Transizione dei sistemi di riscaldamento: efficientamento, recupero energetico e decarbonizzazione

Migliorare la sostenibilità del settore del riscaldamento nell’edilizia residenziale, commerciale e nell’industria è una priorità ormai imprescindibile per ottenere la decarbonizzazione nei piani EU al 2050.

La riduzione delle emissioni di carbonio, limitando il più possibile i fabbisogni di combustibili fossili e al con­tempo aumentando la quota di fonti di energia rinno­vabili, in combinazione con i recuperi termici e l’incre­mento dell’efficienza energetica degli impianti di riscaldamento sono tutti elementi che si integrano tra loro e che rappresentano obiettivi molto importanti per contribuire alla transizione ne­cessaria nel campo degli usi termici.

Tra il 2010 e 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 e Italiano, sul risparmio energetico e più in generale sull’efficienza ener­getica per l’edilizia residenziale e commerciale, in questi ultimi 2-3 anni, il disegno della decarbonizzazione si sta completando anche nel campo industriale, e gli usi termici ad esso collegati.

Questo triplice focus nel mondo degli usi termici dell’energia (Re­sidenziale – Commerciale – Industriale) è sempre più considerato da molti esperiti come il prossimo grande obiettivo 2030-2050 dell’Unione Europea, in termini di efficientamento e decarboniz­zazione, per poter incidere in maniera forte nell’abbattimento delle emissioni climalteranti connesse alla combustione di com­bustibili fossili in tutti i settori incluso il comparto industriale e più precisamente dei processi.

Le priorità della Commissione Europea

La politica UE si è resa conto già da anni del grande potenziale di decarbonizzazione del settore del riscaldamento in tutti e tre i settori residenziale, commerciale ed industriale e ci fa piacere citare una parte del discorso del Commissario Europeo all’Ener­gia Ms. 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”.

Oggi ne parlano tutti, ma in termini legislativi la vera svolta verso le energie rinnovabili arrivò a partire dagli anni 2000, in particolare nel 2009 con l’approva­zione della direttiva RES (Renewable Energies Sources Directi­ve), 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 “transizione dei sistemi di riscaldamento” 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.

Non solo prodotti e mercati, ma anche capacità produttiva

A livello legislativo e di indirizzo strategico comunitario, non può certamente non essere menzionato il “Net-Zero Industry Act” [1] 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. Le tecnologie promosse dal “Net-Ze­ro Industry Act” sono illustrate in figura 1. 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.

Questo del “Net-Zero Industry Act” Europeo, benché dibattuto nei tempi e nei modi, è stato un passo dovuto, benché tardivo, visto che negli ultimi 10 anni, mentre l’Europa scriveva il Green Deal, alcuni paesi con strategie più organizzate e lungimiranti in campo di energie Rinnovabili (come ad esempio la Cina) di fat­to l’ha realizzato, costruendo filiere complete nel campo delle energie rinnovabili termiche ed elettriche e diventando leader in quasi tutti i segmenti (figura 2).

La ripartizione dell’uso di energia termica per area di applicazione

Osservando la ripartizione del consumo di energia tra i diversi settori (figura 3) appare evidente che il “riscaldamento degli edifici” è il servizio dominante nei settori residenziale e terzia­rio, ma non va dimenticato che il servizio “riscaldamento di processo” (Process Heating) domina nell’industria e vale circa il 32% sul totale, con valori non dissimili dal comparto residenziale che è stato in questi anni, pro­babilmente, molto più incentivato e sostenuto.

Il “process heating” nell’industria ha dunque un peso molto importante (colonna gialla di sinistra, nel diagramma di figu­ra 3, circa 2000 TWh) sul totale degli usi di energia e, sebbe­ne in altri settori come ad esempio in quello residenziale siano stati fatti passi da gigante negli ultimi 15 anni ad esempio nel campo dell’efficienza energetica in edilizia (basti pensare alla rifusione della Direttiva sulla prestazione energetica nell’edilizia (EPBD) (UE/2024/1275), adottata di recente, nel maggio 2024, che aumenta ulteriormente i requisiti di prestazione energetica per i nuovi edifici [3] ) e nell’utilizzo delle energie rinnovabili (fa­cendo riferimento ad esempio alla Renewable Energy Directi­ve (UE) 2023/2413 del Parlamento europeo e del Consiglio del 18 ottobre 2023 che modifica la direttiva (2018/2001/EU) [4] entrata in forza come parte del Clean energy for all Europeans package [5]), in molti settori della produzione di beni e servizi, il parco installato dell’impiantistica commerciale ed industriale del riscaldamento non sempre è aggiornato e molti processi potreb­bero essere sicuramente notevolmente più efficienti.

Nel campo industriale parte dell’energia, in qualche caso anche rilevante, 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.

Quali tecnologie privilegiare?

