POMPE DI CALORE E GEOTERMIA

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POMPE DI CALORE

POMPE DI CALORE

I cicli più diffusi appartengono a due grandi classi:

• Circuiti a ciclo di compressione meccanica• Circuiti a ciclo di compressione termica o

ad assorbimento

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

CICLO A COMPRESSIONE MECCANICA

Nel ciclo a compressione meccanica si distinguono due rami: uno ad alta pressione (scarico del compressore, condensatore, prima della regolatrice) ed uno a bassa pressione (a valle della regolatrice, evaporatore, aspirazione del compressore).

I compressori che realizzano il ciclo frigorifero, sono quasi sempre direttamente accoppiati ad un motore elettrico. Essi si possono suddividere in due grandi categorie: semiermetici e ermetici. A loro volta entro ciascuna di queste categorie si possono avere compressori alternativi (a pistoni) oppure rotativi (a vite, scroll, ecc.). Attualmente la tecnologia si è concentrata sui compressori rotativi in quanto più silenziosi, affidabili e con buoni rendimenti.

La Figura 1 a pagina seguente descrive il funzionamento del ciclo a compressione meccanica. In essa si vede come nell’ evaporatore 1 il fluido frigorifero riceve il calore dal corpo solido o fluido che si vuol raffreddare, e, assorbendo calore, passa dallo stato liquido a quello di vapore saturo e poi lievemente surriscaldato. In questo stato (gas lievemente surriscaldato) il fluido frigorigeno esce dall’evaporatore 1 e viene aspirato dal compressore 2. Il compressore 2 aumenta la pressione e il surriscaldamento del fluido frigorigeno e lo invia al condensatore 3. Il tratto di tubo che va dal compressore 2 al condensatore 3 è molto caldo (fino a 120 ° C), e ciò è indizio di buon funzionamento dell’impianto.Se questo tubo, toccandolo, risulta freddo, indica un cattivo funzionamento dell’impianto (al compressore torna gas umido e non surriscaldato) con resa molto bassa o nulla e pericolo di rottura delle valvole.

Nel condensatore 3 il gas frigorifero viene prima desurriscaldato e poi condensa, ossia torna allo stato liquido, sotto l’azione combinata della pressione che gli ha impartito il compressore e del raffreddamento operato dall’acqua o dall’aria che circolano nel condensatore asportando il calore dal circuito frigorifero.

Nella grande maggioranza dei casi il liquido condensato viene raccolto per caduta in un serbatoio che è posto sotto il condensatore detto ricevitore di liquido. È evidente come nel condensatore il fluido frigorifero compresso sia soggetto a una pressione più elevata di quella a cui si trova nell’evaporatore. Per inviare il liquido stesso all’evaporatore occorre un organo che riduca la pressione del liquido dal valore che esso ha nel condensatore a quello che avrà nell’evaporatore. Questo organo è la valvola regolatrice o laminatrice 4. In essa il liquido è obbligato a passare attraverso un ugello molto piccolo. Per superare questo ostacolo al liquido occorre dell’energia. Questa energia la fornisce il fluido stesso a spese del proprio calore interno (entalpia), per cui si raffredda, diminuendo la propria pressione.

Questa è la ragione per cui il liquido prima della regolatrice è relativamente caldo mentre dopo di essa è sensibilmente freddo. Se la sua temperatura (che è poi la temperatura di evaporazione) è di 0 ° C o superiore, il tubo dopo la regolatrice è bagnato di condensa, ma se la sua temperatura è inferiore allo 0° C il tubo si copre di brina. Se si tocca il tubo con un dito umido si nota una certa resistenza a staccare il dito dopo qualche secondo perché tra dito e tubo l’umidità è congelata. È un modo molto empirico che si usava una volta per rendersi conto se l’effetto frigorifero fosse buono. Dalla valvola regolatrice 4 il fluido allo stato liquido e freddo passa nell’evaporatore 1 dove riprende il ciclo descritto.

 

Fig.1a: Schema funzionale di compressione meccanica

Fig.1b: Ciclo di compressione meccanica

CICLO AD ASSORBIMENTO

 Il ciclo ad assorbimento ha in comune con quello a compressione meccanica tre componenti: il condensatore, la regolatrice, l’evaporatore, ma ne differisce profondamente per il modo di trasferimento del fluido frigorifero e quindi del calore dall’evaporatore al condensatore e, in certi casi per il livello delle pressioni in gioco.

Nella macchina ad assorbimento sono presenti i cicli di due fluidi: quello del frigorigeno e quello del liquido assorbitore: ad esempio i cicli ammoniaca (frigorigeno) acqua (assorbitore), oppure quello acqua (frigorigeno) e bromuro di litio (assorbitore). I due cicli si intersecano perché il fluido frigorigeno in certe parti del circuito si discioglie nel fluido assorbitore, in altre se ne distacca,e in altre ancora agisce indipendentemente.

