COME FUNZIONANO LE POMPE DI CALORE INDUSTRIALE AD ALTA TEMPERATURA

La tecnologia delle pompe di calore sta rivoluzionando il modo in cui affrontiamo i sistemi di riscaldamento e raffreddamento, utilizzando energia rinnovabile e calore di scarto. Le pompe di calore funzionano trasferendo il calore da una fonte a bassa temperatura per fornire calore a temperatura più elevata, il tutto tramite un ciclo termodinamico comprovato di compressione del vapore. Le pompe di calore stanno diventando un elemento centrale nella transizione energetica globale, poiché sia le industrie che le abitazioni cercano soluzioni sostenibili per decarbonizzare la produzione di calore, che è responsabile di una parte significativa del consumo energetico globale e delle emissioni di carbonio.

Il settore industriale è responsabile di un terzo delle emissioni globali di CO2, con i processi di riscaldamento che contribuiscono a più del 20% di queste emissioni, principalmente a causa della dipendenza da combustibili fossili come gas naturale, carbone e petrolio. Le pompe di calore industriali, che utilizzano elettricità e fonti come acqua di mare o calore in eccesso, possono fornire da tre a cinque volte più energia termica per unità di elettricità rispetto ai sistemi tradizionali. Con la capacità di operare a temperature fino a 200ºC e a grandi capacità, offrono un’alternativa economica ed ecologica, soprattutto con l’aumento dei prezzi del gas.

In questo articolo, ci concentreremo sui seguenti punti chiave:

1. Come funzionano le pompe di calore
2. Componenti principali di un sistema di pompa di calore
3. Vantaggi dell’utilizzo delle pompe di calore
4. Diverse tipologie di tecnologie delle pompe di calore
5. Exergy Industrial Heat Pump

1. Cos’è una pompa di calore e come funziona?

Le pompe di calore sono altamente efficienti e possono essere alimentate interamente da energia rinnovabile, utilizzando elettricità insieme al calore proveniente da fonti di aria, acqua e terreno, nonché energia in eccesso da processi industriali e aria di scarico degli edifici.

Come funziona un sistema di pompa di calore?

Una pompa di calore funziona utilizzando il ciclo di refrigerazione a compressione, in cui un fluido di trasferimento, o refrigerante, sposta il calore da una fonte a bassa temperatura a una destinazione a temperatura più alta. Il processo inizia nell’evaporatore, dove il refrigerante assorbe il calore dalla fonte di calore e evapora. Questo refrigerante vaporizzato viene quindi compresso utilizzando energia meccanica fornita da un motore elettrico, aumentando sia la sua pressione che la sua temperatura.

Ad alta pressione e temperatura, il vapore di refrigerante fluisce nel condensatore. Qui, il calore viene trasferito al mezzo di distribuzione, come aria o acqua, e il vapore di refrigerante viene raffreddato, condensandosi nuovamente in un liquido. Questo liquido, ancora sotto alta pressione, passa attraverso una valvola di espansione, dove la sua pressione e temperatura vengono ridotte, permettendo al liquido di tornare all’evaporatore.
Questo ciclo continua in un circuito chiuso, trasferendo calore in modo efficiente sia in modalità riscaldamento che raffreddamento. Il sistema è spesso ermeticamente sigillato per garantire un funzionamento regolare e continuo, fornendo un trasferimento di calore energeticamente efficiente in diverse applicazioni.

2. Componenti principali delle pompe di calore

Le prestazioni di una pompa di calore sono influenzate principalmente dai suoi componenti principali, il compressore e gli scambiatori di calore (condensatore ed evaporatore). Tra questi, il compressore è considerato il più cruciale, poiché impatta direttamente sulla portata del refrigerante e sull’efficienza del processo di compressione. In sostanza, il compressore determina quanta energia termica può essere assorbita dal refrigerante e, di conseguenza, quanto efficacemente la pompa può regolare le temperature. A causa della loro complessità, i compressori rappresentano una parte sostanziale dei costi complessivi del capitale hardware di una pompa di calore e spesso contengono proprietà intellettuali di grande valore. Sebbene il compressore svolga un ruolo centrale, altri componenti, in particolare gli scambiatori di calore, sono altrettanto fondamentali per l’efficienza complessiva. In Exergy, questi scambiatori sono una tecnologia consolidata e possono essere personalizzati per soddisfare i requisiti specifici delle applicazioni di pompe di calore su larga scala.

