Le pompe di calore industriali stanno emergendo come una tecnologia fondamentale per la decarbonizzazione del calore di processo e delle reti di teleriscaldamento. Con i produttori che oggi spingono i limiti di temperatura oltre 120°C e la crescente consapevolezza che i sistemi di riscaldamento e raffreddamento debbano funzionare come soluzioni integrate anziché come apparecchiature isolate, anche le pompe di calore stanno passando da applicazioni di nicchia a opzioni di uso comune. In quale direzione si sta muovendo la tecnologia e quali ostacoli rimangono?
I modelli regionali di adozione riflettono politiche ed economia
Il ritmo di adozione delle pompe di calore industriali varia notevolmente da una regione all’altra, influenzato da una complessa interazione tra mentalità, prezzi dell’elettricità, infrastrutture esistenti e sostegno politico. I Paesi nordici sono al primo posto a livello mondiale per diffusione, grazie a rapporti favorevoli tra il prezzo dell’elettricità e quello del gas e a decenni di comprovata esperienza operativa.
Ivan Rangelov, Industrial Heat Pumps Manager presso Danfoss A/S, individua diversi fattori chiave che hanno influenzato l’adozione. «I Paesi nordici registrano i tassi di implementazione più rapidi per le pompe di calore industriali. Ciò può essere spiegato dal rapporto molto basso tra il prezzo dell’elettricità e quello del gas in questi Paesi, prossimo a 1, nonché dal fatto che le pompe di calore sono già da diversi decenni una tecnologia consolidata in Scandinavia».
L’estesa infrastruttura di teleriscaldamento in Scandinavia offre un ulteriore vantaggio, consentendo alle pompe di calore di sostituire completamente le caldaie in molte applicazioni. Nel frattempo, l’Europa centrale e meridionale registrano tassi di adozione più lenti, laddove i rapporti tra il prezzo dell’elettricità e quello del gas rimangono meno favorevoli alla convenienza economica delle pompe di calore. La minore domanda di riscaldamento nelle regioni meridionali riduce ulteriormente l’incentivo economico a investire nelle pompe di calore.
I recenti eventi geopolitici stanno ridefinendo il panorama del mercato. Le fluttuazioni del prezzo del gas e l’insicurezza degli approvvigionamenti, conseguenti alle interruzioni delle importazioni di gas naturale, hanno accelerato l’interesse europeo per le soluzioni di riscaldamento elettrificate. Rangelov rileva un cambiamento delle dinamiche anche nei mercati tradizionalmente dipendenti dal gas. «Si registra inoltre un aumento dell’interesse per le pompe di calore in Paesi come il Regno Unito, dove il prezzo del gas era in passato decisamente troppo basso, ma dove recentemente l’interesse è cresciuto».
Il Nord America presenta un quadro diverso. Sebbene il continente sia in ritardo rispetto all’Europa in termini di diffusione, Rangelov osserva uno slancio crescente. «Vediamo un maggiore interesse per le pompe di calore nel mercato nordamericano e abbiamo già diversi progetti in corso. Riteniamo che il mercato canadese avanzerà rapidamente, tra le altre ragioni, grazie ai bassi prezzi dell’elettricità».
Tipologie di tecnologia e ambiti applicativi
Il mercato delle pompe di calore industriali è dominato dai sistemi acqua-acqua per le applicazioni di processo, mentre le configurazioni aria-acqua stanno guadagnando terreno nelle reti di teleriscaldamento. Ogni tecnologia offre vantaggi termodinamici distinti, adatti a specifici casi d’uso.
Secondo Dominique Silva, Regional Marketing Leader presso Trane Technologies, «Ciò dipende in larga misura dal tipo di applicazione, sebbene riscontriamo una forte domanda per tutte le soluzioni di tipo aria-aria, aria-acqua e acqua-acqua».
Rangelov osserva che i processi industriali e le applicazioni energetiche distrettuali sono i principali motori della domanda di pompe di calore industriali, con i primi che mostrano il maggiore potenziale nel lungo periodo.
Il teleriscaldamento ha integrato più rapidamente le pompe di calore grazie a requisiti di integrazione dei sistemi più semplici, mentre le applicazioni nei processi industriali presentano una maggiore complessità, ma offrono un potenziale più ampio a lungo termine. Tra i settori industriali, le attività del comparto alimentare e delle bevande rappresentano l’opportunità più accessibile. «Sceglierei senza dubbio il settore Food & Beverage come il punto di partenza più immediato per affrontare la decarbonizzazione industriale», osserva Rangelov.
