Teleriscaldamento. Un confronto con impianti innovativi

Al fine di trattare la tematica è stato preso in esame un caso reale di studio reale, oggetto di un incarico di consulenza tecnica, nei riguardi di un complesso residenziale sito in provincia di Milano e servito da sistema di teleriscaldamento condominiale.

Lo studio è stato condotto confrontando il costo di gestione energetica e la richiesta di approvvigionamento di energia termica fornita da teleriscaldamento condominiale con quelli dei potenziali sistemi alternativi di produzione energetica decentralizzati e a servizio del singolo complesso edilizio.

Le proposte di intervento sono state inoltre oggetto di una valutazione di fattibilità tecnico-economica con definizione dei tempi di ammortamento degli investimento previsti successivamente alla interruzione del servizio di teleriscaldamento condominiale ad oggi in essere.

Valutazione in merito al Teleriscaldamento condominiale: Introduzione allo studio condotto.

Lo studio è stato condotto in virtù di una reale richiesta del condominio di un complesso edilizio sito nella provincia di Milano, il quale sensibile ai considerevoli costi annuali di gestione del servizio di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria, ha richiesto una valutazione di tipo tecnica ed economica al fine di individuare delle soluzioni alternative all’attuale impianto di produzione calore alimentato da rete di teleriscaldamento cittadino (Milano) al fine di consentire una riduzione dei costi del servizio suddetto.

Pertanto, tenuto conto degli importanti sviluppi intervenuti in questi anni sul fronte dei generatori di calore sia alimentati a gas naturale (e.g. caldaie a condensazione) o elettricamente (e.g. impianti geotermici a bassa entalpia) si confrontano due differenti soluzioni impiantistiche finalizzate alla sostituzione dell’attuale sistema di produzione calore.

Una volta accertata la fattibilità tecnica dell’intervento proposto si è proceduto ad effettuate una valutazione energetica-ambientale ed economica dell’investimento stimando i tempi di ammortamento dell’investimento stesso.

Sottostazione teleriscaldamento condominiale e descrizione del complesso edilizio e degli apparati impiantistici tecnologici

Il complesso edilizio oggetto dello studio è sito nella provincia di Milano e destinato esclusivamente ad attività di tipo civile residenziale. Tale complesso, costituito da due corpi di fabbrica distaccati tra loro e composti ciascuno da otto livelli fuori terra, è stato realizzato tra il 1960 e 1970 ed è caratterizzato da un involucro edilizio tradizionale in muratura non dotato di coibentazione termica.

I serramenti sono del tipo a taglio termico e vetro camera. L’impianto di produzione calore a servizio del suddetto complesso è costituito sostanzialmente da due distinte sottostazioni di scambio termico alimentate da acqua surriscaldata da servizio di teleriscaldamento condominiale.

Una prima sottostazione è a servizio del sistema di riscaldamento ambientale e la seconda sottostazione è a servizio del sistema di produzione acqua calda per uso igienico sanitario (ACS).

Ogni sottostazione è costituita da uno scambiatore di calore del tipo in acciaio a piastre alimentato sul circuito primario da acqua surriscaldata proveniente da rete di teleriscaldamento cittadino e sul circuito secondario da acqua costituente il fluido termovettore dell’impianto interno di riscaldamento o produzione ACS.

Inoltre, ogni sottostazione di scambio è dotata di un sistema di termoregolazione incarico di adeguare le portate sul circuito primario in funzione dell’effettiva richiesta termica registrata sul circuito secondario. In Fig.1 si riporta un esempio di sottostazione attualmente impiegata.

Fig.1 – Esempio di sottostazione di scambio calore da teleriscaldamento

I terminali di emissione interni sono costituiti pannelli radianti a pavimento impieganti come fluido termovettore acqua con temperatura di mandata di 40°C e ritorno in centrale di 30°C. La produzione di acqua calda sanitaria avviene mediante uno scambiatore ad accumulo termico ad asse verticale dal volume di 4000 litri.