Exergy fornisce una varietà di pompe di calore, progettando e producendo tutti i componenti principali internamente, mentre altre parti vengono acquistate da fornitori affidabili. Esaminiamo ora ogni singolo componente:

Componenti statici

• Evaporatore Shell-and-Tube (S&T) (1): Questo componente è progettato internamente da Exergy per assorbire il calore dall’ambiente circostante e vaporizzare il refrigerante.
• Condensatore Shell-and-Tube (S&T) (2): Anche progettato da Exergy, il condensatore è responsabile per rilasciare il calore dal refrigerante verso il fruitore di calore o il heat sink.
• Scambiatore di calore interno (IHX o Recuperatore): Questo componente riscalda il vapore dall’evaporatore utilizzando il condensato liquido dal condensatore. Può essere installato quando il recupero di calore interno è vantaggioso, contribuendo a migliorare l’efficienza.
• Subcooler Shell-and-Tube (S&T): Progettato da Exergy, il subcooler è utile per migliorare il coefficient of performance (COP) e può essere installato in entrambe le serie di pompe di calore, a doppio stadio e a singolo stadio, quando le condizioni del heat sink lo rendono vantaggioso.
• Valvole di controllo e espansione: Di solito attivate ad aria o elettricamente, queste sono fondamentali per regolare il flusso di refrigerante, mantenendo prestazioni ottimali durante tutto il ciclo.
• Pannelli elettrici e di automazione (5): Progettati internamente da Exergy, questi pannelli incorporano il software proprietario dell’azienda per gestire in modo efficiente le operazioni del sistema. Realizzati con componenti di alta qualità e rigorosi standard ingegneristici, migliorano la sicurezza e l’affidabilità garantendo un controllo preciso, minimizzando i rischi operativi e ottimizzando le prestazioni. Il loro design robusto migliora anche la durata e la resilienza del sistema, fornendo una soluzione affidabile per operazioni a lungo termine.

Componenti rotanti

• Motore elettrico (3): Di solito viene utilizzato un motore Direct-On-Line (DOL) raffreddato ad aria. Tuttavia, per applicazioni più piccole, può essere utilizzato un motore air-to-water raffreddato con un Variable Frequency Drive (VFD) per migliorare l’efficienza e il controllo.
• Compressore (4): Sono disponibili due tipi di compressori, selezionati in base alla capacità di riscaldamento, all’efficienza e agli obiettivi di costo del sistema.
  a. Il Turbo-compressor è dotato di un sistema Inlet Guide Vanes (IGV) per un controllo efficace della capacità, con meccanismo integrally geared o direct drive per alta efficienza.
  b. Il Screw-compressor è fornito da fornitori di fiducia del settore ed è tipicamente semi-ermetico, offrendo prestazioni affidabili per una gamma di applicazioni.

3. Vantaggi delle pompe di calore

Le pompe di calore offrono un’alternativa altamente efficiente ai sistemi di riscaldamento tradizionali, rendendole una scelta attraente per applicazioni sia residenziali che industriali. Sebbene la tecnologia delle pompe di calore non sia nuova, il suo potenziale, in particolare nei contesti industriali, è sempre più riconosciuto. Fattori come l’impegno globale per la decarbonizzazione, l’elettrificazione del calore, le considerazioni economiche e gli incentivi governativi stanno contribuendo a un’impennata della crescita del mercato delle pompe di calore industriali, con una crescita annuale che si prevede supererà il 15% fino al 2030. In Europa, potrebbero essere implementate pompe di calore industriali con una capacità combinata di 15 GW in circa 3.000 installazioni in settori come chimica, carta e alimentare, favorendo in modo significativo la loro adozione su larga scala. (Fonte: McKinsey & Company)

Le pompe di calore industriali sono particolarmente adatte a soddisfare la crescente domanda di generazione di calore sostenibile nei processi industriali e nelle reti di teleriscaldamento, offrendo molti vantaggi:

• Le pompe di calore forniscono significativamente più calore per la stessa quantità di elettricità rispetto al riscaldamento elettrico diretto.
• Il loro minor consumo di elettricità significa costi operativi ridotti rispetto al riscaldamento elettrico diretto.
• Le pompe di calore sfruttano in modo efficiente le fonti di calore di scarto a bassa temperatura, migliorando ulteriormente le loro capacità di risparmio energetico.
• Le pompe di calore sono facili da gestire e richiedono una bassa manutenzione.
• Le pompe di calore sono anche molto efficaci sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. Un’unica unità può fornire entrambi i servizi, creando significative opportunità per modelli di business ottimizzati.

