Teleriscaldamento e teleraffrescamento rinnovabili con l’acqua di lago: un confronto europeo

Articolo di Jacopo Vivian, Sven Eggimann e Massimo Fiorentini

Il principio di funzionamento

Mediante l’utilizzo di pompe di calore acqua-acqua, i laghi possono costituire una fonte energetica rinnovabile per riscaldare gli edifici d’inverno e per raffrescarli d’estate.

La temperatura dell’acqua di lago non è costante durante l’anno, e varia a seconda della profondità considerata. In primavera, la radiazione solare scalda gli strati più superficiali del lago, dando luogo ad una stratificazione termica che si intensifica nei mesi estivi. In autunno, il calo di temperatura dell’aria raffredda le acque superficiali che si rimescolano con quelle profonde grazie al gradiente di densità.

Temperatura al variare della profondità nel corso dell’anno simulata con due diversi modelli (il modello semplificato 2C usato in questo studio e il modello Simstrat) per il lago di Greifensee in Svizzera (Eggimann et al, 2023).

L’acqua di lago risulta quindi più calda dell’aria in inverno, e più fredda in estate. Questa caratteristica rende i laghi una interessante alternativa all’aria sia come sorgente di calore durante l’inverno, sia come serbatoio di calore durante l’estate. Ad una certa profondità (tipicamente compresa tra 10 e 20 metri, ma variabile a seconda del lago), le temperature risultano inferiori a 10°C. Questo rende possibile il raffrescamento diretto, ovvero la produzione di freddo senza l’ausilio di chiller e con un significativo risparmio di elettricità.

Il potenziale dei laghi in Europa

Un recente studio condotto dagli autori ha cercato di quantificare l’energia termica che possono fornire i laghi a livello europeo. Nello studio è stato dapprima calcolato un “potenziale della risorsa”, variabile in base alla numerosità dei laghi presenti in ogni Paese.

Potenziale energia termica dei laghi (resource potential), potenziale domanda di energia termica (demand potential) e potenziale tecno-economico (economic potential) (Eggimann et al, 2023).

L’energia recuperabile dipende poi dal numero di edifici presenti in prossimità dei laghi, e dal loro fabbisogno di energia per riscaldamento e raffrescamento. Lo studio ha quindi considerato gli edifici a una distanza inferiore a 1.5 km dalle sponde dei laghi per valutare il cosiddetto “potenziale di domanda”.

Uno dei costi principali per sfruttare questa fonte di energia rinnovabile consiste nella posa delle reti di teleriscaldamento, necessarie a trasportare il calore dal lago agli edifici e viceversa. Maggiore è la densità della domanda di energia termica, minore sarà l’estensione di tali reti rispetto all’energia risparmiata. È stato quindi calcolato anche un “potenziale economico”, ovvero quella frazione della domanda di energia che risulta interessante anche da un punto di vista economico.

Quanta energia si può scambiare col lago?

Naturalmente, estrarre calore dal lago durante la stagione di riscaldamento, così come rigettare calore nel lago durante la stagione estiva, comporta una alterazione della temperatura dell’acqua. Queste alterazioni (diminuzioni di temperatura d’inverno e aumenti d’estate) sono tanto più rilevanti quanto più cresce il rapporto tra energia scambiata e volume del lago. Lo studio condotto dagli autori ha cercato di quantificare tali alterazioni, che possono avere un impatto non trascurabile dal punto di vista ecologico. Le simulazioni hanno riportato alterazioni della temperatura media in genere notevolmente inferiori a 1 °C, e suggeriscono che l’integrazione di tutti i sistemi di teleriscaldamento e teleraffrescamento tecnicamente fattibili non dovrebbero avere gravi implicazioni ecologiche legate alla temperatura per la maggior parte dei laghi considerati. Tuttavia, i modelli potrebbero esplorare anche altri criteri per quantificare l’impatto ecologico sui laghi, come lo spostamento temporale dell’insorgenza e della rottura della stratificazione termica, e l’alterazione locale di temperatura in prossimità del punto di scarico dell’acqua raffrescata/riscaldata. Maggiori informazioni su queste potenziali criticità sono state oggetto di diversi studi da parte del centro di ricerca svizzero Eawag e sono disponibili qui.

Variazioni di temperatura nei laghi per (a) solo raffrescamento e (b) raffrescamento e riscaldamento (Eggimann et al, 2023).

