Fonti di energia termica: dal sole alla geotermia, combustibili, elettricità e recupero calore
L'energia termica (calore) è energia in transito dovuta a differenza di temperatura. Si trasferisce per conduzione, convezione, irraggiamento. Qualsiasi sistema che ceda calore utilizzabile è una fonte termica. Ecco le principali, classificate per origine.
1. Fonti naturali rinnovabili
Sole (Energia Solare Termica)
- Irraggiamento: ~1361 W/m² costante solare; ~1000 W/m² a terra (pieno sole)
- Collettori termici: pannelli piani, tubi sottovuoto, concentrazione (CSP) → acqua calda sanitaria, riscaldamento, processo industriale, raffreddamento ad assorbimento
- Fotovoltaico → elettricità → pompa di calore / resistenza (meno efficiente diretto termico)
Terra (Energia Geotermica)
- Bassa entalpia (<90°C): pompe di calore geotermiche (sonde verticali 50-150m, orizzontali, falda) → riscaldamento/raffrescamento edifici. COP 3-5. Diffusa, sostenibile
- Media/Alta entalpia (>150°C): fluidi geotermici naturali (vapore/acqua calda) → turbine elettricità + teleriscaldaggio (Islanda, Italia/Larderello, USA, Nuova Zelanda, Filippine, Indonesia)
- Sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems): fratturazione idraulica roccia calda secca → scambiatore artificiale. Potenziale enorme, sfide tecniche/sismiche
Aria (Aerotermia)
- Pompe di calore aria-acqua / aria-aria: estraggono calore aria esterna anche a -20°C (COP 2-4). Più economiche installazione geotermia, meno efficienti freddo estremo
- Recupero calore aria esausta (VMC doppio flusso, unità terminali): pre-riscalda aria fresca in entrata. Obbligatorio nuovi edifici NZEB
Acque di scarico / reflue (Sewage Heat Recovery)
- Temperatura costante 10-20°C tutto l'anno
- Scambiatori su collettori fognari / impianti depurazione → pompe di calore per teleriscaldaggio / acqua calda sanitaria edifici
- Esempi: Vienna, Monaco, Milano (depuratore Nosedo), Tokyo, Vancouver
2. Combustione combustibili (fonti chimiche)
| Combustibile | PCI (MJ/kg) | Usi tipici | Emissioni CO₂ |
|---|
| Gas naturale (metano) | 50 | Riscaldamento, cogenerazione, industria, trasporto (GNL/GNC) | ~56 kg/GJ (più basso fossili) |
| GPL (propano/butano) | 46 | Fuori rete gas, industriale, camper | ~63 kg/GJ |
| Gasolio / Diesel | 43 | Riscaldamento (caldaie), trasporto, generatori | ~74 kg/GJ |
| Legno / Pellet / Cippato | 15-19 (umido 15-20%) | Stufe, caldaie, teleriscaldaggio, industria | Neutro* (ciclo breve C), ma PM, NOx, COV se combustione imperfetta |
| Carbone | 24-35 | Centrali termoelettriche, industria siderurgica (coke) | ~90-100 kg/GJ (più alto) |
| Biogas / Biometano | 20-25 (biogas grezzo) / ~50 (biometano upgr.) | Cogenerazione, immissione rete, trasporto | Neutro* (rifiuti organici) |
| Idrogeno (H₂) | 120 | Industria (acciaio, chimica), trasporto pesante, storage rinnovabili | Zero uso (solo H₂O), ma produzione: grigio (SMR + CCS), blu (SMR+CCS), verde (elettrolisi rinnovabili) |
*Neutro climatico se biomassa sostenibile (riforestazione = assorbimento CO₂ emesso).
3. Elettricità → Calore (conversione)
- Effetto Joule (resistenze): 100% efficiente energeticamente (1 kWh el → 1 kWh termico), ma costoso se elettricità da fossili. Usi: scaldabagni, radiatori, forni, asciugacapelli, ferri da stiro, pompe di calore (COP >1 = più calore di elettricità consumata)
- Pompe di calore: non "generano" calore, lo SPOSTANO. COP 3-5 = 3-5 kWh termici per 1 kWh elettrico. La fonte termica reale è aria/acqua/terra
- Induzione / Microonde / Infrarossi: riscaldamento volumetrico/selettivo industriale/alimentare
4. Recupero calore di scarto (Waste Heat Recovery) - Efficienza circolare
Industria: forni, motori, compressori, turbine, reattori esotermici, condensatori frigoriferi, data center. Tecnologie:
- Economizzatori / preriscaldatori aria/combustibile/acqua
- Cicli Rankine organici (ORC) → elettricità da calore bassa/media temperatura (80-350°C)
- Pompe di calore ad alta temperatura (fino 150-200°C) per upgrade calore di scarto → vapore processo
- Accumulo termico (serbatoi acqua, materiali cambiamento fase PCM, sabbia/rocce) per disaccoppiare domanda/offerta
Scegliere la fonte: criteri decisionali
- Temperatura richiesta (bassa <100°C / media 100-400°C / alta >400°C)
- Continuità / intermittenza domanda
- Disponibilità locale risorsa (sole, terra, gas, biomassa, calore scarto)
- Costo totale ciclo vita (CAPEX + OPEX + carbon price)
- Emissioni locali (NOx, PM, SOx) e globali (CO₂)
- Incentivi, normative (EU ETS, direttiva efficienza energetica, bonus edilizi)
- Integrazione sistemi (cogenerazione, trigenerazione, smart thermal grids)
La transizione energetica termica richiede: elettrificazione usi bassa/media temperatura (pompe di calore), biometano/idrogeno verde per alte temperature/industria "hard-to-abate", recupero massivo calore scarto, teleriscaldaggio efficiente, accumulo termico stagionale.