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Le pompe di calore favoriscono la spinta verso un mondo a emissioni zero

Gennaio 20, 2022 7 minuti

Nel tentativo dei Paesi di ridurre le emissioni di carbonio, c’è ragione di credere che i sistemi di riscaldamento con pompe di calore siano destinati a prevalere. Il loro sviluppo, tuttavia, dipende dalla finanza, dalla volontà politica e dall’innovazione tecnologica.Nel tentativo dei Paesi di ridurre le emissioni di carbonio, c’è ragione di credere che i sistemi di riscaldamento con pompe di calore siano destinati a prevalere. Il loro sviluppo, tuttavia, dipende dalla finanza, dalla volontà politica e dall’innovazione tecnologica.

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In cima all’agenda della conferenza delle Nazioni Unite COP26 sui cambiamenti climatici del 2021 c’è stato il raggiungimento di accordi per ridurre le emissioni e mantenere il riscaldamento globale al di sotto di 1,5 °C. Lo strumento chiave per conseguire l’obiettivo è favorire investimenti nelle rinnovabili per eliminare l’uso dei combustibili fossili, e la tecnologia delle pompe di calore è considerata rilevante al fine di ridurre le emissioni di carbonio. Alcuni la ritengono perfino un punto di svolta, come lo è stato l’avvento dei veicoli elettrici. Il suo vantaggio è estrarre calore da varie fonti rinnovabili, come aria, acqua, sottosuolo e calore di scarto, e di non produrre emissioni locali dirette.

Le pompe di calore industriali e per teleriscaldamento spesso sfruttano il calore di scarto generato dai processi industriali nei settori alimentare e delle bevande, cartario, chimico e petrolchimico, nonché nelle raffinerie, nella produzione di cemento e laterizi, e anche nei grandi data center che, per operare, hanno bisogno di sistemi di raffreddamento efficaci.

Affrancarsi dai combustibili fossili e produrre elettricità da fonti sostenibili offre l’ulteriore vantaggio di utilizzare l’energia termica rinnovabile in modo più efficiente e di rendere più flessibile il consumo di energia elettrica, fattore che, a sua volta, aiuta a stabilizzare le reti di distribuzione.

Si prevede che le pompe di calore siano destinate a diventare la tecnologia prevalente nei sistemi di riscaldamento domestico e industriale. L’Agenzia internazionale dell’energia ritiene che il fabbisogno mondiale di riscaldamento di edifici e acqua sanitaria potrebbe essere soddisfatto fino al 90 percento dai sistemi a pompa di calore. Ma al 2021, su scala globale, la percentuale si era attestata solo intorno al 3-5 percento, con meno del 10 percento del calore di processo proveniente da fonti rinnovabili.

IT_PPT 1 — I cuscinetti SKF favoriscono una nuova economia affrancata dalle fonti fossili

Pompe di calore, le ambizioni

Secondo la strategia dell’UE per l’integrazione del sistema energetico, la Commissione europea prevede che, entro il 2030, il 40 percento degli edifici residenziali e il 65 percento di quelli commerciali saranno riscaldati con energia elettrica, il che implica l’impiego di 50 milioni di pompe di calore. Anche il Regno Unito ha piani ambiziosi al riguardo, e punta a installare annualmente 600.000 pompe di calore in abitazioni, scuole e ospedali entro il 2028.

Risultato? Una vertiginosa crescita delle pompe di calore indotta dalla transizione mondiale verso l’energia pulita. Si stima che tra il 2021 e il 2027 il mercato delle pompe di calore industriali crescerà di oltre il 10 percento, mentre quelle per il riscaldamento urbano avranno un incremento di 396 milioni di euro rispetto al 2020, con un tasso di crescita annuo medio del 7 percento tra il 2021 e il 2026.

IT_Heat pumps 1 — Calore di scarto cumulativo <200 °C nei paesi UE28 nei processi oggetto dello studio sul mercato delle pompe di calore

Investimenti, la grande sfida

Il vantaggio di questa tecnologia è estrarre calore da varie fonti rinnovabili.

Gli investimenti economici sono un elemento propulsivo per lo sviluppo di questa industria. Per raggiungere gli ambiziosi obiettivi dell’UE di azzerare le emissioni nette, occorre investire mensilmente almeno 200 milioni di euro per decenni. A livello globale, si stima che l’investimento cumulativo necessario entro il 2050 per il riscaldamento industriale da fonti rinnovabili (solare termico, geotermico, biomasse, elettrificazione, comprese le pompe di calore) ammonti, da solo, a 3,7 miliardi di euro, il 65 percento dei quali è rappresentato dall’elettrificazione.

Inoltre, il costo più elevato dell’elettricità rispetto a quello del petrolio e del gas in mercati come gli Stati Uniti o del carbone in Cina condiziona la crescita, nonostante il danno ambientale prodotto.

Ostacoli di natura tecnica

Oltre a questi aspetti, ci sono anche ostacoli tecnici da superare, in particolare per gli impianti di grandi dimensioni dei sistemi di riscaldamento industriali e di teleriscaldamento. In questi ultimi, per esempio, l’impiego di ammoniaca nelle pompe di calore, pur offrendo un’elevata efficienza termodinamica, può influire sulla durata di esercizio dei cuscinetti. Rispetto a quello residenziale, il riscaldamento industriale richiede temperature operative più elevate, che superano i 100 °C (tra 150 e 300 °C), e questo pone ulteriori sfide di natura sia tecnica che commerciale.

