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Impatto ambientale e sanitario delle caldaie per l’acqua calda sanitaria nelle aree urbane: Un caso di studio di Torino, NW Italia.Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI), Politecnico di Torino, corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italia; ti.otilop@anivar.ocram (M.R.); ti.otilop@inirebmag.aznatsoc (C.G.)Licenziatario MDPI, Basilea, Svizzera. Questo articolo è un articolo ad accesso libero distribuito secondo i termini e le condizioni della licenza Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Abstract.Le pompe di calore per l’acqua calda sanitaria (HP) si sono diffuse rapidamente negli ultimi anni in Europa e rappresentano oggi un’interessante opportunità per l’implementazione delle fonti di energia rinnovabile negli edifici con un sistema di riscaldamento centralizzato/distrettuale, dove l’acqua calda sanitaria è generalmente prodotta da una caldaia a gas o da uno scaldabagno elettrico. La sostituzione di questi apparecchi comporta diversi vantaggi ambientali, tra cui l’eliminazione delle fonti di inquinamento atmosferico e la riduzione delle emissioni di gas serra (GHG). In questo lavoro, presentiamo la valutazione tecnico-economica e ambientale dell’implementazione di scaldacqua a gas a Torino, dove il 66% della domanda di acqua calda sanitaria è coperta da caldaie a gas dedicate. L’impatto di tali caldaie è stato valutato attraverso una modellazione numerica della dispersione atmosferica condotta con il software SPRAY (Aria Technologies, Parigi, Francia). I risultati mostrano che la rimozione di queste fonti ridurrebbe le concentrazioni medie annue di NOx fino a 1,4 µg/m 3 , cioè circa l’1% delle concentrazioni di NOx monitorate, con un beneficio di 1,05 ÷ 15,15 M€/a di esternalità sanitarie evitate. La sostituzione delle caldaie con i boiler per l’acqua calda sanitaria è sempre finanziariamente fattibile con gli attuali incentivi mentre, in loro assenza, sarebbe conveniente per le unità residenziali con 3 o più conviventi (51,22% della popolazione totale), grazie alle economie di scala.Parole chiave: acqua calda sanitaria, pompa di calore, inquinamento ambientale, modellazione della dispersione atmosferica, salute ambientale.1. Introduzione.Nonostante gli innegabili miglioramenti ottenuti negli ultimi decenni nei Paesi sviluppati, la qualità dell’aria è ancora critica in molte aree urbane del mondo. Le aree urbane hanno un’alta densità di popolazione e, quindi, un’elevata intensità spaziale di diversi processi che possono influire negativamente sulla qualità dell’aria: traffico automobilistico, sistemi di riscaldamento, uso di solventi e altre sostanze nocive, processi industriali, centrali termoelettriche, ecc.Il miglioramento della qualità dell’aria nelle città dei Paesi sviluppati può essere generalmente attribuito a due fattori principali: l’introduzione di standard sempre più severi per le emissioni dei veicoli, come gli Euro I-VI introdotti a partire dal 1992 [1], e la progressiva eliminazione del riscaldamento a carbone e a olio [2]. L’introduzione massiccia del riscaldamento a gas ha ridotto drasticamente le emissioni di particolato (PM) e di ossidi di zolfo (SOx) [3,4], ma le emissioni di ossidi di azoto (NOx) sono ancora elevate a causa del traffico e delle caldaie a gas, che hanno una qualità complessiva bassa a causa della lentezza del rinnovo [5,6].Il problema della qualità dell’aria interagisce fortemente con il cambiamento climatico, e questo vale anche per la produzione di calore. Ad esempio, una sostituzione massiccia di caldaie a combustibili fossili con caldaie a legna comporterebbe una forte riduzione delle emissioni di gas serra (GHG), ma recenti esperienze come quella di Salonicco [7,8,9] hanno evidenziato l’insostenibilità dell’impatto sulla qualità dell’aria in termini di PM e idrocarburi policiclici aromatici. L’impatto positivo delle pompe di calore (l’altro principale contributore del