Teleriscaldamento e recupero calore: come funzionano e benefici

In un sistema di teleriscaldamento, il calore viene:

• prodotto o recuperato in un impianto di produzione di energia termica
• distribuito agli edifici, attraverso una rete di tubazioni
• trasferito ai singoli impianti tramite uno scambiatore di calore.

Il cuore del sistema è l'impianto termoelettrico. Si tratta di un impianto centralizzato in cui il calore viene prodotto o recuperato prima di essere immesso nella rete. Una sola centrale può servire un intero quartiere o una città, sostituendo le numerose caldaie dei singoli edifici con un unico punto di generazione.

Nell'impianto il calore viene prodotto, nella maggior parte dei casi, per combustione. Bruciando un combustibile (gas naturale, biomassa o rifiuti) si libera energia che riscalda l'acqua presente nella rete di teleriscaldamento e la porta ad alte temperature.

L’acqua nella rete funziona come un fluido termovettore che, dalla centrale, raggiunge gli edifici attraverso una rete di tubazioni interrate, tipicamente in acciaio preisolato, per ridurre al minimo le dispersioni lungo il percorso.

La rete si dirama sotto le strade in modo capillare, allo stesso modo dell'acquedotto o della rete elettrica cittadina⁽¹⁾ ed è formata da una doppia tubazione:

• in quella di mandata scorre l'acqua calda che porta il calore alle utenze
• in quella di ritorno la stessa acqua, dopo aver ceduto calore, rientra in centrale raffreddata, pronta per essere nuovamente riscaldata.

Si tratta quindi di un circuito chiuso: la stessa acqua circola di continuo tra centrale ed edifici, senza essere consumata.

In ogni edificio collegato - residenziale, pubblico, commerciale o industriale - la rete termina in una sottostazione di scambio, comunemente chiamata scambiatore termico (o scambiatore di calore).

È un'apparecchiatura compatta che prende il posto della tradizionale caldaia, spesso nello stesso locale tecnico, e permette di trasferire il calore prelevato dalla rete di teleriscaldamento all’impianto di distribuzione interna dell’edificio senza richiedere modifiche al sistema di riscaldamento.

All'interno dello scambiatore il calore passa dal fluido termovettore (circuito primario) all'acqua dell'impianto domestico (circuito secondario), senza che i due fluidi si mescolino. È questo passaggio ad alimentare i termosifoni e a produrre l'acqua calda sanitaria. Poiché il calore arriva già pronto dalla rete, all'interno dell'edificio non avviene più alcuna combustione: scompaiono caldaia, fiamma e canna fumaria, con un beneficio anche in termini di sicurezza.

Recuperare calore significa intercettare l'energia termica che molti processi rilasciano come sottoprodotto - attraverso fumi, acqua o torri di raffreddamento - e riutilizzarla invece di lasciarla disperdere. Accade in particolare nella produzione di energia elettrica, dove una parte importante dell'energia primaria diventa comunque calore.

Il caso più rilevante per il teleriscaldamento è la cogenerazione: la produzione combinata e simultanea di energia elettrica ed energia termica di una centrale termoelettrica a partire da un'unica fonte primaria⁽³⁾. Nello stesso processo la centrale genera elettricità e recupera il calore di scarto che ne deriva, per esempio dal vapore che muove le turbine o dai fumi della combustione, destinandolo al riscaldamento e all'acqua calda sanitaria.

La cogenerazione è solo una delle forme di recupero: lo stesso principio vale per il calore di scarto di molti altri processi, dalle lavorazioni industriali al recupero dalle acque reflue, fino al calore prodotto dai data center.

Molte lavorazioni industriali avvengono ad alte temperature e liberano grandi quantità di calore che normalmente viene disperso nell’atmosfera. Questo calore proviene, per esempio, da forni, processi di fusione, essiccazione e trattamenti termici che cedono energia attraverso i fumi di scarico, i circuiti di raffreddamento o i materiali caldi in uscita.

Quando un sito industriale si trova vicino a una rete di teleriscaldamento, questo calore può essere intercettato anziché sprecato: uno scambiatore lo trasferisce all'acqua della rete di teleriscaldamento, che lo porta agli edifici. Le industrie energivore, come le acciaierie, sono tra le fonti più adatte, perché generano calore in modo continuo e in quantità tali da coprire una parte rilevante del fabbisogno di un quartiere o di una città.

I data center sono le strutture che ospitano i server e le infrastrutture digitali su cui poggiano servizi sempre più diffusi:

• archiviazione in cloud
• gestione dei dati
• potenza di calcolo per le aziende e per l'intelligenza artificiale.

Il loro funzionamento richiede molta energia e genera grandi quantità di calore. Inoltre, i server sono attivi tutto l’anno, lavorano senza interruzioni, e devono essere raffreddati di continuo per non surriscaldarsi.

Il fluido impiegato per raffreddarli raggiunge in genere temperature di 20-30 °C e di norma viene raffreddato con aria esterna (free-cooling) o con l’ausilio di impianti di raffreddamento, tipicamente chiller tradizionali, nei periodi più caldi. Questo calore può però essere recuperato: viene intercettato nel sistema di raffreddamento dei data center mediante scambiatore di calore e trasferito alla rete. Trovandosi tipicamente a temperature inferiori a quelle richieste dal teleriscaldamento, viene portato alle temperature necessarie con una pompa di calore e solo allora immesso nella rete di teleriscaldamento.

Anche le acque reflue urbane sono una fonte di calore. Gli edifici riscaldano grandi quantità d'acqua per gli usi domestici e igienici. Una volta utilizzata, quest'acqua porta con sé una parte significativa del loro calore, intorno al 15%, e fino al 30% negli edifici ben coibentati. È per questo che le acque reflue mantengono una temperatura piuttosto costante, tra circa 15 e 25 °C lungo tutto l'anno.

