Pompe di calore o cogenerazione? Due pratiche virtuose: cosa è preferibile per il clima?

Ennio Macchi - Politecnico di Milano

Il percorso ideale della transizione ecologica prevede l'incremento della domanda elettrica nei settori (riscaldamento, industria, trasporti) in cui oggi dominano le fonti fossili e la contemporanea decarbonizzazione della produzione elettrica. In quest'ottica, la sostituzione di combustibili fossili con il vettore elettrico è ritenuta universalmente un'operazione virtuosa destinata a ridurre le emissioni di CO2.

Esempi tipici su cui si fondano queste speranza sono la sostituzione di vetture a motori endotermici alimentati da combustibili fossili con modelli ad alimentazione elettrica o la sostituzione di caldaie con pompe di calore ad azionamento elettrico. In realtà, Il risultato di queste sostituzioni in termini di emissioni di CO2 evitate è fortemente legato al contesto cui si applica: se l'elettricità utilizzata per queste sostituzioni è generata da fonti rinnovabili o nucleare, le emissioni ad essa associate sono nulle e il beneficio è evidente, mentre se essa comporta un incremento dell'elettricità generata dal parco termoelettrico esistente, il risultato è ben diverso (addirittura negativo se si ricorre a centrali a carbone). Purtroppo, come dimostrano le statistiche internazionali, ad oggi nessun Paese è riuscito a coniugare l'incremento di domanda elettrica con una contemporanea diminuzione di emissioni di CO2. Se ad esempio si esaminano i dati relativi agli ultimi due anni, si vede come nel mondo durante il periodo più acuto della pandemia (primo semestre 2020) siano diminuiti sia la domanda elettrica sia, in maggior misura, le emissioni, ma, all'aumentare della domanda elettrica post-pandemia (primo semestre 2021) le emissioni siano puntualmente tornate a crescere, a un ritmo superiore rispetto alla domanda elettrica. L'interpretazione di questi dati è semplice: quando la domanda elettrica scende, si riduce la produzione delle sole centrali termoelettriche, cresce percentualmente il ruolo delle rinnovabili e le emissioni scendono, quando la domanda sale, aumenta la produzione delle centrali termoelettriche (che purtroppo nel mondo sono prevalentemente alimentate a carbone) e le emissioni salgono. Scopo di questo breve editoriale è discutere quale sia la metodologia per calcolare gli effetti delle diverse tecnologie sulle emissioni di CO2, con particolare riferimento alla realtà del nostro Paese. In particolare, si vuole dimostrare come l'ipotesi più comunemente adottata (riferimento alle emissioni specifiche del mix di generazione, oggi (2019) in Italia pari a 315 gCO2/kWhel) porti a risultati molto diversi rispetto all'ipotesi più realistica di considerare le emissioni del solo parco termoelettrico (pari a 472 gCO2/kWhel). La prima ipotesi premia le tecnologie che implicano maggiori consumi elettrici, la seconda le penalizza, premiando per contro le tecnologie che implicano la produzione di energia, quali la cogenerazione. È utile un richiamo alla storia recente del parco di generazione del nostro Paese: i contributi percentuali al soddisfacimento dei consumi elettrici complessivi da parte delle fonti "zero emission" è sintetizzata per lo scorso ventennio nella figura seguente, che mostra come, dopo alcuni anni (dal 2008 al 2014) caratterizzati da una rapida crescita dei contributi da rinnovabili, negli ultimi 5 anni pre-covid non si sono registrati miglioramenti di sorta. Questo andamento si riflette sull'evoluzione delle emissioni specifiche del parco di generazione italiano, che registra una progressiva diminuzione sia delle emissioni specifiche del parco termoelettrico (ottenuto grazie ai cicli combinati) sia di quelle dell'intero parco (effetto congiunto delle rinnovabili e dei cicli combinati). Come anticipato, sono possibili due ipotesi per valutare la riduzione delle emissioni di CO2 conseguenti all'adozione di una tecnologia: quella, spesso utilizzata, di fare riferimento alle emissioni specifiche dell'intero parco di generazione oppure quella del solo parco termoelettrico. Poiché gli impianti ad energia rinnovabile hanno priorità di dispacciamento, essi tendono ad operare sempre alla massima potenza consentita dalle condizioni climatiche, mentre il compito di bilanciare produzione e domanda nella rete è interamente affidato ai gruppi termoelettrici, che sono in grado di modulare la loro potenza. In queste condizioni, ogni richiesta "aggiuntiva" di potenza comporta un maggior carico alle centrali termoelettriche o, viceversa, ogni immissione "aggiuntiva" di potenza comporta una diminuzione di carico per le centrali termoelettriche. Per meglio comprendere l'effetto delle due diverse ipotesi sulla riduzione delle emissioni di CO2, consideriamo due esempi:
- La sostituzione di una moderna caldaia a condensazione alimentata a gas naturale (rendimento medio annuo pari a 95%) con una pompa di calore ad azionamento elettrico;
- La sostituzione della stessa caldaia con un cogeneratore alimentato a gas naturale, avente un rendimento totale (termico+elettrico) del 90%.

Nel primo caso, si ottengono i risultati rappresentati nelle figure 5 e 6: se si fa riferimento alle emissioni medie dell'intero parco di generazione (fossili+rinnovabili), la sostituzione comincia a ridurre le emissioni di CO2 già a valori di COP molto bassi (>1,6) e raggiunge un abbattimento del 60% con COP dell'ordine di 4; se si adotta l'approccio più realistico, i primi effetti positivi si ottengono solo a partire da COP > 2,5 e con COP pari a 4 la riduzione scende dal 60 al 40%. Gli effetti della sostituzione di una caldaia con un cogeneratore sono indicati nella figura seguente: le conseguenze delle due diverse ipotesi sono opposte rispetto al caso precedente. Se si assumono le emissioni specifiche del mix di generazione, i vantaggi sono relativamente modesti: un ottimo cogeneratore con rendimento elettrico pari al 40% consente una diminuzione delle emissioni del 30%, la metà di quanto consenta una pompa di calore elettrica con COP pari a 4. Per contro, le stesse tecnologie (pompe di calore con COP=4 e cogeneratore con rendimento elettrico= 40%) con l'altra ipotesi forniscono risultati assai diversi in termini di emissioni: -40% nel primo caso, - 90% nel secondo caso. In altri termini, il confronto fra un'ottima pompa di calore (COP medio=4) e un ottimo cogeneratore (rendimento elettrico =40%, rendimento totale=90%) è totalmente a favore del cogeneratore. Infatti, la pompa di calore evita le emissioni della caldaia sostituita, ma causa un incremento delle emissioni del parco termoelettrico nazionale, laddove il cogeneratore genera emissioni di CO2 in loco superiori a quella della caldaia che sostituisce, ma contestualmente evita un'emissione significativa del parco centrali. Il bilancio finale mostra un abbattimento delle emissioni di CO2 complessive da parte del cogeneratore più che doppio rispetto a quello della pompa di calore.