Il Recupero del calore di scarto consiste nell’utilizzare l’energia termica prodotta da un processo e normalmente dispersa nell’ambiente, trasformandola in una risorsa energetica riutilizzabile. Numerose attività industriali, commerciali e domestiche generano infatti grandi quantità di calore che, se non recuperato, è trasferito all’aria, all’acqua o ad altri sistemi di raffreddamento.
Il calore residuo può provenire da forni, caldaie, motori, impianti industriali, sistemi di refrigerazione, centrali energetiche e data center. La sua temperatura e le caratteristiche del flusso termico determinano le modalità con cui può essere recuperato e il possibile utilizzo successivo. In alcuni casi si può impiegare direttamente per riscaldare acqua o ambienti; in altri può alimentare ulteriori processi industriali oppure essere convertito, attraverso specifiche tecnologie, in energia elettrica.
Il recupero del calore di scarto rappresenta quindi una delle strategie per migliorare l’efficienza energetica dei sistemi, perché permette di ottenere un maggiore rendimento dalle risorse già utilizzate senza richiedere necessariamente una nuova fonte primaria di energia. La sua applicazione può contribuire anche alla riduzione dei consumi energetici e delle emissioni associate alla produzione di energia.
Le tecnologie disponibili comprendono scambiatori di calore, pompe di calore, cicli termodinamici, sistemi di accumulo termico e dispositivi termoelettrici. La scelta dipende dalla temperatura del calore disponibile, dalla quantità recuperabile e dalle esigenze dell’utilizzatore finale.
Che cos’è il calore di scarto?
Il calore di scarto, chiamato anche calore residuo, è l’energia termica generata durante un processo o il funzionamento di un’apparecchiatura che non è utilizzata nel processo principale ed è quindi dispersa nell’ambiente.
La produzione di calore residuo è spesso una conseguenza inevitabile delle trasformazioni energetiche. Durante la combustione in un motore solo una parte dell’energia del combustibile è convertita in lavoro meccanico, mentre una quota significativa è trasferita sotto forma di calore ai gas di scarico e ai sistemi di raffreddamento. Analogamente, altri processi industriali possono generare flussi termici che non sono sfruttati direttamente.
Il calore di scarto non ha però sempre lo stesso valore energetico. La sua temperatura è un parametro fondamentale, perché determina sia la quantità di energia effettivamente utilizzabile sia le tecnologie che si possono impiegare per recuperarla. Quanto maggiore è la temperatura della sorgente rispetto a quella dell’ambiente o dell’utilizzatore, tanto più ampie sono le possibilità di valorizzazione del calore.
Classificazione del calore di scarto in base alla temperatura
Si può suddividere il calore residuo in alta, media e bassa temperatura. Non esiste tuttavia una classificazione universale con soglie identiche per tutti i settori: i limiti dipendono dal processo considerato e dall’utilizzo previsto.
Calore ad alta temperatura, generalmente superiore a circa 400 °C, è prodotto da forni industriali, acciaierie, vetrerie, cementifici, turbine a gas e alcuni processi di trattamento termico. Si può recuperare, grazie all’elevato livello termico, per preriscaldare l’aria di combustione, produrre vapore o alimentare cicli termodinamici destinati alla generazione di energia elettrica.
Il calore a media temperatura, indicativamente compreso tra 100 e 400 °C, può provenire dai gas di scarico dei motori, da caldaie e da numerosi processi chimici e petrolchimici. Tra le possibilità di recupero rientrano la produzione di vapore tecnologico, il preriscaldamento di fluidi e l’impiego di cicli Rankine organici (ORC), particolarmente adatti a sfruttare sorgenti termiche di temperatura relativamente moderata.
Il calore a bassa temperatura, generalmente inferiore a 100 °C, è presente nelle acque di raffreddamento, negli impianti di climatizzazione, nei data center e negli scarichi di alcuni processi industriali e domestici. Poiché la temperatura è più vicina a quella dell’ambiente, il suo utilizzo diretto è spesso più difficile. Può tuttavia essere valorizzato mediante pompe di calore, reti di teleriscaldamento o sistemi di preriscaldamento dell’acqua.
