Fotovoltaico applicato a pompa di calore geotermica: uno studio finlandese per ridurre i costi del riscaldamento di ACS

Il fotovoltaico si sta diffondendo sempre di più nel mondo: attualmente sono infatti installati almeno 627 GWp di capacità totale, ma nonostante l’espansione di questi sistemi persistono ancora delle difficoltà pratiche nell’utilizzo dell’energia solare, per via dell’intermittenza nella produzione energetica causata dalla variazione diurna per le differenze orarie tra domanda e fornitura di elettricità.

Un gruppo di ricercatori della Lappeenranta University of Technology (LUT), in Finlandia, ha provato ad applicare un  sistema fotovoltaico ad una pompa di calore geotermica studiando diversi metodi di controllo per valutarne il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria.

In Finlandia la capacità fotovoltaica è cresciuta rapidamente dal 2015 in poi con alcune differenze territoriali, poiché le diverse latitudini nordiche comportano una maggiore variazione nella lunghezza del giorno, ed è per questo che il fotovoltaico si è diffuso particolarmente nelle zone meridionali del paese.

Negli ultimi anni anche le pompe di calore si sono diffuse in Finlandia, soprattutto nelle nuove costruzione dove costituiscono la principale tecnologia per il riscaldamento domestico,  in sostituzione ai sistemi inquinanti che utilizzano gas e petrolio e mediamente in una famiglia finlandese il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria è l’attività domestica che richiede più energia in assoluto, e rappresenta il 15% dei consumi energetici totali. Sulla base di questa situazione è stata effettuata la ricerca della LUT University, che aveva lo scopo di dimostrare il potenziale del fotovoltaico applicato ad una pompa di calore geotermica tramite lo sviluppo di un metodo di controllo per ridurre il costo del riscaldamento dell'acqua calda sanitaria.

Nell’articolo pubblicato sulla rivista Science viene illustrato il contesto di lavoro e i 4 diversi metodi di controllo presi in esame nel caso di un edificio dotato di pompa di calore geotermica (GSHP) e di impianto fotovoltaico sul tetto con accumulo termico di acqua calda sanitaria.

Il principale metodo di controllo sviluppato in questo studio mira a minimizzare i costi di riscaldamento dell'acqua calda sanitaria utilizzando i dati del mercato elettrico di Nord Pool (una borsa elettrica europea) insieme a un modello di previsione della potenza fotovoltaica.

Il consumo energetico di acqua calda sanitaria è stato calcolato assumendo che nella casa vivesse una tipica famiglia di quattro persone con un consumo di ACS di 200 litri al giorno, presumendo che la temperatura dell'acqua fredda in ingresso fosse di 10 °C e la temperatura dell'acqua calda in uscita fosse di 60 °C (in Finlandia il regolamento edilizio nazionale richiede che la temperatura dell'acqua calda sia di almeno 55 °C e che non superi i 65 °C nelle tubazioni).
Sulla base di queste ipotesi, per la richiesta di acqua calda sanitaria dell'abitazione utilizzata nella simulazione è stato calcolato un valore di di 11,64 kWh al giorno, ed è stato ipotizzato che all’impianto fosse abbinato anche un bollitore di ACS con una capacità di 500 litri. Nelle analisi, l’elettricità proveniente dall’impianto fotovoltaico veniva utilizzata per soddisfare i requisiti del carico statico di base prima di essere disponibile per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria, mentre il riscaldamento degli ambienti è stato escluso dallo scopo di questo studio.

Il lavoro dei ricercatori, che è stato sostenuto dalla Fondazione Nessling e dal Consiglio di ricerca strategica dell'Accademia di Finlandia,  ha ottenuto nel periodo compreso tra giugno e settembre 2020 dei risultati che hanno dimostrato che il metodo di controllo ottimale dei costi sviluppato dai ricercatori riduce efficacemente i costi per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria rispetto agli altri tre casi di controllo analizzati durante lo studio.