Anche nella macchina ad assorbimento si distinguono due rami: uno a maggior pressione ( condensatore e concentratore) e uno a minor pressione ( evaporatore e assorbitore). Nel ciclo ad assorbimento acqua/bromuro di litio, le pressioni, sia nel ramo ad alta che a bassa, sono molto inferiori a quella atmosferica per cui tutta la macchina deve essere stagna e non permettere infiltrazioni d’aria che sarebbero molto nocive. Questa è la ragione per cui gli interventi sulla macchina vanno compiuti da personale non solo specializzato, ma anche attrezzato convenientemente. Il rapporto tra la alta pressione (102 millibar) e la bassa (8,9 millibar) è elevato (11,46millibar). In una macchina funzionante con acqua e ammoniaca i valori delle pressioni in gioco sono simili a quelle di un impianto a compressione meccanica ad ammoniaca,ed agiscono tra gli stessi limiti di temperatura.

Fig.2: Schema funzionale di macchina ad assorbimento

FUNZIONAMENTO E DIIFERENZE TECNICHE

 Vediamo le differenze principali tra le due soluzioni costruttive.

 Il circuito chiuso è costituito da:

Ciclo meccanico Ciclo ad assorbimento

Compressore GeneratoreAssorbitore

Condensatore Condensatore

Valvola di espansione Serie di restrittori

Evaporatore Evaporatore

Ciclo meccanico Ciclo ad assorbimento

Condensazione: il fluido friogeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore al fluido esterno (acqua o aria).

Condensazione: il fluido friogeno, proveniente dal generatore passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore al fluido esterno (acqua o aria)

Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido friogeno liquido si raffredda e si trasforma parzialmente in vapore.

Espansione: passando attraverso dei restrittori, cioè restringimenti opportunamente calibrati, il fluido friogeno liquido si raffredda e si trasforma parzialmente in vapore

Evaporazione: il fluido friogeno assorbe calore dal fluido esterno (aria o acqua) ed evapora completamente ritornando gassoso.

Evaporazione: il fluido friogeno assorbe calore dal fluido esterno (aria o acqua) ed evapora completamente ritornando gassoso.

Compressione: il fluido friogeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene compresso subendo un incremento di pressione (alta pressione) nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.

Assorbitore: il fluido friogeno viene assorbito dal fluido assorbente, rendendolo nuovamente liquido.Generatore: la soluzione liquida dei fluidi friogeno ed assorbente viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido refrigerante, che evapora aumentando di temperatura e pressione.

L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore al fluido friogeno questo nell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore a gas (metano/GPL), il fluido friogeno assorbe calore dal fluido esterno nell’evaporatore e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.

EFFICIENZA DELLA POMPA DI CALOREQuesto “numero” consente di avere un’idea della bontà di funzionamento della macchina e delle possibilità di risparmio energetico che consente di ottenere.Durante il suo funzionamento, la pompa di calore:

Ciclo meccanico Ciclo ad assorbimento

Consuma energia elettrica per il compressore.

Consuma gas metano/ GPL nel generatore.

Assorbe calore nell’evaporazione, dal mezzo circostante che può essere aria o acqua.

Assorbe calore nell’evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua.

Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).

Cede calore al mezzo da riscaldare (aria o acqua) nel condensatore.

Il vantaggio nell’impiego della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella impiegata per il suo funzionamento in quanto è in grado di estrarre calore dall’ambiente esterno (aria o acqua).

EFFICIENZA DELLA POMPA DI CALORE ELTTRICA (Ciclo Meccanico)L’efficienza di una pompa di calore elettrica viene misurato dal coefficiente di prestazione “C.O.P.” che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata per il funzionamento. Attenzione a come si interpreta questo valore, infatti il circuito spiegato in precedenza è molto semplice, ma nella realizzazione pratica entrano in gioco anche pompe di circolazione interne , elettrovalvole , circuiti di controllo , ventilatori di aspirazione e di spinta, ecc., non esiste quindi solo l’energia elettrica consumata dal compressore. La macchina deve essere vista come una scatola nera dalla quale esce, un fluido riscaldato il cui T mi permette di calcolare il calore ceduto e un cavo di alimentazione alla rete elettrica di distribuzione che, con un apposito contatore, permette di leggere la potenza assorbita. Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha in genere, valori differenti a seconda del tipo di soluzione impiantistica adottatata. Valori da considerare sufficienti di C.O.P. (secondo EN255) di pompe di calore sono:

C.O.P Tipologia Descrizione

3.0 Aria-Acqua Con presa d’aria a 2°C e fornitura acqua a 35°C

4.0 Sonda Geotermica-Acqua

Con sonda a 0°C e fornitura acqua a 35°C

4.5 Acqua-Acqua Con acqua di prelievo a 10°C e fornitura acqua a 35°C

Questo significa ad esempio nel caso di pompa di calore aria-acqua che per 1 kWh di energia elettrica consumato, la macchina fornirà 3 kWh di calore al mezzo da riscaldare. L’efficienza sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui viene ceduto il calore nel condensatore e quanto più alta è quello della sorgente da cui viene assorbito nell’evaporatore.Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore. Nel caso della pompa di calore aria-acqua, quando la temperatura della sorgente fredda (aria) risulta compresa tra –2°C e 2°C, la macchina, se non opportunamente aiutata ( preriscaldamento dell’aria), si disattiva in quanto le sue prestazioni si ridurrebbero significativamente.

