Pompe di calore: un nuovo ruolo per il gas naturale

La domanda di energia nel settore residenziale rappresenta una delle voci più significative della domanda energetica del nostro Paese e si attesta su valori prossimi al 40% (Eurostat), ben superiore ai consumi dell’industria e dei trasporti. Nello specifico, i consumi per riscaldamento e climatizzazione estiva sono stimati assorbire il 70% dei consumi del settore residenziale (ENEA), rappresentando quasi il 30% di tutti i consumi di energia del nostro Paese. Non è quindi un caso che la SEN (Strategia Energetica Nazionale) abbia individuato l’edilizia come uno dei settori principali nei quali incrementare l’efficienza energetica e la percentuale di energia prodotta da fonti rinnovabili. L’obiettivo è quello di poter avere edifici che richiedano sempre meno energia, tendendo verso l’obiettivo di NZEB, “Nearly Zero Energy Buildings”, ovvero con un fabbisogno di energia da combustibili fossili quasi nullo.

Per la riqualificazione e l’efficientamento degli edifici esistenti, in particolare per quelli di edilizia residenziale, i vincoli strutturali, architettonici ed urbanistici definiscono dei limiti relativamente alle tecnologie che possono essere adottate.

Tuttavia, al fine di contenere i consumi di energia primaria per riscaldamento, è possibile ricorrere ai migliori sistemi di isolamento termico e al contempo efficientare il sistema di produzione del calore. Sicuramente, il primo passo da compiere, laddove siano ancora utilizzate (e non sono pochi i casi), è quello di passare dalle caldaie convenzionali (specie quelle ancora alimentate a gasolio) a quelle moderne a condensazione, alimentate a gas naturale. Oppure, per quanto sia più oneroso per l’investimento iniziale (anche se in grado di ripagarsi rapidamente negli anni), si potrebbe optare per l’utilizzo di pompe di calore - che possono essere alimentate a gas naturale o elettricità - una tecnologia che può sostituire o integrare le caldaie a condensazione.

Che cosa sono le pompe di calore? Le pompe di calore sono chiamate con questo nome per l’analogia con le pompe impiegate per l’acqua. Infatti, mentre le pompe idrauliche servono per portare l’acqua da un serbatoio posto più in basso ad un altro posto in alto, vincendo la forza di gravità, le pompe di calore portano energia (calore) da un mezzo a bassa temperatura ad un altro a temperatura più alta, opponendosi al flusso termico naturale che farebbe fluire il calore dal mezzo più caldo a quello più freddo.

Per svolgere il loro lavoro, le pompe di calore richiedono energia: le pompe di calore a compressione ad energia elettrica sono dotate di un compressore che assorbe energia elettrica mentre le pompe ad assorbimento, alimentate a gas naturale, richiedono calore a temperatura relativamente alta. Il vantaggio delle pompe di calore sta nel COP, “Coefficient Of Performance”, che rappresenta il rapporto tra l’effetto utile (energia termica fornita all’utente finale) e l’energia richiesta dal funzionamento della pompa. Le pompe di calore a compressione hanno COP elevati, da 2.5 fino ad oltre 4 nelle macchine più moderne: ciò significa che per ogni kWh elettrico assorbito vengono forniti da 2.5 a 4 kWh termici sotto forma di riscaldamento. Le pompe di calore ad assorbimento (si veda Figura), invece, hanno COP inferiori, variabili tipicamente da 1.3 a quasi 1.7: ciò significa che per 1 kWh termico fornito alla macchina, l’utente riceve da 1.3 a 1.7 kWh utili per il riscaldamento. L’energia termica fornita alla macchina ad assorbimento proviene dalla combustione del gas: per questa ragione viene anche indicato come Gas Utilization Efficiency (GUE). 

Apparentemente, avendo un COP inferiore, le pompe di calore ad assorbimento sembrerebbero essere meno efficienti di quelle elettriche a compressione e quindi fonte di maggiori emissioni di CO₂ in atmosfera. In realtà, bisogna considerare che l’energia elettrica fornita dalla rete è prodotta per una gran parte da centrali termoelettriche e pertanto occorre tener conto del rendimento medio di conversione nelle centrali nonché delle perdite nelle reti di distribuzione. In termini di CO₂ complessivamente emessa, i due sistemi a pompa di calore sono pertanto all’incirca equivalenti.