Al fine di prevenire eventuali fenomeni di legionella la temperatura di accumulo dell’ACS, è impostata a valore di temperatura non inferiori a 75°C. Tale livello termico consente inoltre di garantire una adeguata riserva di energia termica nei periodi di maggiore prelievo.

L’acqua calda sanitaria in ogni caso viene inviata alle utenze ad una temperatura non superiore a 48°C grazie all’impiego di una termovalvola miscelatrice.

Analisi del fabbisogno di energia termica

Sono stati analizzati i dati di richiesta energetica mensile forniti dal gestore del servizio di rete all’amministrazione del condominio dall’anno 2009 al 2014. Il singolo valore mensile fornito è comprensivo sia del contributo di richiesta energetica derivante dall’impianto di riscaldamento sia di quello derivante dal contributo per la produzione di ACS.

La richiesta mensile di energia termica totale è riportata nel grafico di fig.2 per gli anni suddetti.

Fig.2 – Andamento mensile richiesta energia termica anni 2009-2014

Ai fini dello studio, considerata la ripetibilità annuale ciclicamente omogenea della richiesta energetica mensile negli anni analizzati, apprezzabile dallo stesso grafico di fig.2, è stato considerato un singolo anno solare di riferimento che intercorre dal mese di giugno 2013 fino a giugno 2014.

Nel grafico di fig.3, oltre al valore di energia termica totale richiesta, si riportano i valori di richiesta energetica effettiva nelle differenti componenti ovvero energia termica per riscaldamento ed energia termica per produzione di acqua calda sanitaria.

Il valore di richiesta di energia termica per la produzione di ACS mensile è stato derivato a partire dai dati di prelievo energetico nel mese immediatamente successivo alla sospensione del servizio di riscaldamento ambientale (da maggio a settembre).

Tali valori, che si mantengono in modo pressoché costante durante i mesi suddetti in assenza di riscaldamento ambientale, sono stati confrontanti con i mesi degli altri anni in esame (dal 2009 al 2014) in modo da ottenere un valore medio ripetibile per i mesi dell’anno il cui valore non è noto, ipotizzando che la richiesta di ACS in tali mesi sia all’incirca costante dato che l’occupazione degli edifici da parte dei condomini è a carattere continuativo.

Nell’anno in esame la richiesta complessiva di energia termica è risultata essere di 2.081 MWh.

Fig.3 – Richiesta di energia termica mensile per l’anno solare di riferimento 2012/2013 nelle diverse componenti (riscaldamento ambientale e produzione di ACS)

Descrizione degli interventi proposti

Sono state proposte due soluzioni alternative che prevedono la sostituzione del sistema di produzione calore esistente. Tali soluzioni vengono argomentate a seguire:

• Soluzione ‘’A’’ – Dismissione totale dell’attuale sottostazione di scambio calore esistente con interruzione totale del servizio di teleriscaldamento condominiale. In sostituzione si prevede l’installazione di n.2 due generatori termici ad alta efficienza a condensazione alimentati a gas naturale rispettivamente a servizio del riscaldamento ambientale e alla produzione di ACS.

I due generatori suddetti sono inoltre del tipo a modulazione di potenza termica con mantenimento di elevati livelli di efficienza energetica anche a basso fattore di carico. Sono caratterizzati da una potenza nominale di 700 kW (generatore a servizio del riscaldamento ambientale) e di 250 kW (generatore a servizio della produzione ACS).

Per il generatore di calore a condensazione a servizio dell’impianto di riscaldamento si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 1,05 in relazione alle specifiche tecniche del generatore e delle condizioni operative. Per il generatore di calore a condensazione a servizio del sistema di produzione di acqua calda sanitaria si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 0,96 .

• Soluzione ‘’B’’ – Anche in questo caso si è proposto la dismissione totale dell’attuale sottostazione di scambio calore esistente con interruzione totale del servizio di teleriscaldamento. In sostituzione si prevede l’installazione di n.2 due generatori termici di cui il primo a pompa di calore acqua/acqua dalla potenza termica complessiva di 700 kW (n.2 macchine in funzionamento in parallelo da 350 kW/cad) e impiegante come sorgente termica acqua di falda. Tale generatore è a servizio solo del sistema di riscaldamento ambientale

Il secondo generatore termico è del tipo ad alta efficienza a condensazione e della potenza di 250 kW. Tale generatore è a servizio esclusivo del sistema di produzione dell’acqua calda sanitaria.