Combinando riscaldamento e raffreddamento, possono essere raggiunte sinergie tra diversi settori. Ad esempio, i data center possono essere collegati alle reti di teleriscaldamento, dove le pompe di calore non solo raffreddano i data center, ma anche riutilizzano il calore di scarto per contribuire all’approvvigionamento di calore per la rete. Questo approccio integrato massimizza l’impatto della pompa di calore, circolando in modo efficiente l’energia termica tra entrambi i sistemi.

Per esplorare altri benefici e vantaggi delle pompe di calore industriali Exergy e scoprire come possono migliorare l’efficienza energetica e la sostenibilità della tua attività, visita la pagina delle pompe di calore industriali!

3.1 Perché le pompe di calore sono più efficienti?

Le pompe di calore sono attualmente la soluzione più avanzata ed efficiente per produrre calore in ambienti industriali e nei sistemi di teleriscaldamento, superando i limiti delle caldaie a gas naturale e delle caldaie elettriche. Il vantaggio principale delle pompe di calore risiede nel loro principio di funzionamento diverso: una pompa di calore non genera calore, ma lo trasferisce, utilizzando fonti termiche a bassa temperatura che altrimenti andrebbero sprecate. Questa efficienza è resa possibile da un ciclo termodinamico a circuito chiuso che sfrutta le proprietà di fluidi naturali o sintetici, i quali cambiano stato (evaporano o condensano) a temperature diverse a seconda della pressione a cui sono sottoposti.

A differenza delle caldaie a gas, che bruciano combustibili fossili per produrre energia termica, o delle caldaie elettriche, che convertono direttamente l’elettricità in calore, le pompe di calore sfruttano l’energia già presente nell’aria, nell’acqua o nei flussi di processo industriale, “muovendola” e amplificandola tramite un consumo relativamente basso di elettricità. Di conseguenza, le pompe di calore possono produrre da 2 a 5 unità di calore per ogni unità di energia elettrica utilizzata, riducendo significativamente il consumo ed eliminando le emissioni. Al contrario, una caldaia elettrica genera circa 1 unità di calore per ogni unità di elettricità consumata, mentre una caldaia a gas produce circa 0,9 unità di calore per ogni unità di energia del gas naturale bruciato (con le relative emissioni rilasciate attraverso il camino).

4. Tipologie di pompe di calore

Le pompe di calore sono disponibili in vari tipi, ciascuna progettata per applicazioni specifiche, fonti di energia e requisiti di efficienza. Un tipo ampiamente utilizzato è il VCC (Vapor Compression Cycle), che funziona su un ciclo di refrigerazione subcritico. Un’altra categoria comprende le pompe di calore a ciclo aperto, come le MVR (Mechanical Vapor Recompression), progettate per elevare il vapore a temperature più elevate per i processi industriali. Le pompe di calore possono anche essere classificate in base alla loro fonte di energia:

• Pompe di calore ad aria: queste estraggono il calore dall’aria ambiente e sono disponibili in due configurazioni: air-to-water, che trasferisce il calore a un sistema basato sull’acqua per applicazioni di riscaldamento o di processo, e air-to-air, che distribuisce il calore direttamente utilizzando ventilatori. Sebbene siano comunemente utilizzate in contesti residenziali, le pompe di calore industriali ad aria sono adattate per operazioni su larga scala, come il riscaldamento di spazi nei magazzini o il riscaldamento a bassa temperatura per i processi. Tuttavia, la loro efficienza può essere limitata in climi più freddi o per esigenze industriali ad alta temperatura.
• Pompe di calore geotermiche: questi sistemi estraggono il calore dalla terra attraverso circuiti di tubi sotterranei riempiti con un fluido di trasferimento del calore. Le pompe di calore geotermiche industriali sono ideali per riscaldamento su larga scala, raffreddamento e produzione di acqua calda, sfruttando l’energia termica stabile immagazzinata nel sottosuolo. Sono particolarmente adatte per strutture con ampi terreni per l’installazione dei circuiti sotterranei e sono spesso utilizzate nei sistemi di teleriscaldamento o nei complessi industriali che richiedono energia termica costante.
• Pompe di calore ad acqua: questi sistemi utilizzano l’acqua come fonte o serbatoio di calore, rendendoli altamente versatili per le applicazioni industriali. Possono funzionare in configurazioni closed-loop, dove un fluido di trasferimento del calore circola attraverso uno scambiatore di calore, o in sistemi open-loop, che utilizzano direttamente l’acqua da fonti come fiumi, laghi, falde acquifere o il mare. Le pompe di calore industriali ad acqua sono particolarmente efficaci per sfruttare il calore di scarto dall’acqua di raffreddamento nei processi industriali, nelle acque reflue o nelle reti di teleriscaldamento. Sono anche ben adatte per applicazioni simultanee di riscaldamento e raffreddamento, rendendole una soluzione robusta per le industrie ad alta intensità energetica.
• Quando più generatori di calore vengono combinati, questo viene chiamato un sistema ibrido.