EFFICIENZA DELLA POMPA DI CALORE (Ciclo ad assorbimento) L’efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del gas “G.U.E.” (Gas Utilization Efficency), che è il rapporto tra l’energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata al bruciatore.Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,5.Questo significa che per 1 kWh di gas consumato fornirà 1.5 kWh di calore al mezzo da riscaldare.La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell’aria di –20°C (20° sotto lo zero) fornendo un’efficienza ancora attorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione.

LA SORGENTE FREDDA La sorgente fredda è il mezzo esterno da cui si estrae calore. Nella pompa di calore il fluido friogeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l’evaporatore. Le principali sorgenti fredde sono: -   L’aria: esterna al locale da riscaldare, tipicamente si utilizza l’aria dell’ambiente esterno.-  L’acqua: di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità. L’acqua accumulata in serbatoi di raccolta e riscaldata dalla radiazione solare.- II terreno, nel quale vengono inserite a profondità variabile delle specifiche tubazioni relative all’evaporatore (tubazioni chiamate sonde geotermiche).

IL POZZO CALDO

L’aria o l’acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo, a questa sorgente si cede il calore prodotto e recuperato dalla macchina.

Ciclo meccanico Ciclo ad assorbimento

Nel condensatore il fluido friogeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l’enerigia fornita dal compressore.

Nel condensatore il fluido friogeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l’energia fornita dal bruciatore.

Il calore può essere trasmesso all’ambiente attraverso:

- Ventilconvettori, costituiti da armadietti nei quali l’aria viene fatta circolare attraverso corpi scaldanti. Questi possono essere di tipo a parete, a soffitto oppure ad incasso.- Impianto a pavimento. Il riscaldamento avviene prevalentemente per radiazione e richiede una temperatura dell’acqua più bassa.- Canalizzazioni: che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali, per mezzo di opportuni canali d’aria e bocchette di diffusione.

TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORELe pompe di calore si distinguono in base alla sorgente fredda ed al pozzo caldo che utilizzano.In funzione del fluido utilizzato per il trasferimento del calore dalla sorgente fredda alla pompa di calore e da questa al pozzo caldo si possono distinguere quattro tipologie:

Sorgente fredda

Descrizione Pozzo Caldo

ARIA-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall’aria (esterna) e lo cede al pozzo caldo costituito dal circuito dell’acqua di riscaldamento degli ambienti. (Meglio se si utilizza un impianto a bassa temperatura).

ARIA-ARIA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente fredda costituita dall’aria (esterna) e lo cede al pozzo caldo costituito ancora dall’aria (quella dell’ambiente riscaldato).

ACQUA-ACQUA la pompa di calore assorbe calore dalla sorgente fredda costituita da acqua (di fiume, lago o falda) o dal suolo(mediante l’impiego di sonde geotermiche e similari) e lo cede al pozzo caldo costituito dal circuito dell’acqua di riscaldamento degli ambienti (Meglio se si utilizza un impianto a bassa temperatura).

ACQUA-ARIA la pompa di calore assorbe calore dalla sorgente fredda costituita da acqua (di fiume, lago o falda) o dal suolo(mediante l’impiego di sonde geotermiche e similari) e lo cede al pozzo caldo costituito dall’aria (quella dell’ambiente riscaldato).

POMPE DI CALORE E RISPARMIO ENERGETICO

Una delle domande frequenti riguarda l’impatto ambientale della macchina.Il quesito è di facile risposta: sottraendo calore all’ambiente, già fin troppo surriscaldato, non facciamo altro

che un favore alla natura, quindi l’impatto ambientale è positivo sia in termini di consumo che di riscaldamento.

La pompa di calore, consente di ottenere una serie di vantaggi che possiamo di seguito brevemente riassumere:

1. Riduzione delle emissioni inquinanti.2. Impianto unico per riscaldamento e raffrescamento con basso impatto visivo e riduzione degli

ingombri.3. Nessun uso di gasolio o del metano per la caldaia, non servono eventuali serbatoi di accumulo4. Risparmio per allaccio gas5. Risparmio per realizzazione canna fumaria6. Risparmio su realizzazione tubazione gas7. Risparmio su canone del contatore del gas8. Si evitano vincoli legislativi riguardo la sicurezza di impianti a gas9. Si evitano adempimenti obblighi manutenzione periodiche caldaie10. Maggior sicurezza e silenziosità funzionamento11. Adattabilità ad ogni tipo di edificio12. Possibilità di ottenere fornitura elettrica per il funzionamento della macchina a prezzi ridotti.13. Possibilità di impiego in qualunque zona.14. Risparmio energetico.

La pompa di calore risulta essere la soluzione ideale per edifici nuovi, ma soprattutto per le ristrutturazioni. Come già accennato il massimo benefit di soluzione impiantistica consiste nell’abbinare una pompa di calore ad un impianto a bassa temperatura 8pavimento radiante, soffitto radiante, parete radiante), in quanto il rendimento di macchina (essendo un ciclo di Carnot dipende dal rapporto tra la temperatura della sorgente fredda e della sorgente calda) è massimo per salti termici contenuti. Tuttavia possiamo applicare la pompa di calore andando a sostituire una caldaia in un impianto esistente che funziona a radiatori:

a) Se ho radiatori a bassa temperatura non ho problemi impiantistici.b) Se ho radiatori normali, devo aumentare il numero di elementi per consentire il funzionamento a bassa temperatura.