riscaldamento rinnovabile) sul cambiamento climatico e sull’inquinamento atmosferico dipende fortemente dai rispettivi fattori di emissione dell’elettricità e dalla loro efficienza energetica [10,11,12,13]. Con un ragionamento più rigoroso, tale impatto dipende dal fattore di emissione marginale della produzione di elettricità necessaria per alimentare le pompe di calore. Il fattore di emissione marginale potrebbe essere molto diverso da quello medio, ad esempio Lombardi et al. [14] hanno evidenziato che la sostituzione della cucina a gas in Italia con induzioni elettriche introdurrebbe forti picchi di carico sulla rete nazionale che, attualmente, sono coperti da fonti ad alta intensità di carbonio. D’altra parte, le pompe di calore sono ampiamente riconosciute come un modo efficiente per accumulare energia, ad esempio per assorbire i picchi di produzione delle fonti rinnovabili [15,16,17].Oltre alle pompe di calore, l’altro pilastro della produzione sostenibile di calore è rappresentato dal teleriscaldamento [18]. Il teleriscaldamento offre diversi vantaggi dal punto di vista energetico, climatico e della qualità dell’aria: integrano diverse fonti di calore, tra cui la biomassa legnosa, le pompe di calore, gli inceneritori di rifiuti solidi urbani e il calore di scarto industriale, in particolare per le reti di teleriscaldamento (DH) a bassa temperatura [19], la produzione combinata di calore ed elettricità implica un uso migliore dei combustibili fossili rispetto alla produzione separata di calore ed elettricità [20,21], e i fattori di emissione di inquinanti atmosferici come gli NOx sono molto più bassi grazie a misure di abbattimento che non potrebbero essere tecno-economicamente fattibili alla scala di una singola caldaia [22,23].I benefici del teleriscaldamento sulla qualità dell’aria a livello locale sono ben noti e dimostrati in letteratura. Ravina et al. [24] hanno recentemente studiato i benefici della rete di teleriscaldamento di Torino, la più grande d’Italia con 1,7 GW di potenza termica installata e 68,9 Mm 3 di volume riscaldato servito [25,26]. La riduzione media della concentrazione nell’area urbana di Torino è stata stimata in 0,5-8 µg/m 3 di NOx e 0,1-0,3 µg/m 3 di particolato totale sospeso (TSP). Il modello DIATI Dispersion and Externalities Model (DIDEM) [27] ci permette di stimare il danno economico legato agli effetti sulla salute dell’inquinamento atmosferico, o il beneficio economico dovuto alle emissioni evitate, sulla base del metodo ExternE. I risultati per la rete DH di Torino sono compresi tra 3,88 M€/anno e 85,65 M€/anno, a seconda delle ipotesi sulle diverse relazioni inquinanti-risultati [27]. Il DIDEM è stato recentemente utilizzato anche per valutare la futura espansione della rete di riscaldamento centralizzato di Torino [28], la localizzazione alternativa delle centrali elettriche [29] e l’applicazione di diversi modelli di dispersione degli inquinanti [30].I sistemi di riscaldamento centralizzati, tuttavia, non coprono generalmente la domanda di acqua calda sanitaria (ACS), che viene prodotta individualmente in ogni proprietà con caldaie a gas o elettriche dedicate. Le caldaie elettriche sono critiche per diversi fattori, tra cui le elevate emissioni di gas serra per la produzione di energia elettrica e lo sfruttamento intensivo della potenza disponibile, ovvero circa 1 kW sulla tipica utenza residenziale da 3 kW. D’altra parte, le caldaie a gas per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) producono inquinamento su scala locale a causa delle loro emissioni di NOx e CO. La quota dell’acqua calda sanitaria sulla domanda totale di energia termica degli edifici è destinata ad aumentare in futuro, poiché la domanda di riscaldamento degli ambienti ha ampi margini di riduzione grazie a un migliore isolamento di pareti e finestre [12], mentre la domanda di acqua calda sanitaria ha margini di riduzione inferiori (abitudini personali, lavastoviglie, rubinetti a risparmio