verificate caso per caso.
Come valutare la convenienza economica di un progetto di elettrificazione?
Si parte dal profilo termico reale del processo e dai consumi attuali. Poi si considerano la disponibilità di calore di scarto, il costo dell'energia, l'investimento e gli incentivi realmente applicabili.