Le applicazioni che richiedono calore di processo fino a 120°C stanno generando la domanda più intensa, in particolare nei processi produttivi che richiedono riscaldamento e raffreddamento simultanei.
I sistemi di gestione termica mettono in discussione l’approccio tradizionale
La comprensione di queste esigenze applicative ha determinato un cambiamento fondamentale nel modo in cui gli impianti industriali affrontano i sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Anziché considerare le pompe di calore come apparecchiature autonome destinate alla sostituzione di altre unità, gli utilizzatori più avanzati si stanno orientando verso sistemi integrati di gestione termica. Questo approccio a livello di sistema rappresenta più di un miglioramento incrementale: mette in discussione decenni di pratiche di progettazione a compartimenti stagni.
Silva sottolinea il cambio di paradigma. «Anziché trattare il riscaldamento e il raffreddamento come sistemi separati, gli utilizzatori industriali dovrebbero adottare, e stanno adottando sempre più spesso, sistemi integrati di gestione termica. Questa configurazione, in cui gli impianti di refrigerazione e le centrali termiche operano affiancati come sistemi autonomi e separati, non è più giustificabile».
Secondo l’Agenzia europea dell’ambiente, il riscaldamento e il raffreddamento industriali contribuiscono per circa il 20–25% alle emissioni europee di CO2. I sistemi tradizionali che operano a compartimenti stagni sprecano frequentemente energia preziosa, sia sotto forma di calore espulso dalla condensazione nei sistemi di raffreddamento, sia come calore di scarto dei processi di riscaldamento.
Silva sottolinea l’importanza di un approccio olistico. «I sistemi integrati di gestione termica mettono in discussione la mentalità tradizionale, consentendo agli impianti industriali di recuperare, riutilizzare e bilanciare l’energia termica tra i diversi processi. Questo approccio a livello di sistema è fondamentale per ridurre le emissioni, diminuire i costi e procedere verso attività realmente decarbonizzate».
Le capacità ad alta temperatura ampliano la portata del mercato
Mentre l’approccio a livello di sistema riguarda il modo in cui vengono impiegate le pompe di calore, i progressi paralleli nelle capacità di temperatura stanno ampliando gli ambiti in cui possono essere applicate. Negli ultimi anni, i produttori hanno aumentato notevolmente le capacità di temperatura dei propri prodotti, rendendo accessibili applicazioni che in precedenza erano considerate fuori dalla portata delle pompe di calore.
Il ritmo di questa evoluzione è stato notevole. Secondo Rangelov, cinque anni fa le pompe di calore potevano raggiungere soltanto temperature fino a 80°C. Oggi tutte le apparecchiature Danfoss consentono ai produttori di costruire pompe di calore in grado di fornire acqua a 100°C. L’azienda ha già introdotto compressori capaci di gestire acqua calda fino a 120°C, mentre le opzioni da 130°C saranno lanciate il prossimo anno.
Silva conferma che i progressi tecnologici nelle pompe di calore ne stanno aumentando l’attrattiva: «I progressi nella tecnologia e nella progettazione hanno consentito a questi sistemi di raggiungere temperature più elevate dell’acqua in uscita, con livelli di efficienza molto superiori rispetto alle caldaie. Ciò rende le pompe di calore una soluzione molto interessante e praticabile per decarbonizzare il calore di processo, garantendo al contempo un’elevata efficienza energetica».
Patrick Crombez, General Manager Heating and Renewables EMEA presso Daikin Europe e Presidente della European Heat Pump Association (EHPA), spiega che, sebbene i sistemi ad alta temperatura attirino l’attenzione, Daikin continua a concentrarsi sulle applicazioni al di sotto di 100°C, dove l’efficienza e la convenienza economica sono maggiori. Riconosce tuttavia che il continuo sviluppo delle capacità ad alta temperatura sarà essenziale per ampliare l’adozione industriale.
Guardando al futuro, Rangelov prevede refrigeranti in grado di generare acqua calda e vapore per processi fino a 130°C, con la possibilità di raggiungere 150°C. Oltre tale soglia, la ricompressione meccanica del vapore, utilizzando il vapore come refrigerante, può raggiungere temperature più elevate. «Tuttavia, per temperature superiori a 200°C, secondo la letteratura saranno impiegate principalmente caldaie elettriche o altre tecnologie di generazione del calore», spiega.