Fonti del calore di scarto
Il calore di scarto può essere generato in numerosi processi industriali, sistemi energetici, apparecchiature meccaniche e infrastrutture civili. Ogni trasformazione energetica comporta infatti una produzione di calore, anche se non sempre questo calore è considerato uno scarto: diventa tale quando non è utilizzato nel processo e disperso nell’ambiente.
Fonti industriali e produzione di energia
Una delle principali fonti è rappresentata dai forni e dalle caldaie industriali, utilizzati in settori come siderurgia, produzione del vetro, cemento e ceramica. I gas di scarico possono raggiungere temperature molto elevate e contenere una quantità significativa di energia termica recuperabile. Anche gli spurghi delle caldaie e altri flussi caldi possono rappresentare sorgenti di calore residuo.
Il calore di scarto è prodotto anche da numerosi processi industriali, tra cui fusione, trattamenti termici, essiccazione e alcune reazioni esotermiche. In questi casi l’energia termica può essere trasferita ai gas di processo, all’acqua di raffreddamento o ad altri fluidi.
Nelle centrali termoelettriche, una parte dell’energia contenuta nel combustibile non è trasformata in elettricità e deve essere ceduta all’ambiente attraverso condensatori, sistemi di raffreddamento e, in alcuni impianti, torri di raffreddamento. Il recupero di una parte di questo calore è alla base, per esempio, dei sistemi di cogenerazione e di alcune forme di teleriscaldamento.
Anche l’industria alimentare produce calore residuo durante operazioni come cottura, pastorizzazione, sterilizzazione, essiccazione e lavaggio con acqua calda. Il recupero dei flussi termici può consentire di preriscaldare acqua o altri fluidi utilizzati nelle fasi successive della lavorazione.
Motori, refrigerazione e climatizzazione
I motori a combustione interna producono calore attraverso la combustione del carburante e gli attriti interni. Una parte dell’energia è trasferita ai gas di scarico, mentre un’altra è asportata dal sistema di raffreddamento. Nei motori di grandi dimensioni, come quelli utilizzati per la propulsione navale questi flussi costituiscono una fonte significativa di calore recuperabile.
Un’altra sorgente è rappresentata dagli impianti di refrigerazione e climatizzazione. Frigoriferi industriali, banchi refrigerati e grandi sistemi di climatizzazione trasferiscono il calore da un ambiente o da un fluido verso un altro. Il calore ceduto al condensatore, anziché essere semplicemente disperso all’esterno, può in determinate condizioni essere recuperato per riscaldare acqua o ambienti.
Data center ed edifici
Nei data center, l’energia elettrica utilizzata dai server è in gran parte trasformata in calore. I sistemi di raffreddamento devono quindi rimuovere continuamente questa energia termica per mantenere le apparecchiature entro condizioni operative adeguate. Il calore recuperato può essere utilizzato, quando la temperatura e le condizioni dell’impianto lo consentono, per il riscaldamento di edifici o altri utilizzi termici.
Anche gli edifici residenziali e commerciali producono calore residuo. Un esempio è rappresentato dall’aria espulsa dai sistemi di ventilazione, dalla quale è possibile recuperare energia mediante appositi scambiatori. Un’altra sorgente è costituita dalle acque reflue calde, provenienti per esempio da docce, lavatrici e lavastoviglie.
Anche alcune infrastrutture di trasporto, come reti metropolitane e gallerie ferroviarie, possono accumulare calore prodotto dai motori, sistemi frenanti, impianti elettrici e dalla presenza dei passeggeri. In determinate condizioni, si può recuperare e integrare questo calore in sistemi energetici locali.
Principali tecnologie per il recupero del calore di scarto
Si può ottenere il recupero del calore di scarto attraverso tecnologie differenti, la cui scelta dipende soprattutto dalla temperatura, dalla quantità e dalla continuità del calore disponibile, oltre che dalle esigenze dell’utilizzatore. In alcuni casi il calore è riutilizzato direttamente, mentre in altri è convertito in energia elettrica oppure accumulato per un utilizzo successivo.
Scambiatori di calore
Gli scambiatori di calore sono tra le tecnologie più utilizzate per il recupero termico. Consentono di trasferire energia da un fluido caldo a uno più freddo attraverso una superficie di separazione, evitando normalmente il contatto diretto tra i due fluidi.