La pompa di calore abbinata a radiatori necessita sempre di un accumulo in quanto i radiatori richiedono portata anche quando la macchina è in standby.

La pompa di calore, consente una grande flessibilità di impiego, ideale per tutte le situazioni climatiche.Facendo un’analisi del territorio italiano riguardo l ‘andamento della temperatura media stagionale e del fabbisogno energetico medio annuo, risulta evidente come l’Italia possa considerarsi divisa in te grandi aree climatiche:

•Sud Italia: la soluzione ideale è la pompa di calore aria-acqua, in quanto difficilmente nel periodo invernale si hanno temperature rigide. In alternativa si può usare la pompa di calore acqua-acqua.

•Centro Italia: la soluzione ottimale è la pompa di calore acqua-acqua, ma anche la pompa di calore aria-acqua se opportunamente prevista di resistenze elettriche integrative.

•Nord Italia: la soluzione ottimale è la pompa di calore acqua-acqua, ma si può impiegare la pompa di calore aria-acqua nella soluzione bivalente ovvero integrata da una piccola caldaia (pellet, pellet-mais, legna,gas).

RISPARMIO ENERGETICO

La pompa di calore è sicuramente la risposta migliore al problema del risparmio energetico.Il guadagno è enorme. Dipende sempre dal tipo. Si tratta di energia rinnovabile che si trova dappertutto. Una pompa di calore con calore terrestre prende ca. il 75% dell’energia dal terreno, mentre il 25% dell’energia è elettricità (compressore). Con le pompe di calore aria-acqua abbiamo ca. il65% dell’energia dall’aria (calore solare accumulato) e con pompe di calore a falda acquifera si guadagna ca. l’80% di energia. La rinnovabilità se viene confrontata con tutta la catena di energia primaria dipende come viene fabbricata la corrente: utilizzando un campo solare fotovoltaici opportunamente dimensionato, la rinnovabilità sale al 100%.

Fig.4 Schema funzionamento semplificato di una pompa di calore (Fonte ENEA)

ENERGIA GEOTERMICA

L’energia geotermica è la forma d’energia dovuta al calore endogeno della Terra; vulcani, sorgenti termali, soffioni e geyser documentano la presenza di calore immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l'esterno con l’ausilio di fluidi vettori come acqua e vapore. La temperatura, all’interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità secondo un gradiente geotermico di 3°C ogni 100 metri, anche se esistono zone con gradienti geotermici anomali in cui il flusso di calore è maggiore (9-12°C ogni 100 metri). Il calore terrestre è prevalentemente di origine radiogenica e subordinatamente planetaria e chimica, deriva principalmente dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti soprattutto nel mantello (come il torio 232, l’uranio 238 e 235 ed il potassio 40.In media il flusso di calore calcolato terrestre è pari a 0,06 Wm2, pertanto considerando il globo terrestre si arriva a 30.000 miliardi di watt. Questa energia per unità di tempo e area, costituisce il flusso geotermico e si esprime in HFU (Heat Flow Unit) ed è equivalente ad una microcaloria per centimetro quadrato.

226 421011

m

mW

scm

calHFU

Lo sfruttamento dell’energia geotermica consiste nell’utilizzazione del calore contenuto in rocce relativamente vicine alla superficie, dove arriva propagandosi dalle zone più profonde della Terra. Per giungere in superficie il calore ha bisogno di un vettore fluido (acqua o vapore), naturale o iniettato, che deve poter fluire in gran quantità in rocce porose e permeabili (rocce serbatoio), queste a loro volta devono essere protette da rocce impermeabili (copertura) che impediscano o limitino la dispersione dei fluidi e del calore. Per garantire la “rinnovabilità” del sistema geotermico, in pratica sostituire il fluido sottratto dall’utilizzazione, è necessaria l’esistenza di una zona di alimentazione esterna; il fluido, in questo caso, proviene prevalentemente da acqua meteorica. Nel caso di serbatoi “confinati”, dove il fluido è fossile, invece, l’eventuale ricarica è effettuata solo artificialmente mediante la reiniezione. In un sistema geotermico, l’acqua penetra nel sottosuolo attraverso rocce permeabili formando delle falde sotterranee e, per effetto del calore trasmesso alle rocce da una fonte, quale una massa magmatica, si scalda fino a raggiungere temperature di alcune centinaia di gradi; il fluido (acqua e/o vapore) in queste condizioni risale lungo faglie o fratture dando luogo alle manifestazioni geotermiche. La risalita può anche essere indotta artificialmente tramite una perforazione meccanica (pozzo geotermico), il fluido così captato, dopo alcuni trattamenti, è inviato agli impianti di utilizzazione (produzione di energia elettrica o usi diretti)