Per la pompa di calore si è ipotizzato, sulla base delle specifiche tecniche del fabbricante e alle condizioni di operatività, un valore medio di COP di 3.8, supposto costante durante il periodo di funzionamento invernale in virtù della quasi invariabilità della temperatura di acqua di falda da cui attingerebbe la pompa di calore (valore prossimo a 14°C/15°C per l’intero periodo annuale).

Anche in questo caso, come per la soluzione ‘’A’’, per il generatore di calore a condensazione a servizio del sistema di produzione di acqua calda sanitaria si è stimato un valore di rendimento medio stagionale di 0,96 .

Entrambe le soluzioni (‘’A’’e‘’B’’), in termini di produzione di energia termica per il riscaldamento ambientale, basano la loro efficacia sulla produzione di fluidi termovettori a bassa temperatura in virtù al fatto che tale livello termico è compatibile con gli esistenti sistemi di riscaldamento a pavimento radiante.

Come noto, quanto più basse sono tali temperature, tanto maggiore è la percentuale del funzionamento annuo in condizione di condensazione, maggiore è il grado di rendimento e quindi l’economicità di esercizio dell’impianto.

Con il riscaldamento a pannelli dove le temperature di ritorno si aggirano al di sotto dei 40°C, si ottiene il maggiore grado di rendimento annuale, in quanto a queste temperature il funzionamento del riscaldamento consente per tutto l’anno lo sfruttamento della tecnologia della condensazione.

Analogamente tale condizione di operatività risulta essere necessaria anche nel caso dei sistemi di generazione a pompa di calore affinché possa essere esaltata l’efficienza delle stesse tecnologie impiantistiche e quindi operare con valori di COP elevati.

Teleriscaldamento (non solo costi): Analisi Ambientale

L’analisi delle emissioni inquinanti dei vari sistemi viene condotta sulla base dei valori ottenibili, riportati nella letteratura tecnica per i vari sistemi.

Le sostanze inquinanti prese in considerazione sono l’ossido di carbonio (CO) e gli ossidi di azoto (NOx). Per semplicità tutti i dati sono stati riportati ad un’unica unità di misura, vale a dire mg/kWht termico prodotto, ovvero in mg/MJt (Tab. I): ciò consente di evitare precisazioni e confusione di riferimenti a massa di emissione inquinante per unità di volume di fumi che richiede poi di precisare non solo in maniera ovvia temperatura e pressione di questi, ma anche un eguale eccesso d’aria di riferimento.

La Tab. I fornisce il campo di emissioni inquinanti che si incontra per i vari sistemi. Mentre non vi sono problemi interpretativi per i valori relativi alle caldaie e alle pompa di calore a gas, si deve precisare che per i sistemi cogenerativi viene imputata alla parte termica la frazione dell’emissione inquinante complessiva pari alla quota termica sull’energia utile totale. Per quanto riguarda il ciclo combinato in produzione elettrica pura, il valore dell’emissione inquinante per unità di energia elettrica prodotta serve a quantificare le emissioni inquinanti per le pompe di calore elettriche.

Il confronto mostra l’attuale grande superiorità dell’ultima generazione di caldaie a condensazione con bruciatore a microfiamme e premiscelazione totale, sia nei confronti della CO che degli NOx. Per le caratteristiche sfavorevoli dei motori a c.i., risultano molto penalizzanti sotto il profilo dell’inquinamento ambientale sia il teleriscaldamento con motori alternativi che con turbogas che le pompe di calore a motore.