A livello tecnologico per la produzione di energia termica in cam­po residenziale, commerciale ed industriale è possibile impie­gare diverse tecnologie per realizzare un determinato salto di temperatura. Partendo ad esempio dalle tradizionali tecnologie a combustibili fossili come le caldaie (con diversi combustibili, tra cui a titolo esemplificativo e non esaustivo: carbone, gasolio, gas, ecc.), che per più di un secolo hanno determinato il mondo industriale attuale così come lo conosciamo oggi, ed arrivando fino alle pompe di calore che, con una verticalizzazione negli ultimi 20 anni, hanno saputo prendere il largo in diversi settori applicativi, poiché producono il loro effetto termico sostituendo i combustibili fossili con l’energia da fonte rinnovabile o sfruttando l’energia in eccesso altrimenti sprecata (ad esempio nel caso del cosiddetto “Waste Heat” o cascame termico o calore di scarto che nei processi industriali è molto frequente). La conseguenza della sostituzione dei combustibili fossili significa in generale una migliore efficienza, aria più pulita e procedere verso emissioni zero (o quasi) nelle nostre economie e società.

Il diagramma di figura 4 mostra una panoramica delle emissioni di CO₂ eq per kWh dei diversi sistemi di produzione di energia termica, dove i sistemi in pompa di calore si dimostrano i più efficienti specie se combinati la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile e con l’impiego di refrigeranti a basso GWP (Global Warming Potential) dove primeggiano i refrigeranti natu­rali come, ad esempio: Ammoniaca (R717), Anidride Carbonica (R744) ed Idrocarburi, tra cui in fase di grandissimo sviluppo, in tutti i segmenti applicativi, il Propano (R290).

Il diagramma di figura 5 mostra invece come a livello di ciclo vita, non solo le pom­pe di calore abbiano generalmente emissioni sempre inferiori al miglior sistema di combustione fossile, ma anche che l’utilizzo di unità con refrigeranti con GWP non pari a zero, contribuiscono ad una riduzione delle emissioni di gas serra, grazie al guadagno che si ha nel ciclo vita per le emissioni legate al funzionamento.

La prima priorità rimane sicuramente la riduzione delle emissioni di CO₂ e nel fare questo è opportuno notare che mentre la tec­nologia della pompa di calore risulta abilitante nel campo delle basse emissioni, i refrigeranti in sé, se opportunamente gestiti, possono comportare un peso molto meno determinante, anche nel caso in cui non fossero propriamente a bassissimo o nullo GWP, fermo restando ovviamente che più si va verso i refrigeranti naturali o a zero emissioni dirette o indirette e meglio è per l’uo­mo e per l’ambiente.

Conclusioni

Lo scenario del riscaldamento in tutti i settori sta cambiando e con esso anche la prospettiva di vedere la tecnologia delle pom­pe di calore come con una vera e propria rivoluzione, anche nei range di temperatura dove solo pochi anni fa non ci si aspettava di poter impiegare le pompe di calore.

Occorre però porre at­tenzione al fatto che l’approccio assolutistico talvolta utilizzato nei confronti delle tecnologie a energia rinnovabile, ha rischia­to e rischia di pregiudicarmene nel breve periodo uno sviluppo equilibrato. Ad esempio può risultare interessante per certi pa­rallelismi, studiare il fenomeno dell’auto elettrica, dove a fronte di evidenze tecniche inequivocabili di risparmio fortissimo delle emissioni inquinanti dirette se non del loro azzeramento (rispetto alle emissioni generate dalle auto a combustione interna), una mancata contestualizzazione dei “fattori al contorno” ne sta purtroppo limitando un ampio utilizzo, anche a causa di alcune incomprensioni di fondo circa limiti e opportunità di una transi zione necessaria con i motori a combustione interna ma che deve avvenire in maniera equi­librata, settore per settore, ap­plicazione per applicazione in maniera pesata sotto vari punti di vista (e.g.: emissioni dirette, emissioni indirette, total life cycle emissions, total life cycle cost, sostenibilità, riciclo, uso intensivo di deter­minati materiali, ecc.).

Non ra­gionare in maniera equilibrata e step by step nel campo dell’auto elettrica non ne sta favorendo lo sviluppo esponenziale (quantomeno come ce lo si aspettava) e al contempo sta frenando e penalizzando l’intero comparto automobilistico con motori a combustione interna che di fatto è di fronte ad una riconversione epocale che, probabilmente, non potrà avvenire in breve tempo nonostante tutto l’impegno profu­so e le politiche a sostegno.

Nel caso delle pompe di calore, for­se dovremmo più seriamente prendere spunto da quanto alcuni settori come l’auto stanno insegnandoci in termini di transizione, poiché probabilmente, con opportuni adattamenti potrebbero valere simili considerazioni, ovvero: ad esempio pensare di so­stituire caldaie o dispositivi elettrici in interi settori che magari utilizzano temperature di processo dai 200 ai 400 °C, con anche le migliori tecnologie HTHP (High Temperature Heat Pumps) e VHTHP (Very High Temperatures Heat Pumps) disponibili, po­trebbe in molti casi essere una mossa eccellente, in molti altri invece potrebbe risultare una utopia che non solo non darebbe risultati apprezzabili nell’immediato (ad esempio per indisponi­bilità di tecnologie realmente sostitutive sotto tutti i punti di vista, sopra citati), ma anche che rischierebbe di raffreddare brusca­mente interessi ed entusiasmi del mondo industriale verso le pompe di calore, settore davvero molto promettente, ma che va protetto e instradato con approccio più scientifico ponderato.

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