La scelta del refrigerante tra regolamentazione e prestazioni
Queste temperature operative più elevate richiedono un’attenta scelta del refrigerante per bilanciare prestazioni, sicurezza e impatto ambientale. Il regolamento UE F-Gas revisionato sta influenzando la scelta dei refrigeranti per le pompe di calore industriali, sebbene la transizione verso opzioni a basso Global Warming Potential (GWP) proceda a velocità diverse in funzione degli intervalli di temperatura e delle applicazioni.
Secondo Rangelov, i refrigeranti naturali, tra cui ammoniaca (R717), CO2
(R744) e idrocarburi, stanno guadagnando terreno nel segmento a temperature più basse. Sono utilizzati anche refrigeranti a basso GWP, come gli HFO, e alcuni HFC, sebbene in misura minore in Europa.
Il quadro si semplifica per le applicazioni a temperatura più elevata. «Al di sopra di 100°C, il quadro è molto più semplice: salvo alcune eccezioni non ancora disponibili su larga scala, possono essere utilizzati soltanto idrocarburi o refrigeranti a basso GWP», spiega Rangelov.
Anche l’acqua può fungere da refrigerante, sebbene Rangelov evidenzi alcuni requisiti economici. «Per essere conveniente, deve essere già generata a una temperatura superiore a 100°C, e dobbiamo ancora arrivarci con un refrigerante».
Crombez conferma l’influenza normativa sulle scelte dei refrigeranti, osservando che tra le opzioni più diffuse figurano l’ammoniaca, la CO2 e vari refrigeranti sintetici in grado di raggiungere temperature più elevate, talvolta utilizzati in sistemi in cascata.
Silva adotta un approccio alla scelta del refrigerante incentrato innanzitutto sulle prestazioni. «In Trane selezioniamo refrigeranti che offrano prestazioni ottimali con un impatto minimo sul riscaldamento globale, senza compromettere la sicurezza».
Ostacoli economici e difficoltà di integrazione dei sistemi
Nonostante il progresso tecnologico e i contesti politici favorevoli in molte regioni, diversi ostacoli persistenti limitano l’adozione delle pompe di calore industriali. Comprendere questi ostacoli è essenziale per i soggetti interessati che sviluppano strategie di accelerazione.
Rangelov individua la sfida fondamentale. «La principale è un rapporto iniquo tra il prezzo dell’elettricità e quello del gas. Se questo rapporto diminuisse, la curva di adozione crescerebbe molto più rapidamente».
L’elevato investimento iniziale per i sistemi ad alta temperatura rappresenta un altro ostacolo significativo. Crombez indica tra le principali barriere l’elevato investimento iniziale per i sistemi ad alta temperatura, la minore efficienza alle temperature elevate e la concorrenza delle caldaie elettriche, in particolare alle alte temperature.
La complessità dell’integrazione dei sistemi aggiunge un ulteriore livello di difficoltà, soprattutto con l’aumento della diffusione delle pompe di calore. «Un altro limite all’impiego su larga scala delle pompe di calore è l’integrazione settoriale. Quando viene installata, una pompa di calore deve molto spesso essere integrata in un sistema già esistente. Si può prevedere che questa sfida aumenti con il crescente tasso di adozione delle pompe di calore nell’industria», spiega Rangelov.
I requisiti di temperatura dei processi progettati in funzione delle capacità delle caldaie creano ulteriori vincoli. Rangelov evidenzia una sfida fondamentale: i processi sono generalmente progettati in base alle temperature di uscita delle caldaie e gli operatori sono spesso riluttanti a modificare questi parametri consolidati. Il retrofit di tali sistemi per il funzionamento con pompe di calore richiede un’attenta pianificazione e, talvolta, la riprogettazione dei processi.
Silva riconosce l’esistenza di problemi legati alla mentalità. «Sebbene persistano le preoccupazioni e lo scetticismo tradizionali sull’uso industriale delle pompe di calore, i vantaggi superano ampiamente gli ostacoli. Le comuni preoccupazioni relative alla complessità, ai costi o ai limiti del sito riflettono spesso un modo di pensare ereditato da sistemi a compartimenti stagni».
La transizione verso sistemi integrati è più concettuale che fisica. «Passare da sistemi separati a sistemi integrati non significa reinventare l’impianto. Significa ripensare il modo in cui l’energia fluisce al suo interno», spiega Silva.
