Nel percorso verso la decarbonizzazione, l’attenzione si è spesso concentrata su pannelli fotovoltaici e pale eoliche. Esiste però una risorsa energetica pulita, massiccia e costantemente disponibile, che giace nascosta proprio sotto le nostre città: l’acqua di laghi, fiumi e falde sotterranee. È possibile sfruttare questo elemento attraverso la pompa di calore acqua-acqua.
La pompa di calore acqua-acqua trasforma il fluido in riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria, sia per edifici sia per interi quartieri. A differenza dei più comuni sistemi ad aria, che soffrono le variazioni di temperatura esterna e vedono crollare la loro efficienza nelle giornate più gelide, questa tecnologia utilizza una fonte a temperatura costante: l’acqua.
Il suo funzionamento si basa su un principio ingegneristico sofisticato ed ecologico: lo scambio di calore con il corpo idrico, senza consumo di acqua né inquinamento chimico. Il liquido viene infatti restituito immediatamente al suo ambiente, con una variazione di temperatura minima e controllata. Se la pompa è progettata correttamente, l’impatto sull’ecosistema acquatico è quasi nullo. La pompa di calore acqua-acqua rappresenta una delle soluzioni più efficaci per la decarbonizzazione su scala di quartiere, il cosiddetto teleriscaldamento idrotermico. È una tecnologia che sfrutta in maniera virtuosa la ricchezza idrica del territorio.
Come funziona il principio ecologico dello scambio termico
Per apprezzare l’efficacia della pompa di calore acqua-acqua, è necessario comprendere prima per quale motivo l’acqua rappresenti una batteria termica superiore all’aria. Lo spiegheremo mettendo in evidenza le sue due caratteristiche principali.
L’acqua come batteria termica naturale
I grandi corpi idrici, come fiumi e laghi, così come le falde freatiche, rappresentano una enorme riserva di energia solare, a bassa temperatura. L’acqua, grazie al suo elevato calore specifico, mantiene una temperatura ben più costante di quella dell’aria, che è soggetta a forti escursioni termiche. Oltre a quella, più nota, tra giorno e notte, vi è anche quella tra stagione e stagione.
Anche in pieno inverno, la temperatura dell’acqua di un lago, o di una falda a pochi metri di profondità, si mantiene stabile tra i 7 e i 12 gradi centigradi. Questa è la temperatura di partenza, come si definisce, ideale per una pompa di calore. Per questa macchina è ben più efficiente estrarre calore partendo dai 10 gradi di una massa d’acqua che non dall’aria esterna, quando la sua temperatura è di 0 gradi, se non meno, a determinate latitudini. Eppure, i sistemi aria-acqua tradizionali operano in simili condizioni.
Il ciclo virtuoso della pompa di calore acqua-acqua: prelievo, scambio e restituzione
Il funzionamento della pompa di calore acqua-acqua è un ciclo termodinamico chiuso. Esso interagisce con l’ambiente acquatico esterno solo per lo scambio di energia. Il suo funzionamento si snoda lungo 4 fasi:
- prelievo: l’acqua del fiume, del lago o di una qualsiasi altra falda si preleva in circuito aperto, o si mette in circolo attraverso scambiatori di calore sigillati, in circuito chiuso;
- scambio di calore: l’acqua prelevata passa attraverso uno scambiatore di calore all’interno della pompa. In tale sede, cede pochi gradi, tra i 3 e i 5 centigradi, a un fluido refrigerante che scorre all’interno del circuito primario della macchina;
- elevazione termica: questo fluido refrigerante, dopo aver assorbito calore a bassa temperatura, si comprime grazie all’azione di un apposito compressore. Il funzionamento elettrico di questo elemento alza drasticamente la temperatura;
- distribuzione e restituzione: il calore ad alta temperatura generato viene utilizzato per riscaldare l’edificio. L’acqua prelevata, ora leggermente più fredda rispetto all’uscita dal raggio di azione del compressore, si restituisce immediatamente al corpo idrico di origine, completando il ciclo.
Questo processo, particolarmente virtuoso, garantisce un impatto minimo sull’ecosistema. L’acqua non viene infatti mai consumata, ma solo utilizzata come vettore termico e poi riconsegnata al corpo idrico di appartenenza.
