Mentre le aziende del settore agroalimentare (IAA) accelerano la loro transizione per affrancarsi dalle energie fossili, le pompe di calore industriali sono sempre più riconosciute come una tecnologia chiave per ridurre le emissioni di carbonio. Ma la sostituzione di una caldaia a gas rappresenta solo una parte della sfida. Per molti stabilimenti agroalimentari, la questione cruciale è ormai la seguente: come produrre vapore a bassa pressione in modo sostenibile, efficiente e redditizio?
Un nuovo libro bianco di Solstice Advanced Materials approfondisce questo tema mettendo a confronto le pompe di calore ad alta temperatura e le tecnologie di compressione meccanica del vapore (MVR) per la produzione industriale di vapore, fornendo così informazioni preziose ai produttori di alimenti e bevande che perseguono obiettivi di neutralità carbonica.
Il vapore rimane fondamentale nell’industria agroalimentare
Il vapore a bassa pressione, a circa 140 °C, rimane un pilastro dei processi di produzione agroalimentare. È ampiamente utilizzato nei processi di cottura, pastorizzazione, sterilizzazione, pulizia, sanificazione ed essiccazione, dove è essenziale un trasferimento di calore affidabile e controllabile. Nonostante i significativi progressi compiuti nell’elettrificazione industriale, la produzione di vapore rimane una delle applicazioni più difficili da decarbonizzare.
Questa sfida è tanto più rilevante in quanto numerosi sistemi di vapore industriali si basano ancora su caldaie alimentate a gas naturale. Sebbene questi sistemi abbiano dato prova della loro efficacia e siano ben noti, contribuiscono anche in modo significativo alle emissioni dirette di gas serra. Con il rafforzarsi degli obiettivi di sviluppo sostenibile, le aziende del settore agroalimentare stanno valutando tecnologie alternative in grado di fornire la stessa potenza termica con un’impronta di carbonio notevolmente ridotta.
Pompe di calore e MVR: due percorsi verso un vapore a basse emissioni di carbonio
Lo studio Solstice valuta due alternative principali: le pompe di calore ad alta temperatura e i sistemi di compressione meccanica del vapore (MVR*) con sovralimentatore.
Le pompe di calore ad alta temperatura recuperano il calore residuo dei processi industriali e lo portano a livelli di temperatura utili grazie a un ciclo di compressione del vapore. I sistemi MVR, dal canto loro, comprimono direttamente il vapore acqueo, aumentandone così la temperatura e la pressione affinché possa essere riutilizzato come fonte di calore. In alcuni casi, queste due tecnologie possono essere combinate in una configurazione a cascata, in cui una pompa di calore garantisce l’innalzamento iniziale della temperatura e il sistema MVR fornisce l’apporto finale per raggiungere le condizioni di vapore richieste.
Sebbene i sistemi MVR possano raggiungere rendimenti molto elevati, lo studio sottolinea che spesso richiedono più stadi di compressione, attrezzature supplementari e un’installazione più complessa per ottenere aumenti significativi della temperatura. Questi fattori possono aumentare i costi di investimento e incidere sulla redditività complessiva del progetto.
Riduzioni delle emissioni di carbonio superiori al 90%
Una delle conclusioni più significative di questa analisi è l’importanza delle riduzioni delle emissioni ottenibili grazie alle tecnologie elettrificate per la produzione di vapore.
(fonte: white paper Solstice)
Per un impianto a vapore nel settore agroalimentare con una potenza di 1 MW, in funzione 24 ore al giorno e 250 giorni all’anno, una configurazione in cascata che combina una pompa di calore e tre MVR con sovralimentatore ha consentito una riduzione del 90,3% delle emissioni di CO₂ nell’intero ciclo di vita rispetto a una caldaia a gas tradizionale. Allo stesso tempo, il costo totale di proprietà (TCO) è diminuito del 29%.
Tuttavia, il risultato più sorprendente è emerso quando i ricercatori hanno valutato una pompa di calore ad alta temperatura funzionante in modo autonomo, senza apparecchiature MVR aggiuntive.
In questo scenario, le emissioni sono state ridotte dell’89,8%, mentre il TCO è diminuito del 37,4% rispetto al valore di riferimento della caldaia a gas. Secondo lo studio, la configurazione con una pompa di calore autonoma rappresenta l’opzione economicamente più vantaggiosa per numerose applicazioni di vapore a bassa pressione.