I calcoli del ritorno sull’investimento (ROI) variano notevolmente in base alla regione e all’applicazione. Silva osserva che le motivazioni economiche sono generalmente interessanti. «Sebbene gli incentivi possano fornire un ulteriore impulso, il passaggio a un approccio basato su un sistema di gestione termica presenta solitamente una motivazione economica interessante, grazie alla maggiore efficienza energetica e al minor numero di apparecchiature da sottoporre a manutenzione».
Il tempo di ritorno dei sistemi di gestione termica integrati spesso si colloca tra due e tre anni, grazie alla maggiore efficienza energetica e ai risparmi operativi, sebbene ciò dipenda fortemente dalla differenza tra i prezzi dell’elettricità e quelli dei combustibili.
I quadri politici favoriscono l’adozione
Il sostegno politico sta accelerando la diffusione delle pompe di calore industriali su più fronti, dagli incentivi finanziari diretti agli obblighi normativi che impongono il recupero del calore di scarto. Le iniziative europee sono particolarmente complete, sebbene l’attuazione e i livelli di sostegno varino da un Paese all’altro.
L’EHPA ha elaborato una panoramica dei meccanismi nazionali di sostegno alle pompe di calore industriali in 24 Paesi europei. Questi meccanismi variano da un Paese all’altro, ma presentano caratteristiche comuni, tra cui sovvenzioni che coprono una percentuale dei costi di investimento, spesso modulata in base alle dimensioni dell’azienda e alla capacità della pompa di calore, incentivi per il recupero del calore di scarto e l’integrazione nella rete, nonché requisiti tecnici.
Molti programmi nazionali richiedono che le pompe di calore raggiungano un Seasonal Performance Factor (SPF) di almeno 3,8, utilizzino refrigeranti con GWP inferiore a 2.000 e dispongano di una capacità nominale di almeno 100 kW per poter beneficiare del sostegno.
Diverse iniziative europee, tra cui il Clean Industrial Deal, l’Industrial Decarbonisation Accelerator Act e la EU Heat Pump Accelerator Platform, mirano a porre le pompe di calore al centro della decarbonizzazione promuovendo la semplificazione degli aiuti di Stato, il riutilizzo del calore di scarto e prezzi equi dell’elettricità.
Oltre ai quadri normativi, gli esperti del settore sottolineano che un’adozione efficace richiede il coinvolgimento dei soggetti interessati a tutti i livelli. Silva evidenzia la necessità di ampie campagne di sensibilizzazione. «La consapevolezza e la formazione sul valore delle pompe di calore e dei sistemi di gestione termica sono fondamentali per continuare a osservare una crescita nell’adozione di questo tipo di tecnologia sostenibile. Ne abbiamo bisogno a tutti i livelli, dai produttori ai responsabili politici, fino alle facoltà di ingegneria».
Crombez ribadisce il ruolo chiave delle politiche. «Le sovvenzioni e gli incentivi svolgono un ruolo fondamentale nell’adozione. Laddove disponibili, contribuiscono a ridurre i costi iniziali e ad accelerare la diffusione. Daikin sostiene quadri politici stabili e di lungo termine a supporto della decarbonizzazione industriale».
Previsioni di crescita del mercato e prospettive future
Le pompe di calore industriali stanno guadagnando quote di mercato nelle diverse regioni e si prevede che i mercati europei registreranno una crescita significativa nel prossimo decennio, nonostante i recenti rallentamenti del mercato complessivo delle pompe di calore.
Rangelov prevede una notevole espansione. «Prevediamo che questa tendenza crescerà nei prossimi anni e possiamo aspettarci che il mercato europeo delle pompe di calore industriali aumenti di 10 volte nei prossimi 10 anni».
Diversi fattori potrebbero influenzare questa traiettoria di crescita, sebbene il potenziale fondamentale rimanga evidente. La curva di adozione accelererà se i rapporti tra il prezzo dell’elettricità e quello del gas diventeranno più favorevoli. Rangelov ritiene che la tecnologia delle pompe di calore meriti di essere considerata prioritaria per le sovvenzioni. «Ritengo che altre nuove tecnologie, o persino tecnologie basate sui combustibili fossili, abbiano ricevuto priorità nelle sovvenzioni rispetto alle pompe di calore. Trattandosi di una tecnologia matura e già esistente, vorrei che fosse sostenuta in modo diverso».
Sebbene l’Europa sia in testa per diffusione, il Nord America sta iniziando a colmare il divario, in particolare in Canada. Le differenze regionali riflettono contesti politici, prezzi dell’energia e strutture industriali differenti, ma lo slancio sta crescendo nei principali mercati.