Esempio di bilancio energetico di una pompa di calore ad assorbimento alimentata a gas naturale

Fonte: Elaborazione dell’autore

Da dove proviene l’energia termica in più fornita all’utente finale (si veda figura sopra)? L’energia termica può provenire dall’aria o dal terreno, nel caso di macchine che fanno circolare l’acqua in tubazioni disposte nel terreno. Il calore perciò proviene dalla fonte rinnovabile più naturale che ci sia ovvero l’energia termica dell’ambiente. Per questa motivazione, anche la normativa italiana include le pompe di calore tra i sistemi a fonte rinnovabile di energia.

Le pompe di calore a compressione utilizzano energia elettrica per l’azionamento del compressore: il loro utilizzo per edifici residenziali richiede potenze elettriche elevate e quindi un adeguamento degli impianti elettrici; inoltre il COP dipende molto dalle condizioni ambientali e si riduce considerevolmente quando le differenze di temperatura sono più alte, e cioè quando le temperature esterne sono più basse. Le pompe di calore elettriche sono quindi adatte per nuove installazioni in edifici dove sia prevedibile l’impiego di pannelli fotovoltaici in prossimità dell’edificio e che possano fornire, almeno in parte, l’energia necessaria. Inoltre, è bene abbinare il loro impiego a sistemi di riscaldamento a bassa temperatura, quali quelli a pavimento.

Nel caso delle aree urbane, specialmente laddove si voglia intervenire sull’efficientamento degli edifici esistenti, le pompe di calore ad assorbimento alimentate a gas, rappresentano una soluzione che offre molti vantaggi: una riduzione dei consumi di combustibile rispetto ad una caldaia convenzionale variabile dal 25 al 45% con conseguente analoga riduzione delle emissioni di CO₂, possibilità di fornire calore a temperatura relativamente alta, compatibile con impianti di riscaldamento convenzionali con radiatori, minore sensibilità alle differenze di temperatura, possibilità di utilizzare la rete di gas naturale esistente nelle città come fonte primaria, senza la necessità di modificare gli impianti elettrici per adeguarli alla maggiore potenza.

Le pompe di calore hanno inoltre la caratteristica di essere reversibili ovvero di poter essere utilizzate per la climatizzazione estiva. La soluzione con pompe di calore ad assorbimento alimentate a gas consente di ottenere la climatizzazione degli ambienti senza il ricorso all’energia elettrica.

Il Governo è già intervenuto con incentivi nel settore, riconoscendo le caratteristiche di efficienza per il riscaldamento e la climatizzazione estiva, assimilandone l’installazione a quella di altri impianti a fonte rinnovabile. Gli incentivi sono offerti in termini di possibilità di accesso ai titoli di efficienza energetica offerti dal GSE (Gestore del Sistema Elettrico) ovvero alla restituzione fino al 65% dell’investimento in termini di detrazioni fiscali. Tali incentivi, uniti ai risparmi economici derivanti dai minori consumi, consentono di abbattere in pochi anni i maggiori investimenti iniziali. Dal punto di vista economico è opportuno sottolineare anche il maggiore valore economico degli immobili riqualificati dal punto di vista energetico.

L’innovazione offerta dalle tecnologie di automazione e la domotica possono inoltre contribuire a razionalizzare l’impiego delle pompe di calore aumentandone l’efficienza. Un importante passo in avanti può essere offerto dalla combinazione delle pompe di calore con i sistemi di accumulo termico ed in particolare quelli a cambiamento di fase (PCM, “Phase Change Materials”). Questi materiali possono essere utilizzati come vere e proprie “batterie termiche” che invece di immagazzinare energia elettrica immagazzinano energia termica. Il loro impiego consente di far fronte più agevolmente ai picchi di fabbisogno termico e per questo consentono di acquistare impianti di potenza inferiore, riducendo i costi complessivi di realizzazione impianto.

Nonostante la disponibilità degli strumenti di incentivazione e delle tecnologie, le barriere derivanti dalla maggiore complessità e dai maggiori oneri finanziari rallenta la diffusione delle tecnologie che integrate con altri interventi (ad es. il miglioramento dei sistemi di coibentazione termica) possono produrre significativi risultati sia nella riduzione dei consumi sia nella maggiore economicità valutata su base pluriennale, in termini di Valore Attuale Netto.

Una migliore informazione così come la diffusione di strumenti che riducano la pressione finanziaria - ad esempio quello della cessione del credito per gli interventi di riqualificazione energetica - sono le giuste strade da percorrere. Ciò è particolarmente importante nel nostro Paese dove è presente una grande percentuale di proprietari di case con redditi medio bassi che non possono usufruire delle agevolazioni fiscali.

Un contributo alla diffusione tecnologica può venire dal monitoraggio di installazioni residenziali o terziarie reali da parte di Università o dell’ENEA, i quali possono contribuire alla diffusione delle informazioni e alla formazione di una cultura tecnica su base nazionale.