L’impatto sull’ecosistema: rischi e benefici connessi all’utilizzo di una pompa di calore acqua-acqua
La diffusione delle pompe di calore idrotermiche, come si definiscono gli impianti di cui stiamo scrivendo secondo la denominazione data dall’AIRU (Associazione Italiana Riscaldamento Urbano) deve bilanciare la grande opportunità energetica con la responsabilità ambientale. Di seguito, evidenziamo benefici e rischi legati all’adozione di pompe di calore acqua-acqua.
Il beneficio principale: una drastica riduzione delle emissioni di anidride carbonica
Il vantaggio ambientale è il primo motivo per cui la pompa di calore acqua-acqua è strategica per la transizione energetica. Essendo alimentata prevalentemente da elettricità, la sua efficienza (misurata dal coefficiente di prestazione COP) moltiplica l’energia termica fornita rispetto all’energia elettrica consumata. Un buon impianto raggiunge generalmente COP di 5 o 6, ovvero 5 o 6 unità di calore per ogni unità di elettricità consumata.
Il confronto tra una pompa di calore acqua-acqua e i sistemi tradizionali è impietoso. Nelle caldaie a gas maggiormente diffuse nelle nostre case, la combustione diretta del metano è un processo che rilascia CO2, disperdendola nell’ambiente. Nel caso delle pompe di calore idrotermiche, invece, l’unica emissione indiretta associata è quella derivante dalla produzione elettrica che la alimenta. L’energia necessaria al funzionamento, ad ogni modo, può essere prodotta da fonte rinnovabile. La riduzione delle emissioni legata alla sostituzione di una caldaia come la conosciamo con una pompa acqua-acqua è netta.
L’utilizzo di un impianto di teleriscaldamento idrotermico su larga scala, per un intero quartiere, può ridurre le emissioni locali di anidride carbonica legate alle operazioni di mitigazione del microclima interno di oltre il 70% rispetto a quelle generate da caldaie a gas domestiche non prestanti e contribuire, massicciamente, agli obiettivi climatici locali (dati DUEE, elaborati dall’Agenzia Nazionale per l’Efficienza Energetica ENEA).
Rischi da mitigare: l’impatto sulla vita acquatica
Se abbiamo detto che l’impatto sull’ecosistema acquatico è pressoché nullo, perché questo paragrafo? È importante precisare che una cattiva progettazione può comportare rischi che, qualora si concretizzassero, devono essere contrastati e mitigati:
- temperatura dell’acqua restituita: il rischio principale è il cosiddetto pennacchio termico. Se l’acqua restituita fosse eccessivamente fredda, o calda, e dunque non riuscisse a mescolarsi rapidamente, potrebbe creare una variazione di temperatura localizzata capace di alterare l’habitat e stressare, anche profondamente, la vita acquatica di pesci, anfibi e microflora.
- Velocità di prelievo: una velocità di prelievo troppo elevata potrebbe danneggiare fisicamente i pesci o le larve acquatiche, risucchiandoli nell’impianto e privandoli della vita. L’operazione è delicata e va eseguita con una certa cura.
- Prelievo eccessivo in corpi idrici minori: questo è uno dei rischi più considerevoli. Eseguire prelievi importanti, in fiumi con bassa portata estiva, può influenzare l’intero bilancio idrico locale e favorire, o causare, carestie da siccità forzata.
Soluzioni progettuali davvero a impatto zero
La mitigazione dei rischi che abbiamo ora descritto si basa su rigorosi standard, ingegneristici e di monitoraggio. Per quanto riguarda le soluzioni di ingegneria, occorre posizionare apposite griglie di prelievo a bassa velocità. La loro installazione riduce la velocità di aspirazione dell’acqua a livelli molto bassi, tanto da consentire alla vita acquatica di mantenersi, agevolmente, a distanza. Alla stessa maniera, collocare specifici sistemi di diffusione consentirà la restituzione dell’acqua in uscita attraverso sistemi che la disperdono su una vasta area. Si garantirà così una miscelazione rapida con il fluido esterno e si preverrà il rischio localizzato di pennacchio termico.
