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Pompe di calore
Migliori tecniche disponibili (BAT)
Recupero di calore mediante pompe di calore
Breve descrizione tecnica
L'obiettivo principale delle pompe di calore è quello di spostare l'energia termica da una sorgente a bassa temperatura a una sorgente a temperatura più alta. Le pompe di calore trasferiscono calore (non lo creano) di origine naturale o antropica da sorgenti come ad esempio l'aria, il suolo o l'acqua, per utilizzarlo in applicazioni domestiche, commerciali o industriali. L'utilizzo più comune di queste apparecchiature si vede nei sistemi di raffreddamento (condizionatori, refrigeratori ecc.) dove, nonostante il processo sia il medesimo, è l'obiettivo finale del lavoro a essere diverso: la finalità infatti non è quella di riscaldare la sorgente calda bensì di raffreddare quella fredda. Talvolta il calore in eccesso dei sistemi di raffreddamento si può utilizzare per soddisfare la richiesta termica di altre utenze o anche per produrre contemporaneamente energia termica e frigorifera in un impianto di trigenerazione.
Per il funzionamento di una pompa di calore l'energia necessaria può essere fornita da un motore elettrico (compressore), un motore a combustione interna, una turbina o una fonte di calore (nel caso di pompe di calore ad assorbimento).
Tipi di pompe di calore:
- Pompe di calore a compressione (ciclo chiuso)
- Pompe di calore ad assorbimento
- Ricompressione meccanica del vapore (MVR)
Benefici ambientali conseguibili
Con le pompe di calore è possibile recuperare calore a bassa temperatura con consumo di energia primaria inferiore rispetto all'output del sistema (a seconda del COP e del rispetto delle condizioni operative per un buon rendimento complessivo stagionale). In questo modo il calore a bassa entalpia può essere utilizzato per applicazioni di riscaldamento degli ambienti, con conseguente riduzione dei consumi di energia primaria e delle emissioni correlate (biossido di carbonio, anidride solforosa e ossidi di azoto).
L'efficienza di qualsiasi sistema a pompa di calore è fortemente influenzata dal salto termico tra le due sorgenti (calda e fredda).
Effetti collaterali
Con l'utilizzo di gas refrigeranti ad alto impatto ambientale (effetto serra in particolare) si deve prestare particolare attenzione a eventuali perdite nei circuiti o durante le fasi di smantellamento e dismissione degli impianti.
Dati operativi
Sistemi a compressione: nei fluidi di lavoro solitamente utilizzati, il limite massimo di temperatura in uscita è di 120 °C.
Sistemi di assorbimento: una coppia di fluido di lavoro bromuro del litio di acqua può raggiungere una potenza di 100° C e un ascensore di temperatura di 65 ° C. Sistemi di nuova generazione hanno più alte temperature di uscita (fino a 260 ° C) e alta temperatura impianti di risalita.
Gli attuali sistemi MVR lavorano con una temperatura della sorgente fredda di 70 – 80 °C e raggiungono valori di 110 – 150 °C in output (in alcuni casi arrivano fino a 200 °C). Il più comune fluido di lavoro è il vapore, sebbene vengano utilizzati anche altri gas di processo, specialmente nel settore petrolchimico.
L'applicazione della cogenerazione in campo industriale è invece più complessa. Per esempio con turbine in contropressione va considerata anche la perdita di lavoro dalle turbine stesse.
Applicabilità
Le pompe di calore sono spesso utilizzate per applicazioni di raffreddamento (dove spesso il calore rimosso viene disperso). Si tratta di una tecnologia matura, affidabile e ben collaudata, alla quale è perciò possibile accoppiare sistemi di recupero termico finalizzati a:
- riscaldamento degli ambienti
- riscaldamento e raffreddamento di processo
- riscaldamento dell'acqua di lavaggio, sanificazione e pulizia
- produzione di vapore
- essiccazione/deumidificazione
- evaporazione
- distillazione
- concentrazione (disidratazione).
Le pompe di calore sono utilizzate anche nei sistemi di cogenerazione e trigenerazione.
I cascami termici più comuni nell'industria derivano da fluidi di raffreddamento, effluenti, condense, umidità e calore dissipato dai condensatori degli impianti di refrigerazione. A causa delle variazioni nella disponibilità di calore, può essere necessario ricorrere a serbatoi di accumulo coibentati, più o meno voluminosi, per garantire un apporto termico costante alla pompa di calore.
Le pompe di calore ad assorbimento sono applicabili in impianti con grosse quantità di calore disponibile.
La maggior parte dei sistemi MVR sono in impianti di distillazione, evaporazione ed essiccazione, ma è uso comune anche l'utilizzo in reti di distribuzione del vapore.
Le pompe di calore per i recuperi termici hanno una scarsa diffusione nell'industria e solitamente vengono installate durante adeguamenti di impianto o retrofit, raramente in fase di progetto di nuovi impianti.
La tecnologia della pompa di calore risulta più conveniente quando i costi del carburante sono alti e, pur essendo sistemi più complessi rispetto agli impianti di combustione a fonte fossile, si distinguono per una notevole affidabilità e robustezza.
Fattori economici
Il beneficio economico dell'impianto dipende fortemente dalle condizioni al contorno e sito-specifiche, con un periodo di ammortamento per le applicazioni industriali che si attesta, nel migliore dei casi, intorno a 2 anni. La spiegazione sta nel costo dell'energia (tanto più questo cresce e maggiore sarà il beneficio legato all'efficienza) e dall'entità spesso non trascurabile dell'investimento.
Pure la redditività di un'installazione MVR è influenzata, oltre che dai prezzi di combustibile ed energia elettrica, anche dai costi di investimento. Il costo di un impianto a Nymölla, in Svezia, è stato di circa 4,5 milioni di euro. L'Agenzia dell'energia svedese ha contribuito con una sovvenzione di quasi 1 milione di euro. Al momento dell'installazione, il risparmio annuo derivante dall'efficientamento ammontava a circa 1 milione di euro.
Fattori chiave per l'implementazione
- risparmio sui costi energetici di gestione
- incremento della capacità produttiva in caso di insufficienza della caldaia esistente
Esempi applicativi
- Dåvamyren, Umeå, Svezia: pompa di calore a compressione nell'impianto di incenerimento dei rifiuti
- Renova Göteborg, Svezia: pompa di calore ad assorbimento
- Borlänge, Halmstad e Tekniska Verken, Linköping, Svezia, impianto di incenerimento rifiuti e bruciatori alimentati con biocarburante, Svezia: pompe di calore MVR
- La ricompressione meccanica del vapore è stata adattata anche per installazioni su piccola scala, con un compressore azionato con energia elettrica.