Con riferimento ai fluidi erogati in superficie i sistemi geotermici si dividono in diverse classi.a) Sistemi a vapore secco “a vapore dominante”: costituiti soprattutto da vapore secco che si trova a pressioni e temperature elevate accompagnato da altri gas o sostanze solubili (CO2, H2S, B, NH3). Il vapore può essere utilizzato

direttamente per la produzione di energia elettrica convogliandolo ad una turbina. Nel mondo sono noti pochi sistemi di questo tipo: Italia (Larderello), California (The Geysers), Giappone e Nuovo Messico. b) Sistemi a vapore umido o “ad acqua dominante”: costituito da acqua calda a temperatura superiore al suo punto di ebollizione e ad alta pressione, nel momento in cui viene ridotta la pressione nella colonna del pozzo l’acqua vaporizza ed arriva in superficie sotto forma di una miscela composta di acqua e vapore. Il vapore può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica, mentre l’acqua calda può esser usata in impianti di dissalazione per produrre acque dolci. La temperatura in questo tipo di sistema è compresa tra 180 e 370° C. Questi sistemi sono più abbondanti del tipo precedente.

c) Sistemi ad acqua calda: contengono acqua a temperatura inferiore ai 100° C (50-82° C) utilizzabile soprattutto per usi diretti (riscaldamento delle abitazioni, serre, impianti industriali) d) Sistemi in rocce calde secche: sono sistemi formati con la creazione artificiale di un serbatoio geotermico. Nel serbatoio viene iniettata, tramite un pozzo, dell’acqua fredda che, una volta scaldatasi grazie all’elevato calore delle rocce, è fatta risalire in superficie per la sua utilizzazione. Questi sistemi sono in fase di sperimentazione avanzata.

e) Sistemi magmatici: sono sistemi artificiali che mirano a sfruttare il calore diretto di un magma per riscaldare un fluido di lavoro. Sono al primo stadio di sperimentazione.

f) Sistemi geopressurizzati: tale nome deriva dal fatto che l’acqua, a temperatura elevata (200° C), si trova imprigionata in serbatoi sottoposti ad una pressione superiore a quella idrostatica. Possono produrre energia geotermica, meccanica, chimica. Ancora non si è provveduto ad uno sfruttamento di tali sistemi.

Dal punto di vista dell’utilizzazione, la geotermia si può dividere in alcuni settori:a) Settore degli usi ad alta entalpia, con fluidi a temperature superiori ai 150° C, riguarda la produzione di energia

elettrica ed alcuni usi industriali.b) b) Settore degli usi a media e bassa entalpia, con fluidi a temperature 150-100° C nel primo caso ed inferiore ai

100° C nel secondo, riguarda gli usi diretti: civili, agricoli, industriali.Vi è inoltre il settore degli usi termali, caratterizzato dagli usi terapeutici e ricreativi.

Usi elettrici Una centrale geotermoelettrica differisce da quella tradizionale termoelettrica, i cui costituenti essenziali sono il generatore di vapore (fonte energetica), la turbina, l’alternatore (per la generazione di energia elettrica) ed il condensatore (per la condensazione del vapore esausto), per gli apparati necessari al trattamento del fluido naturale proveniente dal sottosuolo e per l’estrazione dei gas incondensabili (soprattutto CO2) sempre presenti nel vapore.

Nel caso in cui la centrale sia installata in un campo “a vapore secco” (come quello di Larderello), il vapore è inviato direttamente alla turbina; all’uscita da questa, il vapore esausto viene condensato e depurato dei gas incondensabili, mentre l’acqua di condensa può venir dispersa in superficie o reiniettata nel sottosuolo. Quando invece, si tratta di campi “ad acqua dominante”, la miscela acqua/vapore che fuoriesce dal pozzo geotermico, è sottoposta ad un processo di separazione dal quale si ottiene il vapore che sarà inviato alla turbina ed un’alta percentuale di acqua (30-80% del totale) che verrà dispersa o reiniettata E’ da notare che, contrariamente a quanto si verifica nelle centrali termoelettriche tradizionali, dove la pressione del vapore è portata a più di 150 atm, quella del vapore di un pozzo geotermico raramente supera le 30 atm.

Le centrali in uso in geotermia sono di diversi tipi:

a) Centrale a scarico libero, il vapore proveniente direttamente dal pozzo o da un separatore (campo ad “acqua dominante”) è inviato alla turbina e dopo la generazione di energia elettrica, viene scaricato in aria a pressione atmosferica; le acque reflue sono reiniettate o disperse in superficie.b) Centrale a condensazione, il vapore esausto che esce dalla turbina, viene inviato ad una “camera di condensazione/depressione” raffreddata da acqua derivante da una torre di raffreddamento o da acque correnti. I gas incondensabili vengono estratti meccanicamente e scaricati all’esterno, mentre i reflui dei condensatori o dei separatori sono incanalati in pozzi di reiniezione o dispersi in superficie.c) Centrale a flash singolo, usata nei campi “ad acqua dominante”. Il fluido geotermico erogato da un pozzo, viene inviato ad un separatore che riduce la pressione e separa le due fasi acqua/vapore. Il vapore entra poi nella turbina e dopo la generazione di elettricità è condensato ed inviato ai pozzi di reiniezione o smaltito in altro modo.d) Centrale a doppio flash, usata nei campi “ad acqua dominante”. Il fluido, proveniente dal pozzo, entra in un primo separatore dove si genera il primo flash di vapore ad alta pressione (a 160° C). Successivamente è inviato ad un secondo separatore dove si genera un secondo flash di vapore a bassa pressione (a 120° C). I flussi di vapore ottenuti, ad alta e bassa pressione, sono inviati a turbine distinte.e) Centrale a ciclo binario, usata soprattutto per fluidi a medio-bassa entalpia o per “salamoie” da non lasciare vaporizzare perché incrostanti. Il fluido geotermico è inviato, in pressione, ad uno scambiatore dove cede il calore ad un fluido di lavoro (freon, cloruro d’etile). Successivamente i reflui geotermici vengono reiniettati nell’acquifero; il vapore del fluido secondario, dopo esser passato alla turbina, viene condensato e ritorna allo scambiatore per vaporizzare nuovamente.f) Centrale a flusso totale, funziona col fluido bifase (miscela acqua/vapore e gas associati) direttamente erogato dal pozzo. Dopo la generazione di energia elettrica il fluido è condensato e reiniettato nell’acquifero.g) Minicentrale a condensazione, centrale a condensazione di potenza limitata che utilizza fluidi a temperatura anche inferiore ai 100° C

