Pompe di calore ad alta temperatura: tecnologie, sfide e prospettive per l’industria europea

Le pompe di calore ad alta temperatura (High-Temperature Heat Pumps, HTHP) sono una soluzione tecnologica chiave, in grado di generare calore fino a 200 °C, grazie all’uso di energia elettrica e alla valorizzazione del calore di scarto. Tale caratteristica le rende molto adatte a processi industriali legati alla chimica, all’alimentare, alla farmaceutica e alla lavorazione della carta.

Il settore industriale è infatti tra i maggiori consumatori di energia a livello globale, con processi che richiedono calore a temperature medio-alte, spesso ottenuto ancora oggi tramite combustibili fossili. La decarbonizzazione del suddetto comparto è quindi cruciale per raggiungere gli obiettivi climatici europei previsti entro l’anno 2030 ed entro l’anno 2050.

Se fino a qualche anno fa l’uso delle pompe di calore era per lo più confinato ad applicazioni civili e a processi mediamente contraddistinti da temperature basse, oggi si sta assistendo a una rapida evoluzione tecnologica, pronta ad aprire nuove possibilità per la produzione sostenibile di calore industriale.

Principio di funzionamento e applicazioni delle pompe di calore ad alta temperatura

Il principio di base delle HTHP è lo stesso di quello delle comuni pompe di calore: un ciclo termodinamico che trasferisce energia termica da una sorgente a temperatura più bassa verso un fluido di processo a temperatura più alta, sfruttando un refrigerante e un compressore azionato elettricamente.

La differenza sostanziale sta nella presenza di condizioni operative maggiormente gravose, che impongono l’utilizzo di refrigeranti specifici (capaci di resistere a temperature e pressioni elevate senza degradarsi) e componenti progettati per funzionare con efficienza anche a regimi termici impegnativi.

In alcuni casi, per raggiungere temperature significative, si adottano architetture a più stadi o cicli ibridi, che combinano compressione meccanica e trasformazioni termochimiche. Le suddette soluzioni aprono la strada a un uso flessibile delle HTHP in processi che fino a poco tempo fa erano ritenuti difficilmente elettrificabili.

Tali caratteristiche consentono alle macchine in questione di trovare applicazione in vari comparti produttivi. Nell’industria cartaria, ad esempio, l’essiccazione della carta richiede enormi quantità di vapore a temperature comprese tra i 120 °C e i 180 °C. L’integrazione di pompe di calore aiuta a ridurre sensibilmente l’uso di caldaie a gas, con un duplice vantaggio economico e ambientale.

Anche la chimica e la farmaceutica possono beneficiare delle HTHP, poiché molti processi di evaporazione e distillazione si collocano nell’intervallo dei 100 °C – 160 °C. Nel settore alimentare, la pastorizzazione del latte, la produzione di zuccheri o la concentrazione di succhi e derivati richiedono anch’essi calore a temperature medio-alte, spesso prodotto oggi da caldaie tradizionali. Infine, nell’industria metalmeccanica e nei trattamenti superficiali, tali apparecchi possono essere adoperati per riscaldare bagni di lavaggio e pre-trattamento o per supportare fasi di preriscaldo a bassa e media temperatura.

Questa varietà di applicazioni è resa possibile, non solo dalla capacità di produrre calore a temperature elevate, ma anche dall’opportunità di recuperare e valorizzare il calore di scarto generato all’interno degli stabilimenti, chiudendo così i cicli energetici e riducendo il fabbisogno complessivo di energia primaria.

Progetti europei e casi di studio

Per accelerare la diffusione delle pompe di calore industriali, l’Unione Europea ha avviato diverse iniziative di ricerca e dimostrazione. Tra le più significative figurano i progetti Push2Heat e SPIRIT, finanziati dal programma Horizon Europe.

Il primo esplora differenti tecnologie attraverso siti dimostrativi, che spaziano dal ciclo a compressione di vapore impiegato in una cartiera tedesca fino all’uso di trasformatori termochimici per applicazioni nel settore chimico belga.

Il secondo si concentra invece sullo sviluppo entro il 2030 di pompe di calore in grado di soddisfare le esigenze industriali fino a 160 °C, con dimostrazioni reali in contesti tipo quello della raffineria di zucchero Tiense Suikerraffinaderij in Belgio.

I progetti appena citati non hanno solo una valenza tecnologica, ma anche culturale: dimostrare concretamente che la sostituzione dei sistemi tradizionali con le HTHP è possibile, conveniente e replicabile, riduce l’incertezza e favorisce la fiducia da parte degli operatori industriali.

Barriere e opportunità secondo l’analisi PESTEL

Un’indagine condotta in diversi Paesi europei ha evidenziato punti di forza e criticità attraverso il cosiddetto modello PESTEL, che considera fattori politici, economici, sociali, tecnici, ambientali e legali.

A livello politico, la mancanza di una strategia unitaria e la scarsa visibilità delle pompe di calore nei piani nazionali di decarbonizzazione ne rallentano l’adozione. L’aspetto economico rappresenta forse la barriera più rilevante: i costi iniziali sono elevati e i prezzi dell’elettricità spesso sfavorevoli rispetto al gas. Lato sociale, invece, emerge una certa resistenza culturale, con limitata consapevolezza del potenziale di queste tecnologie.

Le sfide tecniche riguardano la scarsità di personale specializzato, le difficoltà di integrazione con impianti esistenti e la compatibilità con reti di distribuzione del vapore. Vi sono inoltre incertezze normative legate all’uso dei refrigeranti e alla classificazione del calore di scarto, che rendono complessa la pianificazione degli investimenti.

Accanto alle barriere si intravedono però numerose opportunità. Cresce infatti il supporto politico, con meccanismi di finanziamento mirati e un quadro normativo in evoluzione. Le tecnologie stanno raggiungendo la maturità commerciale, con soluzioni già disponibili nel mercato. Inoltre, si stanno affermando modelli di business innovativi tipo l’Heat-as-a-Service, che consente alle imprese di acquistare calore come servizio senza dover sostenere direttamente i costi di investimento.

Politiche europee e incentivi

L’Unione Europea sta via via inserendo le pompe di calore ad alta temperatura nelle strategie di decarbonizzazione. Il Clean Industrial Deal, ad esempio, promuove l’elettrificazione dei processi industriali e la valorizzazione del calore di scarto. Strumenti come l’Innovation Fund Auction for Industrial Process Heat e il nuovo quadro sugli aiuti di Stato riconoscono esplicitamente il ruolo delle HTHP e prevedono incentivi dedicati.

Proprio attraverso queste stesse misure, si sta creando un contesto nel quale l’adozione di tecnologie elettrificate non penalizza le imprese, ma diventa un’opportunità per migliorare la competitività, ridurre i costi a lungo termine ed emanciparsi dalla volatilità dei mercati dei combustibili fossili.

Insomma, le pompe di calore ad alta temperatura sono oggi una tecnologia matura, capace di sostituire progressivamente le caldaie fossili nei processi industriali più comuni. Grazie al sostegno politico, ai casi studio già operativi e ai progressi tecnici, si trovano in una fase di passaggio dal laboratorio al mercato.