L’economia prevale sull’efficienza
Questo studio mette in luce un insegnamento importante per i responsabili delle decisioni nel settore industriale: la tecnologia più efficiente non è sempre quella più redditizia.
Sebbene i sistemi MVR possano offrire eccellenti coefficienti di prestazione (COP), i loro costi di investimento aggiuntivi possono compensare parte dei risparmi operativi. L’analisi ha rivelato che i costi più elevati di attrezzature e installazione associati ai sistemi MVR con compressore possono avere un impatto negativo sul costo totale di possesso, in particolare per le capacità di produzione di vapore più ridotte, comuni nell’industria agroalimentare.
Di conseguenza, le aziende che valutano strategie di decarbonizzazione del vapore devono tenere conto non solo dell’efficienza energetica, ma anche dei requisiti di installazione, dei costi di manutenzione e della redditività operativa a lungo termine. L’approccio basato sul costo totale di possesso (TCO) adottato in questo studio integra tutti questi fattori, offrendo così una base più realistica per la scelta tecnologica.
I prezzi dell’energia influenzeranno l’adozione
La redditività delle pompe di calore industriali dipende in larga misura anche dai mercati energetici locali.
I ricercatori hanno analizzato l’impatto del rapporto tra i prezzi dell’elettricità e del gas, comunemente denominato «spark spread**». I paesi in cui i prezzi dell’elettricità sono relativamente bassi rispetto a quelli del gas offrono generalmente le migliori condizioni economiche per l’installazione delle pompe di calore. Al contrario, nelle regioni in cui l’elettricità rimane costosa, i tempi di ritorno sull’investimento e i tassi di adozione possono risultare più lenti.
Ciò significa che i sussidi governativi, i programmi di sostegno all’elettrificazione e lo sviluppo delle energie rinnovabili continueranno a svolgere un ruolo importante nell’accelerare la diffusione delle pompe di calore industriali in Europa.
La standardizzazione potrebbe ridurre ulteriormente i costi
Il rapporto evidenzia inoltre importanti opportunità di riduzione dei costi grazie alla standardizzazione e alle economie di scala.
I costi di investimento delle pompe di calore industriali sono attualmente stimati tra i 200 e i 400 € per kilowatt, a seconda della configurazione e della tecnologia. Gli autori concludono che una diffusione su scala più ampia, processi di produzione standardizzati e l’utilizzo di refrigeranti non infiammabili come l’R-1233zd potrebbero ridurre ulteriormente i costi. Secondo lo studio, una riduzione dei costi delle apparecchiature verso il limite inferiore della fascia potrebbe consentire un’ulteriore riduzione dal 5 al 10% del costo totale di possesso.
Tali sviluppi rafforzerebbero l’interesse economico della sostituzione delle caldaie a gas esistenti, rendendo al contempo accessibili i sistemi innovativi a pompa di calore a un numero maggiore di industrie agroalimentari.
Una nuova fase di decarbonizzazione industriale
La prima fase della decarbonizzazione industriale si è concentrata sulla sostituzione dei sistemi di riscaldamento alimentati da energie fossili. La fase successiva riguarderà la produzione di vapore, uno dei processi che consumano più energia e generano più emissioni nel settore IAA.
Le conclusioni del libro bianco di Solstice suggeriscono che le pompe di calore ad alta temperatura si stanno affermando come una soluzione pratica e economicamente vantaggiosa per le applicazioni a vapore a bassa pressione ampiamente utilizzate in tutto il settore agroalimentare. Combinando una sostanziale riduzione delle emissioni con costi di ciclo di vita più bassi, questi sistemi potrebbero consentire ai produttori di progredire verso i propri obiettivi di sviluppo sostenibile senza compromettere la loro competitività.
Per le aziende del settore agroalimentare che perseguono strategie di emissioni nette pari a zero, la questione non è più se il vapore possa essere decarbonizzato, ma a quale velocità la transizione possa essere attuata su larga scala. I dati attuali suggeriscono che le pompe di calore ad alta temperatura potrebbero rappresentare una delle soluzioni più promettenti.
*MVR: Mechanical Vapor Recompression
** spark spread: differenza tra il prezzo di vendita dell’elettricità e il costo del gas naturale necessario per produrla
Le conclusioni presentate in questo articolo si basano sul libro bianco di Solstice Advanced Materials intitolato “Investigating Heat Pump and Blower MVR as Low Pressure Steam Generation Options”, redatto da Wissam Rached, Amr Rizk e Kimura De Carvalho Bruno Yuji.
Crédit : @Solstice Advanced Materials
