Recupero termico per riutilizzo ad alta temperatura
Situazione
Il recupero di calore rappresenta una delle azioni più importanti che è possibile realizzare per aumentare l’efficienza energetica negli usi finali, con un beneficio diretto sulla riduzione delle emissioni di CO2 in ambiente. Oltre al recupero per un uso diretto, negli ultimi anni sono state sviluppate tecnologie in grado di recuperare e riutilizzare il calore da processi industriali, soprattutto quando le quantità di energia in gioco ed i livelli termici sono elevati, portando ad un favorevole bilancio sia energetico che economico ed alla possibilità di uscire dai vincoli ETS.
Il miglior modo per rendere efficace e conveniente il recupero termico è l’identificazione delle sorgenti da cui attingere il calore, accumulandolo per renderlo disponibile per coprire i fabbisogni finali quando necessario.
Obiettivo
In seguito all’ingresso sul mercato di nuove tecnologie sempre più performanti, è possibile integrare apparecchiature differenti per ottenere un’ottimizzazione dei risultati ancora non quantificabile, come ad esempio lo storage termico e le pompe di calore ad alta temperatura. Queste macchine hanno la medesima funzione delle pompe di calore classiche ma permettono di innalzare la temperatura di un fluido termovettore al di sopra di 120°C, avendo sul lato freddo una sorgente a temperature compresa tra i 50 ed i 70°C. Tali caratteristiche permettono di recuperare e accumulare calore a media temperatura ed utilizzarlo come ‘fonte fredda’ in ingresso alla pompa di calore, per innalzare il livello termico di un fluido di lavoro che avrà adesso un utilizzo più ampio rispetto a quello abituale. In questo modo diventa possibile coprire parte del fabbisogno di un processo che richiede temperature comprese tra 120-150°C e il recupero termico non sarà più utilizzato esclusivamente per utenze a bassa temperatura, tendenzialmente legate al settore residenziale.
Descrizione generale
Il sistema è composto da una batteria termica a PCM abbinata ad una pompa di calore ad alta temperatura, tutto quanto dimensionato in base al profilo di temperatura della sorgente e del fabbisogno degli usi finali. Quando la disponibilità termica è superiore alla richiesta l’eccesso di energia viene immagazzinato nella batteria, la quale sarà utilizzata nei momenti in cui il calore di recupero ha caratteristiche inferiori alle specifiche di esercizio. In questo modo si aumenta il tempo di lavoro della macchina massimizzando il recupero termico.
I criteri di progettuali rimangono i medesimi per tutte le applicazioni simili a quella proposta, per garantire il miglior risultato è importante conoscere sia i profili di energia termica disponibili sia quelli del fabbisogno; l’ideale sarebbe avere queste informazioni da misure dirette, ma, in alternativa, si può procedere con elaborazioni indirette.
Questo lo schema del bilancio di energia usato per il caso studio:
Analisi dati
I dati di partenza che hanno permesso di eseguire la valutazione tecnica ed economica dell’intervento sono state le temperatura delle acque di condensa prima di entrare nel vasca finale di raccolta, per una giornata tipo.
Di seguito il grafico con l’andamento nel tempo.
Si individuano tre zone: fino alle 8:20 la temperatura disponibile è superiore a quella in ingresso nella pompa di calore, dalle 8:20 fino alle 17:00 la temperatura disponibile è inferiore a quella richiesta mentre dopo le 17:00 ci si trova nuovamente nella condizione in cui si ha una maggiore disponibilità energetica.
La quantità di energia disponibile per la carica della batteria nelle 24 ore è superiore a quella richiesta nel periodo in cui si ha una temperatura inferiore quindi si ha la possibilità di far lavorare ininterrottamente il sistema, anche considerando le perdite termiche che non sono esplicitamente presenti, ma che possono essere coperte dal surplus energetico. Coprire interamente il fabbisogno massimizza il recupero termico, ma richiede una batteria con taglia di poco superiore a 300 kWh.
Proposta e risultati attesi
Nel caso proposto è stata pensata una configurazione di impianto dove la pompa di calore utilizza in maniera diretta il calore di scarto nel periodo in cui le temperature permettono al macchinario di lavorare con un’efficienza energetica pari al nominale, ovvero quando la temperatura è superiore a 70°C. Per garantire il massimo beneficio nell’intera giornata si prevede una batteria di accumulo che si carica nei momenti in cui c’è surplus di energia termica a condizioni di temperatura sopra i 70°C per poi essere riutilizzata come sorgente della pompa di calore, quando la temperatura scende sotto la soglia di lavoro. Lo stesso schema potrà essere replicato adattandolo a condizioni di lavoro differenti, mantenendo l’obiettivo di valorizzare un energia che diversamente andrebbe sprecata.
La batteria termica potrà essere dimensionata in base alla quantità di energia che si vuole recuperare, tenendo conto che la sua installazione in moduli garantisce flessibilità nel tempo e dando quindi la possibilità di ampliare successivamente la taglia dell’accumulo.
Di seguito la tabella contenente le caratteristiche di impianto proposte:
Pompa di calore
Batteria termica
| Potenza elettrica | 30 kWe |
| Potenza termica | 120 kW |
| T in freddo | 70°C |
| T out freddo | 55°C |
| T in caldo | 90°C |
| T out caldo | 140°C |
| Dimensione accumulo | 150 kWht |
| Potenza termica | 150 kWt |
| T in (in carica) | >75°C |
| T out (in scarica) | 70°C |
I risultati attesi dal recupero termico e del suo utilizzo rivalorizzato come livello termico, sono espressi su base giornaliera ed annua nella tabella seguente:
Bilancio annuale (5gg x 48 wk)
Batteria giornaliero (su 3 turni)
| Energia Termica recuperata @70°C | 520 MWht |
| Energia Termica valorizzata @150°C | 695 MWh |
| CO2 risparmiata | 265.000 kg |
| Energia Termica recuperata @70°C | 1.850 kWht |
| Energia Termica valorizzata @150°C | 2.450 kWht |
| Ore di lavoro totali della PdC | >20 h |
Valutazione tecnico economica
La valutazione economica del caso studio in esame è stata svolta tenendo conto degli elementi elencati di seguito, basando i calcoli sui risultati tecnici espressi in precedenza e facendo riferimento a costi unitari medi di mercato:
- Riduzione consumo di gas metano evitato
- Incremento del consumo di energia elettrica prelevata da rete per la pompa di calore
- Valorizzazione dei certificati bianchi per 5 anni
- Costo investimento della pompa di calore, della batteria termica e di installazione
- Costi di manutenzione del nuovo impianto
In prima approssimazione il rapporto tra i costi complessivi dell’investimento ed il risultato tra costi nascenti e cessanti operativi, portano ad un ritorno dell’investimento semplice tra i 4 ed i 5 anni.
Conclusioni
Procedere con azioni in cui si prevede il recupero termico, a bassa entalpia, dei flussi energetici di stabilimento che diversamente andrebbero sprecati, rappresentano al giorno d’oggi una delle soluzioni di maggior interesse anche come opzione per ridurre le quote d’obbligo della direttiva ETS.
L’utilizzo di batterie termiche permette di massimizzare il risultato dovuto al recupero termico specialmente nelle realtà industriali di processo dove la variabilità dei processi di tipo batch richiede una maggior flessibilità di utilizzo dei sistemi di generazione.