Per quanto riguarda il monitoraggio, vi è una normativa, supportata da Legambiente nell’ambito del suo Report sui Comuni Rinnovabili, che richiede il costante controllo di temperatura, portata e, in molti casi, biodiversità, nei punti di prelievo e restituzione. Tale sistema di verifica è stato reso obbligatorio per assicurare che non vi siano alterazioni di temperatura o minacce a flora e fauna legate all’operatività delle pompe.
Pompe di calore acqua-acqua e tecnologie alternative: confrontiamo efficienza e sostenibilità
| TECNOLOGIA | FONTE ENERGETICA PRINCIPALE | IMPATTO SU ECOSISTEMA LOCALE | RENDIMENTO ED EFFICIENZA MEDIA | IMPATTO CLIMATICO ED EMISSIONI DI CO2 |
| Pompa di calore acqua-acqua | Energia termica da corpi idrici, rinnovabile. | Bassissimo. Minime variazioni termiche locali, zero emissioni in loco se l’impianto è ben progettato. | Altissima efficienza (COP > 5), dalle prestazioni stabili lungo tutto l’anno. | Bassissimo e dovuto esclusivamente al mix energetico nazionale per l’elettricità. |
| Pompa di calore aria-acqua | Energia termica dall’aria esterna, rinnovabile. | Nullo. Non vi è alcun impatto diretto su ecosistemi specifici. | Buon rendimento. (COP 3-4). L’efficienza diminuisce in caso di temperature esterne molto basse. | Anche in questo caso, dipende dal mix energetico nazionale per l’elettricità. |
| Caldaia a condensazione | Gas metano, fossile. | Medio. Le emissioni locali (ossidi di azoto e polveri sottili) peggiorano la qualità dell’aria. | Alta efficienza per una tecnologia fossile (intorno al 109%). | Altissimo. Produce CO₂ sul posto e la libera immediatamente. |
| Caldaia a biomassa (pellet o legna) | Legno o pellet, rinnovabile soltanto se gestito in modo sostenibile. | Alto. Emissione di polveri sottili (PM2.5), con conseguente impatto sulla qualità dell’aria locale. | Buon rendimento (sul 90%). | Basso o neutro, in caso di filiera certificata e sostenibile. |
Un esempio di sinergia: l’acquacoltura e le pompe di calore acqua-acqua
Quando lo scarto di un processo diventa la risorsa primaria di un altro significa che è stato messo in atto uno scambio di intelligenza energetica. Le pompe di calore acqua-acqua offrono una straordinaria opportunità di sinergia con l’acquacoltura e l’ittiocoltura (ovvero gli allevamenti di pesci e molluschi).
La tecnologia cui abbiamo dedicato questo articolo e le imprese occupate in questi due settori possono dare vita, in concerto, a un perfetto esempio di simbiosi industriale. L’acquacoltura intensiva richiede che la temperatura delle vasche sia mantenuta in un range sempre ottimale. Tanto in inverno quanto in estate. Ciò è necessario per massimizzare la crescita delle specie allevate ed è un obiettivo raggiungibile attraverso l’implementazione di pompe di calore acqua-acqua.
In inverno, l’impianto estrattivo della pompa di calore preleva il calore dall’acqua tiepida delle vasche di acquacoltura e lo sfrutta per riscaldare uffici, serre o centri di lavorazione adiacenti. In estate, il processo si inverte. La pompa di calore estrae calore dagli edifici, raffrescandoli, e lo cede all’acqua delle vasche. In questa maniera, si mantiene una temperatura ideale per la crescita dei pesci, che altrimenti soffrirebbero il surriscaldamento estivo.
Lo scenario che ci si para dinnanzi, quando facciamo uso di una pompa di calore acqua-acqua, è quello in cui calore o freddo, che verrebbero normalmente dispersi o sprecati, vengono trasformati in doppia risorsa. Da un lato, si sfrutta l’efficienza energetica del sistema per riacclimatare gli edifici mentre, dall’altro, si ottimizzano le condizioni di crescita necessarie all’acquacoltura, all’interno di un ciclo chiuso e virtuoso, in grado di massimizzare il valore termico dell’acqua. La stabilità termica dei corpi idrici ci offre una via privilegiata verso la decarbonizzazione delle nostre città.