Il calore contenuto nei fumi, nell’acqua o in altri fluidi residui può così essere utilizzato per preriscaldare aria, acqua o fluidi di processo. Tra le applicazioni rientrano il preriscaldamento dell’aria di combustione nei forni industriali, il recupero del calore dei gas di scarico delle caldaie e l’utilizzo di scambiatori a piastre nei processi industriali.
Pompe di calore
pompa di calore
Le pompe di calore permettono di valorizzare anche sorgenti termiche a temperatura relativamente bassa, il cui calore non sarebbe direttamente utilizzabile per determinati scopi. Attraverso l’impiego di energia, generalmente elettrica, trasferiscono calore da una sorgente a temperatura inferiore verso un utilizzatore a temperatura superiore.
In questo modo il calore proveniente da acque di raffreddamento, processi industriali o data center può essere portato a un livello termico più elevato e utilizzato per il riscaldamento di edifici, per la produzione di acqua calda o, in alcuni casi, per processi industriali.
Ciclo Rankine organico (ORC)
Il Ciclo Rankine Organico (ORC) consente di convertire parte del calore residuo in energia elettrica. Il principio è simile a quello del ciclo Rankine utilizzato negli impianti a vapore, ma al posto dell’acqua impiega un fluido organico con caratteristiche termodinamiche adatte a operare anche con sorgenti di calore a temperatura relativamente moderata.
Il calore di scarto provoca l’evaporazione del fluido di lavoro, che successivamente si espande in una turbina collegata a un generatore. Si possono impiegare gli impianti ORC per recuperare il calore proveniente da gas di scarico, processi industriali, biomasse e sorgenti geotermiche, producendo elettricità destinata all’autoconsumo o all’immissione nella rete.
Materiali termoelettrici
materiali termoelettrici nel recupero del calore di scarto industriale
I materiali termoelettrici permettono di convertire direttamente una differenza di temperatura in energia elettrica, senza utilizzare parti meccaniche in movimento. Il loro funzionamento si basa sull’effetto Seebeck: quando due regioni di un materiale o di un dispositivo termoelettrico sono mantenute a temperature differenti, si genera una differenza di potenziale elettrico.
Si può utilizzare questa tecnologia può per recuperare piccole quantità di energia da superfici e gas caldi, per esempio nei sistemi di scarico dei veicoli, nei macchinari industriali o in dispositivi elettronici.
Accumulo termico
Il recupero non deve necessariamente coincidere con l’utilizzo immediato del calore. I sistemi di accumulo dell’energia termica (Thermal Energy Storage, TES) consentono di conservare temporaneamente il calore recuperato e renderlo disponibile quando la domanda energetica aumenta.
Gli accumuli possono essere sensibili, come serbatoi di acqua calda o alcuni materiali solidi, oppure latenti, basati sui materiali a cambiamento di fase (PCM), che immagazzinano e rilasciano energia durante un passaggio di stato.
L’accumulo termico è utile quando la produzione del calore residuo e la sua richiesta avvengono in momenti diversi, per esempio negli impianti industriali con funzionamento discontinuo o nei sistemi integrati con reti di teleriscaldamento.
Recupero del calore di scarto industriale
Il recupero del calore di scarto industriale costituisce una delle applicazioni più importanti delle tecnologie di recupero energetico. Numerosi processi industriali richiedono infatti grandi quantità di energia e producono fumi, gas, liquidi e materiali caldi che possono contenere una quantità significativa di energia termica residua.
La possibilità di recuperare questo calore dipende dalla temperatura della sorgente, dalla quantità di energia disponibile, dalla continuità del processo e dalla presenza di un utilizzatore adatto.
Acciaierie e metallurgia
La siderurgia è caratterizzata da processi ad alta intensità energetica e da numerose sorgenti di calore residuo. Tra queste rientrano i gas caldi provenienti dai forni, il calore dei prodotti incandescenti e quello associato ad alcuni processi di raffreddamento.
Si possono convogliare i gas ad alta temperatura verso caldaie a recupero, nelle quali il calore è utilizzato per produrre vapore. Si può impiegare quest’ultimo direttamente nello stabilimento oppure alimentare sistemi di generazione elettrica destinando il recupero al preriscaldamento dell’aria di combustione o di altri fluidi di processo, riducendo il fabbisogno di energia primaria.