Fig. 3. Schema di centrale.

Usi direttiIl riscaldamento è la forma più antica e diffusa tra gli usi diretti dell’energia geotermica; larga utilizzazione è stata fatta in Islanda, dove, per l’abbondanza dei fluidi caldi disponibili, il 97% della popolazione della capitale è servita da riscaldamento geotermico urbano. Analoga situazione si ha anche in Francia, paese poco geotermico, negli Stati Uniti, in Cina ed in Giappone

In Italia le realizzazioni più importanti sono quelle di Ferrara, Vicenza, Castelnuovo Val di Cecina, ,Acqui, Bagno di Romagna e Grosseto.

Per il riscaldamento degli ambienti, le temperature dei fluidi devono essere dell’ordine di 50-80° C per gli impianti a termosifone, 35-50° C per i pannelli radianti; qualora i fluidi geotermici non raggiungessero le temperature richieste, si possono adottare dei sistemi integrativi quali una caldaia o una pompa di calore.Un impianto di teleriscaldamento può provvedere anche alla fornitura di acqua calda sanitaria; se le acque geotermiche sono dolci, come nel caso di Vicenza, possono essere distribuite direttamente agli utenti, se invece, sono salate, come a Ferrara, si provvede immettendo nella rete sanitaria una parte dell’acqua di acquedotto circolante nello scambiatore di calore. Si può ottenere uno sfruttamento integrale della risorsa geotermica con il riscaldamento invernale ed il raffrescamento estivo, disponendo di fluidi a 80-110° C che alimentino pompe di calore reversibili, ad assorbimento, con fluidi appropriati (ad esempio ammoniaca, bromuro di litio). Altri usi dei fluidi geotermici sono rappresentati dall’azione antigelo dei suoli, dal riscaldamento delle serre e dall’utilizzo nelle attività industriali per fornire il “calore di processo” utilizzato nel ciclo di produzione .

Un uso razionale che permette di ottenere la massima efficienza dai fluidi geotermici, è rappresentata dagli usi integrati dello stesso fluido per impianti ed utenti diversi, con un sistema in serie, “a cascata”, le acque reflue a bassa temperatura di una centrale geotermica, possono essere usate, per esempio, per il riscaldamento, per la serricoltura, per l’acquacoltura e per l’irrigazione. Nel quadro volto allo sfruttamento razionale dell’energia geotermica, viene impiegata sempre di più la “pompa di calore”, grazie alla quale sono utilizzati anche i fluidi a temperatura molto bassa. La pompa di calore è una macchina termica in grado di trasferire il calore da un corpo più freddo ad uno più caldo, innalzandone la temperatura; essa estrae calore da una sorgente a bassa temperatura, sorgente fredda, con dispendio di energia esterna che può essere di natura elettrica, meccanica, o appunto geotermica.Nei paesi dove si sta diffondendo lo sfruttamento dell’energia geotermica alle più basse temperature (7- 40° C), quali la Svezia, il Giappone, gli Stati Uniti, la Svizzera, la Germania e la Francia, l’uso delle pompe di calore ha toccato dei livelli sorprendenti; negli Stati Uniti per esempio nel 1993 ne erano installate più di 150.000. Un’altra tecnologia molto in uso accanto alle pompe di calore è rappresentata dallo “scambiatore di calore”, necessario nei casi in cui non è possibile mettere a contatto i fluidi geotermici direttamente con gli impianti di utilizzazione, quando il contenuto salino del fluido può creare danni quali la corrosione o l’inquinamento. Gli scambiatori di calore vengono fabbricati in diverse versioni di cui le principali sono: a piastre, a fasce tubiere, a serpentina ed a miscela diretta, con separazione finale e recupero del fluido di lavoro dal fluido primario. Un particolare tipo è quello utilizzato direttamente nel pozzo, con circolazione di acqua dolce o di fluido basso-bollente nel secondario.

ASPETTI ENERGETICI

La potenza geotermica installata nel mondo è stata, al 2000, di 7.974 MWe, circa lo 0,3% della potenza elettrica complessiva, con

una produzione di 50 TWh/a. In Italia con riferimento allo stesso anno, la potenza installata lorda è stata di 785 MWe, con una produzione di 4,4 TWh/a, circa

l’1,5% della produzione complessiva del paese. Il rendimento globale della produzione di elettricità dal vapore geotermico è del 10-17%, circa tre volte inferiore a quello delle fonti tradizionali, questo, sia a causa della minore temperatura del vapore (250° C), sia per la diversa composizione chimica dello stesso, che determina una perdita di energia .Le centrali geotermiche consumano dai 6 ai 15 kg di vapore; un buon pozzo produttivo, con una portata di 70.000 kg/h può alimentare una centrale di 10 MW.