Temperature più alte possono creare problemi termodinamici e di lubrificazione, e il coefficiente di rendimento di tali pompe di calore è relativamente basso. Queste macchine, inoltre, richiedono refrigeranti speciali, che possono essere chimicamente più attivi e corrosivi, così come le temperature di lavoro molto più alte impongono severi requisiti su materiali, tenute e cuscinetti.

Un futuro promettente

Aziende come SKF sono già al lavoro per sviluppare idee, tecnologie e strategie idonee a rendere le pompe di calore le protagoniste dei sistemi di riscaldamento per applicazioni industriali. L’Istituto dei processi industriali a basso tenore di carbonio del Centro aerospaziale tedesco (DLR) ha già sviluppato dei prototipi che possono generare calore a 500 °C.

La società Envola GmbH ha lanciato la prima pompa di calore con serbatoi di stoccaggio integrati, un sistema economico ed ecologico. Un altro importante sviluppo è l’integrazione di sistemi digitali per controllare tutti gli aspetti operativi, in modo che la domanda possa rispondere al carico e il sistema possa essere ottimizzato nel suo uso di elettricità, nei profili di carico e nel costo operativo.

Le pompe di calore saranno al centro di un futuro più sostenibile per il nostro pianeta. La velocità di questa trasformazione dipenderà dalla politica, dalla finanza e dal sostegno dell’industria.

SKF mette al servizio delle pompe di calore la sua tecnologia all’avanguardia, derivata dalla conoscenza dei refrigeratori, che utilizzano anch’essi i compressori. SKF ha maturato una vasta esperienza nella progettazione di sistemi di cuscinetti e di lubrificazione per compressori, soprattutto per i tipi a vite, scroll e centrifughi utilizzati nei refrigeratori, e collabora con i principali produttori, compresi quelli di pompe di calore industriali e sistemi geotermici.

Nel campo delle pompe di calore industriali efficienti per alte temperature, tuttavia, è ancora necessario un notevole sviluppo e un’ulteriore industrializzazione. Per i cuscinetti volventi nelle applicazioni avanzate di pompe di calore ci sono numerose sfide, come il rischio di una maggiore diluizione dell’olio lubrificante da parte del refrigerante, che riduce lo spessore del film; la contaminazione dell’olio per effetto di refrigeranti liquidi come l’ammoniaca; la corrosione e l’infragilimento da idrogeno (cioè la perdita di duttilità dei materiali metallici e la riduzione della capacità di carico conseguente all’assorbimento di idrogeno); la riduzione dei film lubrificanti dovuta a carichi e temperature più elevati. Questi fattori possono influenzare la durata delle macchine.

SKF è impegnata in un ampio lavoro di ricerca per sviluppare soluzioni di cuscinetti ed esaminare le proprietà di refrigeranti e miscele olio/refrigerante. Intende inoltre studiare l’impiego di cuscinetti ibridi in ceramica, materiali inossidabili, rivestimenti, gabbie in PEEK (polietereterchetone), nonché della sua avanzata tecnologia di lubrificazione per i compressori, oltre a valutare possibili miglioramenti nel design dei cuscinetti e nei sistemi di lubrificazione correlati.

SKF si avvale della sua attuale gamma di soluzioni di cuscinetti per soddisfare le gravose esigenze delle applicazioni di pompe di calore. Tra queste figurano le soluzioni per oli molto diluiti e ambienti corrosivi, ossia i cuscinetti ibridi che incorporano corpi volventi in ceramica (nitruro di silicio sinterizzato), i cuscinetti ibridi prodotti con acciaio inossidabile eccezionalmente resistente (Nitromax, suffisso VC444) e, in certi casi, i cuscinetti con uno speciale rivestimento tribologico SKF basato su un procedimento di ossidazione nera. Per i refrigeratori dei data center, che operano a temperature più elevate rispetto a quelli normalmente impiegati, è anche possibile utilizzare i cuscinetti magnetici.

I numerosi progetti già in corso dimostrano il potenziale degli impianti di teleriscaldamento con pompe di calore su larga scala, che recuperano il calore di scarto dei processi industriali. Tali sistemi possono essere anche utilizzati per il raffreddamento dei grandi data center. A Odense, in Danimarca, Facebook ha collaborato con la locale società di teleriscaldamento, Fjernvarme Fyn, per recuperare il calore generato dal suo centro elaborazione dati e fornire al sistema 100.000 MWh di energia all’anno con cui riscaldare 6.900 abitazioni. A Seattle, Washington, il quartier generale di Amazon è riscaldato con il calore di scarto di un vicino data center, mentre in una città nei pressi di Zurigo, in Svizzera, dal 2008 un data center IBM fornisce calore alla piscina pubblica.

In Canada, nel Québec, sono partiti due progetti all’avanguardia per l’uso di pompe di calore elettriche in applicazioni industriali. Uno di questi riguarda due caseifici, che condividono la stessa infrastruttura di riscaldamento e raffreddamento, e dove è possibile utilizzare due pompe di calore a temperature di 82 e 87 °C per produrre yogurt e formaggi.