L'efficienza energetica è essenziale per la sostenibilità e la crescita economica nell'attuale contesto industriale. I dispositivi di recupero del calore di scarto, che assorbono l'energia termica che normalmente viene dispersa nell'ambiente e la trasformano in energia elettrica o termica utile, presentano un potenziale significativo. Secondo le stime del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il calore di scarto rappresenta dal 20% al 50% del consumo energetico industriale . Le industrie possono ridurre i costi, consumare meno energia e contribuire a un futuro più verde implementando queste soluzioni. Questo articolo evidenzia il potenziale del recupero del calore di scarto nel 2025 e oltre, esaminandone la fisica, i vantaggi e le applicazioni.

Che cosa è il recupero del calore di scarto?

Il processo di recupero dell'energia termica prodotta come sottoprodotto delle operazioni industriali e il suo successivo utilizzo è noto come recupero del calore di scarto. Tecnologie come gli scambiatori di calore e i cicli Rankine organici (ORC) possono utilizzare questo calore, che spesso viene disperso attraverso i sistemi di raffreddamento o i gas di scarico, per generare energia o preriscaldare i fluidi. Con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 7.4% dal 2023 al 2032, si prevede che il mercato globale del recupero del calore di scarto raggiungerà i 144.57 miliardi di dollari . Il recupero del calore di scarto è essenziale per lo sviluppo sostenibile, poiché le industrie possono aumentare la produttività e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili utilizzando questa energia.

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Tipi di calore di scarto e fonti

Il calore di scarto varia in temperatura e provenienza, influenzando i metodi di recupero. Il calore ad alta temperatura (superiore a 400 °C) proviene da processi come i forni per la produzione di cemento e gli altiforni per l'acciaio. Il calore a media temperatura (da 100 °C a 400 °C) si trova nei fumi di scarico di caldaie e turbine a gas, mentre il calore a bassa temperatura (inferiore a 100 °C) deriva dal raffreddamento dell'acqua e dalle superfici delle apparecchiature in settori come l'industria alimentare e i data center. Ogni tipologia richiede strategie di recupero specifiche. Nel 2023, il settore industriale statunitense ha utilizzato circa 160 trilioni di unità termiche britanniche (BTU) di energia derivante da scarti ; pertanto, è fondamentale identificare e descrivere queste fonti per un utilizzo efficiente.

Tecnologie per il recupero del calore di scarto

Il calore di scarto viene catturato e trasformato da una varietà di tecnologie per temperature e utilizzi specifici. Gli scambiatori di calore, come recuperatori ed economizzatori, migliorano l'efficienza di caldaie e forni trasferendo il calore dai gas di scarico ai fluidi di preriscaldamento. In ambienti ad alta temperatura come la produzione di acciaio, i rigeneratori, come le turbine termiche rotanti, ottimizzano l'utilizzo dell'energia.

In settori come quello del cemento, i dispositivi a ciclo Rankine organico (ORC) si dimostrano efficaci nella conversione del calore a media e bassa temperatura in elettricità. I ​​generatori termoelettrici (TEG) trasformano il calore in elettricità sfruttando l'effetto Seebeck, e sono adatti ad applicazioni di dimensioni ridotte. La loro crescente importanza nei sistemi di recupero del calore di scarto è dimostrata dall'impianto Placo® di Val-de-Cognac, che ha installato un sistema di recupero del calore di scarto, riducendo il consumo energetico del 10.6% e le emissioni di CO₂ del 14%.

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Efficienza energetica e risparmio sui costi

Grazie al recupero e al riutilizzo del calore che altrimenti andrebbe disperso, il recupero del calore di scarto aumenta drasticamente l'efficienza energetica. Ciò riduce la necessità di combustibili o elettricità aggiuntivi, con conseguenti notevoli risparmi sui costi, soprattutto in settori ad alta intensità energetica come l'industria siderurgica, cementiera e la raffinazione del petrolio. Ad Amburgo, gli scambiatori di calore a piastre con guarnizione Alfa Laval vengono utilizzati per trasferire in modo efficiente il calore in eccesso da un impianto di lavorazione del rame al teleriscaldamento, consentendo il riutilizzo di 160,000 MWh all'anno , che vengono impiegati per riscaldare 3,400 appartamenti e ridurre le emissioni di anidride carbonica di 20,000 tonnellate all'anno.