Cementifici
La produzione del cemento richiede temperature molto elevate nei forni rotativi e genera importanti flussi di gas caldi. Tra le sorgenti recuperabili vi sono i gas in uscita dal sistema di preriscaldamento e l’aria calda proveniente dal raffreddamento del clinker.
impianto ORC
Il calore recuperato può essere utilizzato per generare vapore, produrre energia elettrica o preriscaldare l’aria e le materie prime. In determinate condizioni, anche un impianto Organic Rankine Cycle può trasformare parte del calore residuo in elettricità, soprattutto quando la temperatura della sorgente e la configurazione dello stabilimento rendono conveniente questa soluzione.
Vetrerie
I forni delle industrie del vetro funzionano a temperature molto elevate e producono fumi caldi che rappresentano una potenziale fonte di recupero energetico. Si può utilizzare il calore dei gas di scarico per preriscaldare l’aria di combustione, aumentando l’efficienza del processo di fusione.
Gli impianti possono inoltre recuperare energia per preriscaldare altri flussi o, quando le condizioni lo consentono, per alimentare sistemi di produzione di energia. Il recupero termico consente così di ridurre il consumo di combustibile necessario per raggiungere e mantenere le elevate temperature del forno.
Industrie chimiche e petrolchimiche
Nelle industrie chimiche e petrolchimiche sono presenti numerose correnti calde e fredde, derivanti da reazioni, distillazioni, condensazioni e altri processi. Una parte importante del recupero consiste nel far interagire energeticamente queste correnti attraverso una rete di scambiatori.
L’integrazione termica permette di individuare le modalità più efficienti per trasferire il calore dalle correnti che si devono raffreddare a quelle che si devono riscaldare. In questo modo è possibile diminuire contemporaneamente il fabbisogno di riscaldamento e quello di raffreddamento. Quando il calore disponibile ha una temperatura troppo bassa per essere utilizzato direttamente, possono entrare in gioco pompe di calore industriali.
Industrie alimentari
L’industria alimentare presenta opportunità di recupero di scarto, nei processi di cottura, pastorizzazione, sterilizzazione, essiccazione, refrigerazione e lavaggio.
Tra le sorgenti rientrano le acque calde di lavaggio e sanificazione, i gas caldi dei forni e degli essiccatori e il calore ceduto dai sistemi di refrigerazione. Si può recuperare quest’ultimo dal circuito frigorifero e utilizzarlo per preriscaldare l’acqua necessaria ai processi produttivi o alla produzione di acqua calda.
Poiché molti impianti alimentari funzionano a lotti o con cicli produttivi variabili, la produzione e la domanda di calore possono non coincidere temporalmente. In questi casi, i sistemi di accumulo termico (TES) possono consentire di conservare temporaneamente l’energia recuperata e renderla disponibile quando è necessaria.
Recupero del calore di scarto negli edifici
Il recupero del calore di scarto negli edifici integra le strategie di efficienza energetica basate sull’isolamento termico e sull’architettura bioclimatica. L’obiettivo è evitare che l’energia termica già disponibile sia inutilmente dispersa durante il ricambio dell’aria, attraverso gli scarichi o durante il funzionamento degli impianti.
Ventilazione meccanica controllata con recupero di calore
La Ventilazione Meccanica Controllata (VMC) con recupero di calore consente di rinnovare l’aria interna limitando le perdite energetiche. Il sistema estrae l’aria calda e viziata dagli ambienti e introduce aria esterna più fredda. Prima dell’espulsione, l’aria interna attraversa uno scambiatore di calore, cedendo una parte della propria energia termica all’aria in ingresso senza che i due flussi entrino direttamente in contatto.
L’efficienza del recupero del calore di scarto dipende dal tipo di apparecchiatura e dalle condizioni operative e può raggiungere valori elevati nei sistemi più efficienti. Si riduce così il carico richiesto all’impianto di riscaldamento e si mantiene un adeguato comfort termico senza rinunciare al necessario ricambio dell’aria.