Anche questo calore può essere recuperato:

• uno scambiatore di calore lo preleva dalle acque reflue, senza che i due fluidi entrino in contatto
• una pompa di calore lo porta alla temperatura richiesta dalla rete di teleriscaldamento, restituendo fino a circa 4,5 unità di calore per ogni unità di elettricità consumata. 

Il recupero può avvenire all'interno degli impianti di depurazione, dove però le acque sono ormai più fredde e il recupero meno efficiente. Lo stesso principio vale per altre fonti diffuse sul territorio, come l'acqua di falda.⁽⁴⁾

Concentrando in un unico impianto la produzione del calore, prima affidata ai singoli edifici, e azzerando la combustione nelle abitazioni, il teleriscaldamento offre vantaggi ambientali, di sicurezza e di gestione, per la città e per chi vi abita. Tra questi:

• eliminazione dei rifornimenti di combustibile: gli edifici collegati non richiedono più consegne di carburante, il calore arriva direttamente dalla rete
• migliore qualità dell'aria urbana: spostando la combustione fuori dalle abitazioni si riducono le emissioni locali di CO₂
• maggiore sicurezza negli edifici: senza combustione interna spariscono caldaie, fiamme libere e canne fumarie, e con esse i rischi di cattiva combustione, fughe di gas ed esplosioni
• gestione e manutenzione centralizzate: la produzione del calore è affidata a un unico impianto quindi l'utente non deve più occuparsi del proprio, con un risparmio su controlli, sostituzioni e imprevisti⁽⁶⁾
• superamento delle caldaie tradizionali: ai vecchi impianti domestici, spesso inefficienti e inquinanti, subentra una centrale più moderna ed efficiente
• maggiore sostenibilità ambientale: la rete impiega calore di recupero e fonti rinnovabili al posto di combustibili come il gasolio e l'olio combustibile, molto più inquinanti.

Il teleriscaldamento è una tecnologia dinamica. Evolve con temperature di esercizio più basse e una gestione più flessibile della rete, aumentando il rendimento del sistema e ampliandone i possibili impieghi.

Per essere in grado di svolgere il suo ruolo nel futuro dell’energia sostenibile il teleriscaldamento dovrà avere le seguenti capacità:

• distribuire il calore in reti con basse perdite termiche
• riutilizzare il calore proveniente da fonti a bassa temperatura
• integrare fonti di calore rinnovabili come il solare e la geotermia
• essere parte integrante di sistemi energetici intelligenti, contribuendo in tal modo a risolvere il compito di integrare fonti di energia rinnovabile aleatorie e conservazione dell’energia.⁽⁸⁾

Le reti tradizionali distribuiscono l'acqua ad alta temperatura, intorno ai 90 °C. Per questo si alimentano con fonti capaci di fornirlo a quel livello, come caldaie, cogeneratori, termovalorizzatori e i pochi processi industriali che generano calore di scarto ad alta temperatura.

Le generazioni di teleriscaldamento più recenti, dette di quarta generazione, lavorano invece a temperature molto più basse, di circa 50-60°C⁽⁹⁾. Questa caratteristica permette di attingere più facilmente a fonti che lavorano a basse temperature, come i data center, le acque reflue o la geotermia. È anche ciò che rende il sistema più facile da integrare con le altre reti energetiche, in particolare quella elettrica.

A differenza delle tre generazioni precedenti di teleriscaldamento (a vapore, acqua surriscaldata e acqua calda), la quarta generazione utilizza temperature più basse che permettono di ridurre le dispersioni lungo la rete e di calibrare meglio la produzione di calore. Inoltre, prevede l’integrazione del teleriscaldamento in sistemi energetici intelligenti, basati sull’uso di elaborazioni digitali: i cosiddetti “smart energy system”.

Le precedenti generazioni di rete sono nate quando gli edifici avevano un’elevata richiesta di calore a elevati livelli di temperatura e la fornitura di calore era basata su combustibili fossili. La quarta generazione più facilmente alimentata da calore rinnovabile o di scarto e fornirà calore a edifici performanti a bassa temperatura.

Per garantire lo sviluppo delle reti del futuro, è però necessaria una pianificazione urbanistica, energetica ed economica adeguata, che contempli investimenti e incentivi coerenti con il percorso di trasformazione.⁽¹⁰⁾

In questo scenario si inseriscono gli accumuli termici, sistemi in grado di immagazzinare energia sotto forma di acqua calda quando la richiesta di calore è minore. In questo modo è possibile usare al meglio il calore che si reimmette nella rete per riscaldare gli edifici quando necessario, ad esempio per soddisfare gli elevati consumi mattutini.

La produzione può così concentrarsi quando è più conveniente, per esempio quando è disponibile energia rinnovabile o nelle ore di minore richiesta, mentre il calore accumulato copre i picchi della domanda. Ne guadagna anche la stabilità dell'impianto, che può lavorare con continuità al suo punto di massimo rendimento invece di inseguire le oscillazioni dei consumi.

A questo si affianca un controllo sempre più digitale: sensori e sistemi di regolazione misurano in tempo reale temperature, portate e prelievi e ne anticipano l'andamento, così da far combaciare con precisione il calore immesso con quello effettivamente richiesto. Accumulo e gestione intelligente, insieme, riducono gli sprechi e permettono alla rete di integrare anche fonti discontinue, come le rinnovabili e il calore di recupero, che non sempre sono disponibili nel momento del bisogno.