4.1 Applicazioni delle pompe di calore industriali

Nei contesti industriali, le pompe di calore svolgono un ruolo cruciale nel recupero del calore di scarto da fonti come le acque reflue, l’energia geotermica, le acque di fiumi e mari, e persino il vapore di processo. Le industrie con elevati consumi energetici, come quelle alimentari e delle bevande, chimiche e della carta, possono ridurre le emissioni e i costi energetici implementando sistemi di pompe di calore. Queste tecnologie sono anche essenziali nelle reti di teleriscaldamento, contribuendo a ridurre l’uso di combustibili fossili e le emissioni di CO2 in settori come la lavorazione chimica, i data center IT e i servizi pubblici. Le pompe di calore hanno molte altre applicazioni, tra cui l’industria del ferro e dell’acciaio, i metalli non ferrosi, i minerali non metallici e l’industria della polpa. Forniscono anche prodotti legnosi a basso consumo energetico, la produzione di tessuti e cuoio e attrezzature per il trasporto, supportando operazioni sostenibili.

Quanto costa una pompa di calore?

Le pompe di calore, a seconda delle diverse tipologie e applicazioni, hanno vari prezzi. Per maggiori dettagli su costi, applicazioni e soluzioni personalizzate, richiedi maggiori informazioni alla nostra pagina contatti.

5. Scopri le Pompe di Calore Industriali di Exergy

Exergy sta avanzando le sue capacità offrendo innovative Vapor Compression Heat Pumps, chiamate X-heat. Queste pompe di calore industriali sono disponibili per applicazioni sia medie che su larga scala, fornendo soluzioni di riscaldamento efficienti su un ampio intervallo di temperature, da quelle basse convenzionali (~50°C) a temperature elevate superiori a 150°C.

La serie X-heat include sistemi per piccole industrie (sotto i 5 MWth) o combinati con caldaie, oltre a processi industriali più grandi e applicazioni di teleriscaldamento (fino a 50 MWth). Per applicazioni su scala ridotta, i sistemi utilizzano screw compressors, mentre per operazioni su larga scala vengono impiegati turbo compressors. Le pompe di calore Exergy sono progettate per massimizzare il Coefficient of Performance (COP), garantendo un’efficienza ottimale selezionando con cura refrigeranti e configurazioni del ciclo. Il COP tipicamente varia da 2 a 5 nelle applicazioni standard, a seconda della fonte di calore, della temperatura del serbatoio, del refrigerante e del design del compressore.

Le pompe di calore Exergy sono progettate con la sostenibilità in mente, utilizzando refrigeranti ecologici con zero Ozone Depletion Potential e il più basso Global Warming Potential, dando priorità ai refrigeranti naturali come gli idrocarburi quando possibile. Questi sistemi non contengono refrigeranti tossici o corrosivi, supportando ulteriormente il loro design ecologico.

I sistemi Exergy sono adatti a una vasta gamma di industrie, inclusa la produzione di vapore, e sono particolarmente efficaci nel fornire high lift (oltre 80 K) per trasformare l’energia termica di bassa qualità in calore ad alta temperatura a basse emissioni di carbonio. La configurazione modulare e compatta garantisce una facile installazione, mentre lo sviluppo continuo della tecnologia Exergy spinge i limiti delle prestazioni delle pompe di calore, offrendo capacità di high lift e un’efficienza superiore in diverse applicazioni.

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Conclusione

In conclusione, le pompe di calore sono un componente cruciale nella transizione verso un sistema energetico sostenibile e a zero emissioni entro il 2050. Con una varietà di soluzioni disponibili per soddisfare diverse esigenze e livelli di modernizzazione, offrono significativi vantaggi economici, ambientali e sociali. Man mano che la tecnologia continua a migliorare e l’efficienza aumenta, le pompe di calore diventeranno ancora più convenienti e ampiamente applicabili. Catturando e riutilizzando il calore in eccesso, le pompe di calore contribuiscono a un’economia energetica circolare, consentendo il passaggio dai combustibili fossili mentre promuovono l’efficienza energetica.

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