energetico e soffioni della doccia) [31].Le pompe di calore per gli edifici sono in rapida crescita in Europa, passando da 2,2 milioni di unità nel 2007 a 9,5 milioni nel 2016 (+17,6% di crescita annua) installate nell’Unione Europea [32]. La maggior parte delle pompe di calore installate sono reversibili per il riscaldamento e il raffreddamento e non sono disponibili statistiche sulla quota di pompe di calore che includono la produzione di acqua calda sanitaria. Tuttavia, le pompe di calore dedicate alla produzione di acqua calda sanitaria sono cresciute rapidamente negli ultimi tempi: l’aumento dell’11,2% annuo dal 2007 al 2011 (da 179.000 unità installate a 274.000 nel 2011) è recentemente raddoppiato (22,1% annuo da 274.000 nel 2011 a 743.000 nel 2016) [32].In questo lavoro, i benefici della sostituzione delle caldaie a gas ed elettriche per la produzione di acqua calda sanitaria con pompe di calore sono valutati in modo esaustivo dal punto di vista delle emissioni evitate di inquinanti atmosferici a scala locale e dell’impatto monetario che ciò avrebbe sulla salute della popolazione. Sebbene non sia l’obiettivo di questo lavoro, viene affrontato anche l’aspetto finanziario della sostituzione dei sistemi di acqua calda sanitaria esistenti con pompe di calore, al fine di valutare la fattibilità economica della soluzione proposta.Le alternative alle pompe di calore per sostituire le caldaie a gas sono i pannelli solari termici e gli scaldacqua elettrici, entrambi privi di emissioni inquinanti in loco. Tuttavia, la fattibilità tecnica dell’installazione di pannelli solari termici è ostacolata da diversi fattori, come la disponibilità di spazio per installare un numero di pannelli sufficiente a coprire l’intero fabbisogno, la necessità di installare un sistema di ACS centralizzato sfruttando lo spazio comune sul tetto e le restrizioni sugli edifici storici. Gli scaldacqua elettrici non sono stati presi in considerazione in questo studio perché aumentano significativamente le emissioni e i costi complessivi per la produzione di acqua calda sanitaria.Il documento è strutturato come segue. La Sezione 2 presenta i dati di input della domanda stimata di ACS nel comune di Torino, identificando la quota coperta da caldaie dedicate (e non da una caldaia combinata per il riscaldamento degli ambienti e l’ACS), al fine di ricavare le emissioni di NOx e CO che sarebbero evitate con l’introduzione delle pompe di calore (Sezione 2.1). Il modello di dispersione dell’aria implementato in SPRAY è presentato nella Sezione 2.2, mentre una sintesi sul modello DIDEM è presentata nella Sezione 2.3. Il metodo utilizzato per la valutazione finanziaria è presentato nella Sezione 2.4. La Sezione 3 presenta i risultati in termini di distribuzione spaziale delle concentrazioni di NOx e CO (Sezione 3.1), confrontandoli con i dati della rete di monitoraggio della qualità dell’aria (Sezione 3.2) e valutando le esternalità sanitarie con il modello DIDEM (Sezione 3.3). La valutazione della fattibilità finanziaria è presentata nella Sezione 3.4. La Sezione 4 riporta le conclusioni di questo lavoro.2. Dati di input e metodologia.Gli impatti ambientali di NOx e CO prodotti dalle caldaie a gas per la produzione di acqua calda sanitaria sono stati studiati nel comune di Torino per l’anno 2015. In un primo momento, sono stati recuperati i dati relativi al tipo di impianto di produzione di acqua calda sanitaria (centralizzato o autonomo) installato in ogni abitazione e alla fonte energetica utilizzata. Queste informazioni, insieme alla distribuzione territoriale della popolazione, sono state utilizzate per calcolare il fabbisogno di acqua calda sanitaria della popolazione torinese e, successivamente, gli scarichi di massa di NOx e CO emessi dalle caldaie a gas (paragrafo 2.1). Questi valori di scarico sono stati suddivisi in 184 sorgenti areali virtuali (una per km 2 di superficie) sulla base della distribuzione spaziale della popolazione