Rimane aperta la questione se le pompe di calore finiranno per dominare completamente le applicazioni di riscaldamento industriale. Crombez offre una valutazione articolata. «Sebbene le pompe di calore rimarranno centrali per il riscaldamento industriale, è improbabile che siano l’unica tecnologia utilizzata. Le applicazioni ad alta temperatura presentano limiti in termini di efficienza e investimento iniziale, pertanto i sistemi ibridi e le caldaie elettriche continueranno ad affiancare le pompe di calore».
I limiti di temperatura definiscono i confini realistici della diffusione. Nei settori Food & Beverage, Pulp & Paper, Textile e District Heating, dove la maggior parte dei processi opera al di sotto di 150°C, le pompe di calore sono destinate a diventare la scelta naturale. Tuttavia, settori quali l’industria chimica e siderurgica richiedono temperature fino a 500°C, superiori alle attuali capacità delle pompe di calore.
Silva descrive la transizione come tecnologica e strategica al tempo stesso. «Ridefinire il modo in cui vengono gestiti i sistemi di riscaldamento e raffreddamento è fondamentale per l’efficienza energetica e la sostenibilità. La gestione termica non riguarda più soltanto la scelta della caldaia o del refrigeratore giusto. È una collaborazione strategica per l’ottimizzazione energetica, la decarbonizzazione e la resilienza operativa».
Rangelov esprime ottimismo sul ruolo centrale delle pompe di calore industriali negli sforzi di decarbonizzazione. «Il potenziale esiste e faremo in modo di sostenere l’industria in questo percorso. Già da 5 a 10 anni ci concentriamo sullo sviluppo di nuove apparecchiature destinate alle pompe di calore industriali. Le pompe di calore industriali rappresentano uno degli obiettivi strategici di Danfoss nella nostra strategia LEAP 2030».
L’ostacolo più significativo a un’adozione più rapida potrebbe non avere nulla a che fare con la tecnologia. «Il passo più importante è cambiare mentalità: ripensare il riscaldamento e il raffreddamento come parti di un unico sistema termico non rappresenta soltanto un cambiamento tecnologico, ma anche una sfida di leadership», sottolinea Silva. «La buona notizia è che questo cambiamento di mentalità è già in corso. Ora è il momento di estenderlo su larga scala».
Il passaggio alla gestione termica integrata rappresenta al tempo stesso la maggiore opportunità e la sfida più grande per l’adozione delle pompe di calore industriali. Mentre i produttori continuano ad aumentare le capacità di temperatura e i quadri politici si rafforzano, la tecnologia stessa è sempre più all’altezza. Tuttavia, il successo dipenderà in ultima analisi meno dalle specifiche delle apparecchiature che dalla volontà del settore di abbandonare l’approccio a compartimenti stagni. Affinché le pompe di calore industriali conquistino una quota di mercato significativa, il cambiamento di mentalità dovrà procedere di pari passo con il progresso tecnologico.
Casi di studio reali
Johnson Controls, teleriscaldamento di Rosenheim, Germania
Per decarbonizzare il riscaldamento municipale, Stadtwerke Rosenheim ha installato tre pompe di calore ad ammoniaca Sabroe DualPAC fornite da Johnson Controls. Prelevando energia termica dal vicino fiume Mühlbach, il sistema eroga acqua fino a 88 °C, fornisce 4,7 MW di energia rinnovabile e riduce le emissioni di CO₂ di circa 2.640 tonnellate all’anno.
BITZER & Scheco, SFS Group, Svizzera
SFS Group Schweiz AG ha ammodernato il proprio stabilimento di Heerbrugg con una pompa di calore acqua-acqua personalizzata, sviluppata da Scheco AG. Alimentato da un compressore a vite BITZER CSV, il sistema recupera il calore di scarto delle acque sotterranee per fornire riscaldamento agli edifici fino a +75 °C, sostituendo le caldaie a combustibili fossili e riducendo le emissioni, migliorando al contempo l’utilizzo complessivo dell’energia.
Frascold & Tecnofreddo, pompa di calore R290 ad alta temperatura
Attraverso un progetto congiunto, Frascold e Tecnofreddo hanno sviluppato una pompa di calore a propano destinata ad applicazioni industriali e commerciali. Dotata di compressori ATEX-HT e di un motore LSPM, opera fino a 80 °C con un COP migliore e risparmi energetici, offrendo ai settori alimentare, farmaceutico e della climatizzazione una soluzione sostenibile e ad alta efficienza.
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