Perché questi sistemi possano avvicinare il comportamento positivo delle nuove caldaie a condensazione, risulta indispensabile un adatto trattamento dei fumi dopo la combustione con catalizzatore ossidante per la CO ed eventualmente riduttore per gli NOx: in ogni caso non si riesce a raggiungere i valori ormai ridottissimi consentiti dalle nuove tecnologie di combustione negli apparecchi di piccola capacità .

Tab. I – Valori di emissione a confronto con diversi sistemi di generazione

Analisi Economica e valutazione dei tempi di ammortamento dell’investimento

Per l’anno in esame la richiesta complessiva di energia termica è risultata essere di 2.081 MWh corrispondente ad un costo annuale totale di € 220.210 considerando un costo medio di acquisto dell’energia termica dal servizio di teleriscaldamento di circa 0,11 c€/kWh (inclusa al IVA 10%) – [costi teleriscaldamento].

Per il gas naturale si è stimato un costo di acquisto, complessivo di oneri, di 0,80 c€/Sm³. Mentre per l’energia elettrica si è ipotizzato un costo di 0,2 c€/kWh anch’esso comprensivo di oneri fiscali. Nel grafico di fig.4 , affiancati ai dati di richiesta energetica relativa allo stato di fatto, si riportano le proiezioni di costo energetico di approvvigionamento nell’ipotesi dell’attuazione o della soluzione ‘’A’’ o della soluzione ‘’B’’.

Come si denota, per quanto concerne la soluzione ‘’A’’, mediamente la riduzione del costo annuale energetico complessivo è del 26,1% pari ad un risparmio annuale di € 57.503.

Relativamente alla soluzione ‘’B’’ la riduzione complessiva annuale del costo energetico è di € 94.612 equivalente ad un risparmio percentuale annuale complessivo del 43,0% con una percentuale di risparmio massimo stimata nel mese di gennaio del 47,2%.

Sempre dal grafico di fig.4 si nota che nei mesi in cui per assenza di richiesta il servizio di riscaldamento ambiente è sospeso e quindi l’impianto è interpellato solo ai fini della produzione di ACS, seppure in piccola entità, si ha una maggiore convenienza dell’attuale servizio di teleriscaldamento rispetto alle soluzione ‘’A’’ e ‘’B’’.

I costi stimati di investimento relativamente alla soluzione ‘’A’’, consistente nella installazione dei nuovi generatori a condensazione e dell’intera impiantistica a corredo sono stimabili in € 225.000 (importo comprensivo di IVA 10%). Senza considerare eventuali incentivi a supporto dell’investimento, il tempo di ammortamento risultante è pertanto di 3,8 anni per tale soluzione.

Invece, i costi stimati di investimento relativamente alla soluzione ‘’B’’, consistente nella installazione dei nuovi generatori a pompa di calore, del generatore a condensazione per l’ACS, opere di trivellazione e dell’intera impiantistica a corredo è stimabile in € 300.000 (importo comprensivo di IVA 10%). Anche in questo caso senza considerare eventuali incentivi a supporto dell’investimento, il tempo di ammortamento risultante per tale soluzione è di 3,2 anni.

Fig.4 – Costo energetico mensile per l’anno di riferimento oggetto di studio – Nuovi scenari di costo energetico offerte dalle soluzioni ‘’A’’ e ‘’B’’

Teleriscaldamento pro e contro. Sintesi dello studio

Lo studio condotto ha messo in evidenza che il teleriscaldamento, pur consentendo indubbi vantaggi dal punto di vista energetico rispetto alla generazione separata di pari quantità di energia termica ed elettrica, risulta spesso meno efficiente rispetto alle moderne tecnologie per il riscaldamento ambientale; le caldaie a condensazione garantiscono efficienze energetiche maggiori rispetto al teleriscaldamento “tradizionale” (turbine a vapore ed a gas), mentre le pompe di calore sono superate in efficienza energetica solo da cicli combinati di ultima generazione.

Il confronto sulle emissioni inquinanti è forse ancora più sorprendente, dal momento che, grazie ai numerosi miglioramenti tecnologici che le caldaie hanno avuto negli ultimi anni di sviluppo (bruciatori low-NOx, modulanti, premiscelati), il loro impiego produce un impatto ambientale decisamente minore delle tecnologie di teleriscaldamento (cicli combinati compresi).