Impatto ambientale e sostenibilità

I sistemi di recupero del calore di scarto svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione dell'impatto ambientale. Questi sistemi riducono la dipendenza dai combustibili fossili, riducendo così le emissioni di gas serra e di altri inquinanti, ottimizzando l'utilizzo del calore generato. Ciò è in linea con le iniziative internazionali volte a contrastare i cambiamenti climatici e a raggiungere rigorosi obiettivi di riduzione delle emissioni, come quelli stabiliti dall'Accordo di Parigi.

Particolarmente vantaggiosi sono i settori che contribuiscono in modo significativo alle emissioni globali di CO2, come l'acciaio, il ferro e il cemento. Riutilizzando il calore di scarto industriale, si potrebbero evitare ogni anno centinaia di milioni di tonnellate di emissioni di carbonio e , secondo le stime dell'AIE, si potrebbe compensare fino al 20% del fabbisogno energetico industriale mondiale . Integrando queste soluzioni, le aziende promuovono un futuro a basse emissioni di carbonio, rispettano le normative ambientali, riducono l'inquinamento termico derivante dal calore di scarto e sostengono gli obiettivi di sviluppo sostenibile.

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Applicazioni in tutti i settori

• Utile in una varietà di settori con prospettive particolari.
• L'energia proveniente da generatori diesel o turbine a combustione viene catturata tramite il recupero del calore dei gas di scarico. Spesso vengono impiegati sistemi a ciclo Rankine organico (ORC) per generare ulteriore elettricità.
• Recuperare il calore dai raffreddatori del clinker e dalle torri di preriscaldamento. Il mercato del cemento WHR è stato valutato a 15.8 miliardi di dollari nel 2024 e si prevede che raggiungerà i 32.6 miliardi di dollari entro il 2034, crescendo a un CAGR del 7.7%..
• L'industria alimentare sfrutta il calore di bassa qualità proveniente da forni o unità di refrigerazione per il riscaldamento degli ambienti o il preriscaldamento dell'acqua.
• Le reti di teleriscaldamento ricevono calore a bassa temperatura dai data center. Questa applicazione è evidenziata in Centro energetico Bunhill 2 di Londra.
• WHR può essere utilizzato in impianti chimici, acciaierie e altri contesti. Migliora la sostenibilità e l'efficienza in una varietà di settori.

Vantaggi economici e operativi

Oltre al risparmio energetico, il recupero del calore di scarto offre importanti vantaggi operativi ed economici. Le aziende possono ridurre la dipendenza da fonti energetiche esterne e limitare la volatilità dei prezzi producendo autonomamente elettricità o calore, come indicato dalle previsioni dell'AIE per il 2024, che indicano un aumento del 2.3% dei prezzi dell'energia industriale . La sicurezza energetica viene rafforzata e i costi operativi stabilizzati grazie a questa autosufficienza. La riduzione del consumo di combustibile si traduce inoltre in apparecchiature più piccole e meno costose, con conseguente riduzione dei costi di manutenzione e di investimento. L'attrattiva finanziaria è ulteriormente accresciuta dagli incentivi governativi, come i crediti d'imposta sul carbonio. Il recupero del calore di scarto promuove gli obiettivi ambientali e al contempo aumenta la redditività complessiva.

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Sfide e considerazioni

Sebbene il recupero del calore di scarto presenti dei vantaggi, vi sono anche degli svantaggi. Apparecchiature come gli scambiatori di calore o le unità ORC richiedono ingenti investimenti iniziali e, a seconda dell'efficienza e dell'applicazione, i tempi di ammortamento variano generalmente da due a cinque anni. A causa della sua scarsa exergia, il recupero del calore a bassa temperatura è particolarmente difficile, e l'integrazione di sistemi in impianti più datati può risultare complessa.

L'integrazione dei dispositivi WHR nei processi industriali attuali può essere tecnicamente complessa; ciò richiede conoscenze specifiche e potrebbe causare interruzioni operative legate all'installazione. La qualità del flusso di calore di scarto deve essere attentamente valutata e la manutenzione aumenta i costi operativi. Per risolvere questi problemi, sono necessarie soluzioni specializzate e studi di fattibilità approfonditi.

Conclusione

Il recupero del calore dai sistemi di recupero dei rifiuti trasforma l'energia sprecata in una risorsa preziosa. Questi sistemi soddisfano importanti criteri industriali e ambientali, riducendo gli inquinanti, i costi e aumentando l'efficienza energetica. Utilizzano tecnologie come pompe di calore e scambiatori, comuni nei data center e nelle centrali elettriche. I vantaggi rendono WHR un investimento prezioso per la sicurezza energetica e un futuro sostenibile, anche a fronte di ostacoli come elevate spese iniziali. Adottare questa tecnologia è una responsabilità per creare un pianeta più efficiente.

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