torinese, ricavando così l’input per il modello di dispersione atmosferica (Sezione 2.2). Le concentrazioni di inquinanti atmosferici risultanti rappresentano l’input di un modello di impatto sulla salute pubblica (Sezione 2.3). Infine, nella Sezione 2.4 viene effettuata un’analisi finanziaria costi-benefici per valutare la fattibilità economica della sostituzione delle caldaie a gas con pompe di calore ad aria per la produzione di acqua calda sanitaria.2.1. Valutazione della domanda di acqua calda sanitaria per le caldaie a gas dedicate.Al fine di ridurre l’impatto della produzione di acqua calda sanitaria separatamente dal riscaldamento degli ambienti, è necessario considerare le diverse opzioni per la produzione di acqua calda sanitaria, ovvero (1) produzione di acqua calda sanitaria separata dal riscaldamento degli ambienti, in un sistema di riscaldamento centralizzato (cioè, che serve diverse unità immobiliari), (2) produzione di acqua calda sanitaria separata dal riscaldamento degli ambienti, in un sistema di riscaldamento autonomo (cioè, che serve un’unità immobiliare), (3) produzione di acqua calda sanitaria combinata con il riscaldamento degli ambienti, in un sistema di riscaldamento centralizzato, e (4) produzione di acqua calda sanitaria combinata con il riscaldamento degli ambienti, in un sistema di riscaldamento autonomo.Le opzioni 1 e 4 sono le più frequenti e la nostra analisi si è concentrata sull’opzione 1, poiché è il caso in cui la sostituzione dell’unità di produzione di acqua calda sanitaria è più semplice ed economica, senza alcun intervento sull’impianto di riscaldamento. Come descritto di seguito, le scelte più comuni per gli apparecchi dedicati alla produzione di acqua calda sanitaria sono le caldaie a gas e, in misura minore, gli scaldabagni elettrici, mentre le pompe di calore sono ancora poco utilizzate. La nostra analisi si è concentrata sulle unità immobiliari in cui l’ACS è prodotta con una caldaia a gas dedicata, perché lo scopo di questo lavoro è valutare l’impatto evitabile sulla qualità dell’aria della produzione di ACS.Le statistiche sulle tecniche di produzione di acqua calda sanitaria a Torino sono state recuperate dal sistema informativo regionale sulla valutazione energetica degli edifici [33], per i quartieri Mirafiori Sud (34.960 abitanti), Nizza Millefonti (34.330 abitanti) e San Salvario (38.110 abitanti). Insieme, queste circoscrizioni rappresentano il 12% della popolazione del comune di Torino. Il database SIPEE contiene informazioni su tutte le unità immobiliari vendute, affittate o ristrutturate a partire dal 2009. Sono state quindi ricavate statistiche sugli impianti di riscaldamento autonomi e centralizzati, sulle tecniche di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria e sulle fonti energetiche (caldaie a gas, caldaie a gas di petrolio liquefatto (GPL), caldaie a gasolio, teleriscaldamento, scaldacqua elettrici, scaldacqua elettrici, pompe di calore). Come mostrato nella Figura 1, le quote di ciascuna fonte energetica utilizzata per la produzione di acqua calda sanitaria sono coerenti tra i diversi distretti, con una netta prevalenza delle caldaie a gas (>60%), un notevole uso di scaldacqua elettrici (nonostante il loro elevato costo operativo) e una quota minore di teleriscaldamento e altre fonti. Gli scaldacqua elettrici sono adottati per la produzione separata di acqua calda sanitaria, ma non sono stati considerati nel nostro studio poiché si ritiene che il loro uso non influisca sulla qualità dell’aria locale come la combustione del gas. Il 66% delle unità immobiliari di Mirafiori Sud ha una caldaia a gas separata per la produzione di acqua calda sanitaria e questa quota è stata considerata rappresentativa di tutta Torino. Una conferma dell’adeguatezza di questa ipotesi è data dalle statistiche sulla rete di teleriscaldamento di Torino, che ha raggiunto i 68,9 Mm 3 di volume riscaldato servito, cioè il 57% del volume riscaldato totale della città [26].