MERCATO E DIFFUSIONE

In Italia, la situazione sembra essere piuttosto buona per l’alta entalpia, soprattutto per i progetti dell’ENEL che mirano ad un incremento della produzione.Risulta, invece, troppo esigua rispetto alle potenzialità accertate, quella della bassa entalpia relativa al campo delle utilizzazioni dirette. In tutto il paese i progetti realizzati o in corso di realizzazione superano di poco la ventina; vengono trascurati fluidi con buone temperature anche facilmente reperibili, contrariamente a quanto accade in altri paesi poco geotermici. Nel nostro pianeta, esistono vaste zone nel cui sottosuolo vi sono fluidi a temperature comprese tra 40° e 100° C facilmente accessibili, che potrebbero essere direttamente utilizzati per il riscaldamento e la refrigerazione, consentendo quindi un notevole risparmio di idrocarburi. Queste applicazioni non elettriche, dei fluidi geotermici a bassa entalpia, si stanno sviluppando in molti paesi del mondo situati in zone caratterizzate da gradienti termici bassi o normali; per esempio, nella regione di Parigi, migliaia di abitazioni sono scaldate con acqua a temperature comprese tra 60 e 73° C che si trovano a 1800 metri di profondità.

PANORAMA GEOTERMICO MONDIALE PER USI ELETTRICI E DIRETTIL’uso del calore endogeno della Terra, dopo le prime applicazioni di Larderello, si è sviluppato in tutto il mondo con progetti che utilizzano fluidi ad alta e bassa entalpia e che mirano alla produzione di energia elettrica ed agli usi termici diretti.Complessivamente, con riferimento al 2000, la potenza installata nel mondo era di circa 7.974 MWe e 15.145 MWt ed i

campi geotermici in esercizio o in via di sviluppo sono in tutto 95 su oltre 250 accertati.

Continente AmericanoGli Stati Uniti  (2228 MWe, 3766 MWt al 2000) sono uno dei paesi più all’avanguardia nella geotermia con 26 campi in

esercizio ad alta entalpia; si tratta soprattutto di campi “ad acqua dominante” distribuiti nell’Imperial Valley in California settentrionale, vi è, inoltre, un campo gigante “ a vapore dominante” a The Geysers .The Geysers è il più grande giacimento geotermico scoperto nel mondo, proprio in questo campo fu commissionato, nel 1960, il primo impianto degli Stati Uniti, per lo sfruttamento di energia geotermica, con una capacità di 12,5 MW.  Nel campo di The Geysers vi sono 521 pozzi produttivi ma solo il 20% dei fluidi estratti viene reiniettato, questo fatto ha determinato un eccessivo sfruttamento del giacimento che ora è in declino, di conseguenza la potenza record installata nel 1987, di 2093 MWe, è stata ridimensionata a 1180 MWe nel 1993.

Oltre alla California vi sono prospettive geotermiche negli altri stati della fascia occidentale fino all’Alaska .Risulta molto sviluppato anche il settore delle basse temperature, sfruttato soprattutto per il riscaldamento civile ed integrato con altre tecnologie quali gli scambiatori di calore e le pompe di calore; solo gli impianti di riscaldamento realizzati con queste ultime, sono stati al 1995 più di 150.000 con un risparmio di 400 MW t .

Oltre al settore del riscaldamento urbano, l’energia geotermica viene sfruttata nelle serre e nel settore industriale (450 MW t

al 1995).Il secondo campo geotermico per potenzialità, dopo The Geysers, ma il primo al mondo “ad acqua dominante”, è quello in Messico (755 MWe, 164,2 MWt, al 2000) di Cerro Prieto (620 MWe); in questo stato, vi sono altri 3 campi in esercizio ed altri

potenzialmente sfruttabili soprattutto lungo la fascia vulcanica che lo attraversa longitudinalmente; al contrario degli Stati Uniti, il settore degli usi diretti non è molto sviluppato. Per quel che concerne gli altri paesi del continente americano, il Canada ha installato una centrale da 60 MWe, ma si stima la possibilità di portarla ad almeno 120 MWe; nel Centro e Sud

America, vengono privilegiati gli usi elettrici, El Salvador ha una potenza installata, al 2000, di 161 MWe, ma vi sono

potenziali ancora non sfruttati, analogamente accade nel Nicaragua con 70 MWe al 2000, in molti altri paesi di questo

continente vi sono grandi potenzialità accertate, ma molti ostacoli nella realizzazione per le difficoltà finanziarie.

Oceania

La Nuova Zelanda (437 MWe, 307,9 MWt e 4 campi in esercizio al 2000) ha il merito di avere sperimentato, fin dagli anni

Cinquanta, la tecnologia di produzione e sfruttamento dei campi a vapore umido che rappresentano la quasi totalità dei campi geotermici mondiali.