Recupero del calore di scarto da impianti e apparecchiature
Apparecchiature elettriche, frigoriferi, server e sistemi di illuminazione producono calore durante il funzionamento. Negli edifici commerciali e del terziario, questi apporti possono essere significativi e, in determinate configurazioni impiantistiche, possono contribuire al fabbisogno termico dell’edificio.
Un caso interessante riguarda i sistemi di climatizzazione con recupero termico. Durante il raffrescamento, il calore sottratto agli ambienti è normalmente ceduto all’esterno. Nei sistemi progettati per il recupero si può utilizzare una parte di questa energia per riscaldare acqua sanitaria o alimentare altri utilizzi termici.
Recupero del calore di scarto dalle acque reflue
Le acque reflue calde provenienti da docce, lavatrici e lavastoviglie costituiscono una possibile sorgente termica. Attraverso appositi scambiatori, si può trasferire il calore dell’acqua di scarico all’acqua fredda in ingresso, consentendone il preriscaldamento prima dell’arrivo alla caldaia o al bollitore.
Questa soluzione permette di recuperare una parte dell’energia che altrimenti sarebbe dispersa direttamente nelle reti di scarico.
Recupero del calore di scarto nei data center
Il recupero del calore di scarto nei data center rappresenta un’applicazione dell’efficienza energetica. Server, sistemi di archiviazione e apparecchiature di rete consumano grandi quantità di energia elettrica e una parte molto elevata di questa energia è infine trasformata in calore, che si deve asportare per mantenere le apparecchiature entro condizioni operative adeguate.
Il calore si dissipava nell’ambiente attraverso sistemi di raffreddamento, come chiller e torri evaporative. Oggi, soprattutto nei data center di grandi dimensioni, si studiano sistemi che consentono di recuperare e valorizzare questa energia termica.
La sfida della bassa temperatura
Il calore prodotto dai server è generalmente disponibile a temperature relativamente basse. Nei sistemi raffreddati ad aria, l’aria calda in uscita può avere temperature dell’ordine di alcune decine di gradi Celsius, mentre il raffreddamento diretto a liquido può consentire di ottenere fluidi a temperature più elevate.
Il livello termico non è normalmente sufficiente per produrre elettricità in modo conveniente attraverso i tradizionali cicli termodinamici, ma può essere utile per riscaldare edifici, produrre acqua calda o alimentare reti termiche, soprattutto quando è integrato con pompe di calore.
Applicazioni del calore di scarto recuperato
Una delle possibilità è il teleriscaldamento. Si può trasferire il calore recuperato dal sistema di raffreddamento a una rete locale e innalzato a una temperatura maggiore mediante pompe di calore. In questo modo può contribuire al riscaldamento di abitazioni, uffici, strutture pubbliche e altri edifici.
Si può utilizzare il calore direttamente in edifici commerciali, uffici e campus situati nelle vicinanze del data center, riducendo la necessità di ricorrere ad altre fonti di riscaldamento.
Altre applicazioni comprendono il riscaldamento di serre, impianti di acquacoltura e alcuni processi di essiccazione industriale, quando la temperatura disponibile è compatibile con le esigenze del processo.
Integrazione tra infrastrutture digitali ed energia
Il recupero del calore di scarto dei data center può creare una forma di integrazione energetica tra infrastrutture digitali e territorio. Perché il sistema sia realmente conveniente si devono considerare la temperatura del calore disponibile, la distanza dall’utilizzatore, la continuità della domanda termica e l’energia necessaria per il suo trasferimento e innalzamento di temperatura.
Quando queste condizioni sono favorevoli, un calore che altrimenti sarebbe disperso può diventare una risorsa utile per il riscaldamento e altri processi, contribuendo a migliorare l’efficienza del sistema energetico.
Prospettive future
Le prospettive del recupero del calore di scarto sono legate allo sviluppo di tecnologie sempre più efficienti, capaci di valorizzare anche le sorgenti termiche a bassa temperatura. Pompe di calore ad alta temperatura, materiali termoelettrici, sistemi di accumulo e reti di teleriscaldamento potranno favorire un utilizzo più esteso del calore residuo. La crescente integrazione tra industria, edifici e infrastrutture digitali potrà inoltre contribuire alla realizzazione di sistemi energetici locali più efficienti e interconnessi.