Un confronto a livello europeo

I risultati indicano che il 17% della domanda di raffrescamento degli edifici vicino ai laghi potrebbe essere fornita attraverso reti di teleraffrescamento raffreddate da acqua di lago. I paesi con il maggior potenziale di domanda sono Italia (2.3 TWh/a), Svizzera (2.2 TWh), Svezia (2.0 TWh), Finlandia (0.90 TWh) e Turchia (0.85 TWh), seguite da Germania, Francia, Austria e Ungheria. Questi nove Paesi, insieme, racchiudono il 90% della domanda di energia frigorifera vicino ai laghi. Se si considera il potenziale tecno-economico, l’Italia rimane in cima alla classifica, con ben 0.98 TWh di energia frigorifera che può essere fornita dai laghi. È stato stimato che, rispetto alle pompe di calore ad aria, questa soluzione potrebbe far risparmiare circa 185 GWh/a di energia elettrica destinata al riscaldamento e raffrescamento degli edifici, con minori emissioni pari a circa 65 migliaia di tonnellate di CO2 emessa in atmosfera ogni anno in Italia. Lo stesso non vale per altri Paesi, come la vicina Svizzera, in cui gli elevati costi iniziali per la rete di teleraffrescamento rispetto al risparmio atteso rendono meno attraente tale investimento. Per fare un confronto, mentre in Italia circa il 43% della domanda potenziale di raffrescamento vicino ai laghi risulta anche economicamente conveniente, in Svizzera questa percentuale scende al 4%. Oltre a Italia e Svizzera, anche Germania, Francia, Austria, Turchia e Bulgaria mostrano un potenziale interessante.

Potenziale energia termica dei laghi, potenziale domanda di energia per il raffrescamento (Eggimann et al, 2023).

La domanda di energia termica per il riscaldamento invernale vicino ai laghi è decisamente superiore a quella per raffrescare gli edifici. Secondo lo studio, i Paesi con il maggior potenziale di domanda sono Svizzera (38 TWh), Svezia (25 TWh), Finlandia (20 TWh), Italia e Germania (17 TWh ciascuna), e poi a seguire Polonia e Austria (7 TWh ciascuna), Turchia (6 TWh), Francia (4.3 TWh), Ungheria (3.8 TWh) ecc. A livello Europeo, solo il 7% della domanda combinata di riscaldamento e raffrescamento degli edifici vicino ai laghi risulta teleriscaldabile in maniera economicamente conveniente. Questa bassa percentuale è legata al fatto che nello studio non sono stati considerati i laghi con ghiacciamento della superficie, poiché il modello non era in grado di replicarne il comportamento termico. Il potenziale economico a livello Europeo risulta quindi sottostimato dallo studio, specialmente per i Paesi nordici come la Svezia, in cui questo fenomeno è ricorrente a causa del clima più rigido.

Questi numeri si possono trovare nelle Tabelle dell’Appendice A, che si riferiscono allo scenario base. In ogni caso, il potenziale tecno-economico, sia in riscaldamento che in raffrescamento, è fortemente influenzato sia dal prezzo dell’energia elettrica sia dal costo dell’investimento iniziale, che può variare molto da Paese a Paese. Un elevato prezzo dell’energia elettrica e bassi tassi di interesse sono favorevoli alla diffusione di questi sistemi, poiché riducono il tempo di rientro dell’investimento nella rete di teleriscaldamento/raffrescamento.

Conclusioni

I risultati suggeriscono un potenziale tecno-economico europeo di 1.9 TWh/a considerando solo il raffrescamento diretto e di 11.3 TWh/a se le reti termiche forniscono anche il riscaldamento tramite pompe di calore. L’Italia è il Paese europeo col maggior potenziale tecno-economico (1 TWh/a per raffrescamento diretto e 5 TWh/a per riscaldamento mediante pompe di calore nello scenario base) sia perché presenta una domanda consistente di riscaldamento e raffrescamento in prossimità dei suoi laghi, sia perché i prezzi elevati dell’elettricità e i costi di investimento relativamente bassi rendono il nostro Paese un buon candidato per sfruttare i risparmi di elettricità dei laghi.

Paese Potenziale domanda [TWh/a] Potenziale domanda [TWh/a]

(da altri studi)

Potenziale economico [TWh/a]
Raffrescamento Italia 2.3 1.0
Svizzera 2.2 0.1
Riscaldamento Italia 17.0 8.5 (*) 4.9
Svizzera 38.2 97.0(**) 0.7

*studio del Politecnico di Milano per AIRU, i cui risultati sono riportati anche qui** studio Eawag, i cui risultati sono riportati qui.

 

Riferimenti

Eggimann S, Vivian J, Chen R, Orehounig K, Patt A. The potential of lake-source district heating and cooling for European buildings. Energy Conversion and Management 283, 116914.

Eawag Fact Sheet. Use of thermal energy from lakes and rivers.

Belliardi M. Riscaldamento e raffrescamento con l’acqua di lago: una tecnologia pronta all’uso.

Dénarié A, Fattori F, Motta M. Valutazione del potenziale di diffusione del teleriscaldamento efficiente sul territorio nazionale – Rapporto 2023. Focus su sistemi di nuova generazione con fonti di calore di scarto e rinnovabile. Disponibile su richiesta su questo sito.

ewz. Lake Zurich lake heat networks.

AIRU. Fiumi e pompe di calore, binomio perfetto.