Asia

Per l’arcipelago delle Filippine, l’energia geotermica per produzione di elettricità costituisce una risorsa estremamente importante fin dagli anni Settanta, con 9 campi in esercizio, al 2000 erano installati 1.909 MWe e 1 MWt  ed il governo sta

mirando a dare un ulteriore incremento, non è molto sviluppato, invece, il settore delle basse temperature.Anche l’arcipelago dell’Indonesia ha un enorme potenziale geotermico dell’ordine di 16.000 MWe, installati al 2000 sono 598,5

MWe, poco sviluppato è il settore degli usi termici diretti installati 2,3 MW t al 2000.

Il Giappone ha circa 17 campi in esercizio per la produzione di energia elettrica ed installati 546,9 MWe e 1.167 MWt al 2000.

L’utilizzazione dell’energia geotermica in Cina (29,17 MWe, 2.282 MWt al 2000) è mirata prevalentemente ai fluidi a bassa

temperatura, con 210 operazioni nel settore del riscaldamento, dell’agricoltura, dell’acquacoltura e dell’industria.

Africa

Prospettive geotermiche ad alta entalpia si individuano nella Rift Valley (Africa orientale) e nelle aree vulcaniche del Camerun e delle isole oceaniche, mentre il Nord Africa ha significative risorse nel campo delle medie e basse temperature.Il Kenya è il paese africano dove è stata maggiormente sviluppata la geotermia, al 2000 erano installati 45 MW e con la

prospettiva di un incremento.Sono state individuate risorse sfruttabili anche in Etiopia dove al 2000 sono stati installati 8,52 MWe..

EuropaLa Francia (4,2 MWe nelle Antille, 756 MWt di cui 675 per teleriscaldamento al 1995) è il paese leader del riscaldamento

geotermico con 74 progetti realizzati nei bacini di Parigi e dell’Aquitania.Questo paese ha sviluppato, fin dal 1969, la tecnologia di produzione attraverso il “doublets” costituito da una coppia di pozzi di cui uno produttore e l’altro reiniettore, che MW t. dopo l’estrazione del calore, consente la reiniezione in serbatoio dei

fluidi geotermici raffreddati, permettendo così, sia lo smaltimento dei reflui che la ripressurizzazione e rialimentazione dell’acquifero, si risolve quindi il problema dell’inquinamento ed il fenomeno della subsidenza; questa tecnologia ha reso possibile l’utilizzo degli acquiferi profondi, inquinanti e subsidenti del “bacino di Parigi”. Il maggiore complesso di teleriscaldamento del mondo è proprio a Parigi, con 3 operazioni, 4 doublets profondi 1.900 metri con acqua a 79° C che riforniscono 15.000 alloggi.Rilevante è anche lo sfruttamento, con pompe di calore, delle risorse superficiali a bassa temperatura (12-25°C), per il riscaldamento di oltre 35.000 alloggi.Anche in Germania (397 MWt al 2000) ed in Svizzera ( 547,3 MWt al 2000) sono molto sviluppate le utilizzazioni a

bassissima temperatura con pompe di calore, per una potenza di 160 MW t nel primo paese e 5.000 installazioni nel

secondo; molto interessante è poi il progetto di riscaldamento urbano della città di Lund in Svezia (377 MWt al 2000) con 2

maxipompe di calore da 13 MWt che sfruttano due pozzi di 670 e 800 metri di profondità con acque a 23-28°C.

La Grecia (2 MWe, 57,1 MWt al 2000) presenta discrete risorse ancora non sviluppate sia nella bassa che nell’alta entalpia,

questa ultima nelle isole vulcaniche dell’Egeo. Il paese più caldo dell’Europa centrale è l’Ungheria (472,7 MWt al 2000), grazie all’anomalia termica positiva; è sviluppato

solo il campo della bassa temperatura sfruttato essenzialmente per il settore agricolo.La maggior parte dei paesi europei ha prospetti solo nel campo delle basse temperature, fa eccezione assieme all’Italia, l’Islanda (170 Mwe 1.469 MWt e 4 campi in esercizio al 2000), questo è il paese geotermico per eccellenza, la risorsa, infatti,

soddisfa l’80% della domanda d’energia dell’isola.Oltre all’uso elettrico dei fluidi geotermici che, accanto alle risorse idriche, soddisfano completamente il fabbisogno nazionale di energia, è ben sviluppato anche il settore del riscaldamento urbano,  dell’acqua calda sanitaria e degli usi industriali .

Paese MWe GWh/a % energia nazionale

Australia 0,17 0,9 Nd

Cina 29,17 100 Nd

Costa Rica 142,5 592 10,21

El Salvador 161 800 20

Etiopia 8,52 30,05 1,85

Francia 4,2 24,6 2

Guatemala 33,4 215,9 3,69

Islanda 170 1138 14,73

Indonesia 589,5 4575 5,12

Italia 785 4403 1,68

Giappone 546,9 3532 0,36

Kenia 45 366,47 8,41

Messico 755 5681 3,16

Nuova Zelanda

437 2268 6,08

Nicaragua 70 583 17,22

Filippine 1909 9181 21,52

Portogallo 16 94 Nd

Russia 23 85 0,01

Tailandia 0,3 1,8 Nd

Turchia 20,4 119,73 Nd

USA 2228 15470 0.4

Totale 7974,06 49261,45

FINE PRIMA PARTE