Per superare questo importante gap le centrali di cogenerazione dovrebbero (o dovranno) provvedersi di sistemi di abbattimento degli inquinanti assai più efficaci degli attuali prima dello scarico dei fumi.

Si aggiunga inoltre la considerazione che le centrali di teleriscaldamento sono ormai assorbite all’interno dei nuclei urbani (un po’ a causa dell’espansione di questi ultimi, un po’ per la necessità di dover avere l’utenza termica vicino al luogo di produzione dell’energia), per cui la produzione di inquinanti va ad aggiungersi al già grave problema delle emissioni degli scarichi degli autoveicoli nelle centri abitati.

La convenienza delle soluzioni proposte basate su generazione a condensazione e a pompa di calorerisulta particolarmente interessante in considerazione anche ai ridotti tempi di ammortamento che caratterizzano l’investimento.

Dal punto di vista economico difatti, i risultati in termini di risparmio in costo energetico sono particolarmente perseguibili in virtù sia del risparmio annuo conseguibile sia del tempo di ammortamento inferiori a cinque anni per entrambe le soluzioni di intervento proposte.

Tuttavia è d’obbligo evidenziare che tale analisi è stata condotta prendendo come riferimento un complesso edilizio servito da un impianto impiegante terminali a bassa temperatura, condizione che influenza considerevolmente i rendimenti dei generatori termici suddetti ipotizzati e che quindi condiziona direttamente e sensibilmente i costi energetici.

Lo studio condotto non può essere preso in considerazione e quindi non può fornire quindi dati ripetibili nel caso di sistemi impiantistici impieganti terminali ad alta temperatura come ad esempio nel caso di radiatori di tipo tradizionale operanti con elevati salti termici.

Pertanto, in tale eventualità, in ogni caso non si escludono a priori eventuali vantaggi delle soluzioni proposte nello studio sui sistemi di teleriscaldamento tradizionali ma risulta indispensabile effettuare una attenta e analoga analisi energetica di fattibilità tecnica ed economica.

Bibliografia

[1] “Indagine conoscitiva sul settore del teleriscaldamento – IC 46”, Autorità garante per la concorrenza e il mercato, marzo 2014.

[2] Decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28, Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE (GU n.71 del 28-3-2011).

[3] Decreto legislativo 4 luglio 2014, n. 102, Attuazione della direttiva 2012/27/UE sull’efficienza energetica, che modifica le direttive 2009/125/CE e 2010/30/UE e abroga le direttive 2004/8/CE e 2006/32/CE (GU n.165 del 18-7-2014).

[4] Art. 29 della legge 23 dicembre 2000, numero 388 pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 302 del 29 dicembre 2000 – Supplemento Ordinario n. 219.

[5] AA.VV, ENEA-Regione Lombardia “Elementi di linee guida per la promozione dei sistemi di teleriscaldamento”, marzo 2001.

[6] AA.VV, United Nations Environment Programme 2006, Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, “Thermal Energy Equipment: Waste Heat Recovery”.

[7] “Commission Staff Working Document, Guidance note on Directive 2012/27/EU on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EC, and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC”, article 14 – Commission Guidance, SWD (2013) 449, novembre 2013.

[8] M6 – Energy Distribution: “District Heating and Cooling, Intelligent Energy Europe”, UP-RES (Urban Planners with Renewable Energy Skills) Project, slides del modulo.

[9] Energy Charter Secretariat, “Cogeneration and District Heating Best Practices for Municipalities”, Energy Charter Protocol on Energy Efficiency and Related Environmental Aspects (PEEREA), 2006.

[10]AA.VV., GSE “I Certificati Bianchi, stato dell’arte”, atti convegno Federesco, Roma, giugno 2014.

[11] Renato Lazzrin, Marco Noro, Riscaldamento locale o teleriscaldamento Confronto energetico, ambientale ed economico. Atti convegno AICARR, Padova, giugno 2003.