Geotermia A Bassa Entalpia

Geotermia a bassa entalpia

Rimini, 7 agosto 2008 – Ing. Davide Frisoni, Dott.ssa Elena Favi

Comune di Rimini – Assessorato alle Politiche Ambientali ed Energetiche

Direzione Infrastrutture, Mobilità e Ambiente

Sportello Generale per l’Energia

Introduzione

L’energia Geotermica è generata dal calore terrestre. L’origine di questo calore è legato alla natura interna del nostro pianeta e con i processi fisici che in esso hanno luogo.E’ una risorsa diffusa praticamente inesauribile (se sfruttata correttamente), costantemente disponibile nel tempo, rinnovabile e a bassissimo impatto ambientale.

Rappresentazione schematica di un sistema geotermico

Rimini, 7 agosto 2008

Nella maggior parte delle aree terrestri, le rocce hanno una temperatura di circa 25-30 °C a 500 m di profondità, e di 35-45°C a 1000 m. In altre zone, dove le condizioni geologiche sono più “favorevoli” (crosta terrestre più sottile, vulcanismo e/o fratture tettoniche), le temperature possono raggiungere e superare i 200°C.L’energia termica accumulata in queste zone viene resa disponibile a profondità accessibili da vettori termici presenti nella crosta terrestre e denominati fluidi geotermici.

Al disotto di 15-20 metri si ha la zona di OMOTERMIA,in cui il calore è fornito esclusivamente dal flusso proveniente dall’interno della terra con un aumento medio progressivo di 1°C ogni 33 metri di profondità.Nella maggior parte delle regioni italiane,indipendentemente dal tipo di roccia,dall’assetto geologico-strutturale e dallastratigrafia, la temperatura della zona di omotermia è compresa tra 12 e 17°C.

Introduzione


Quale geotermia?

Le forme di utilizzo della risorsa geotermica possono essere suddivise, in funzione di temperature decrescenti, in tre categorie:

1.Geotermia ad alta entalpia per la produzione di energia elettrica attraverso vapore ad alta temperatura che aziona delle turbine e trasforma il proprio contenuto energetico in energia meccanica.

2. Geotermia a media entalpia con utilizzo diretto del calore.

3. Geotermia a bassa entalpia basata sul semplice scambio termico col sottosuolo attraverso sistemi costituiti da sonde inserite nel terreno e pompe di calore geotermico (GHP “Geothermal Heat Pump”).



Per comprendere e spiegare le potenzialità e l’elevata compatibilità ambientale che accompagnano un sistema geotermico a pompa di calore, potrebbe essere sufficiente prendere a prestito quanto affermato dalla Divisione per l’Energia Elettrica e le Energie Rinnovabili del Canada:

“Non esiste sistema di riscaldamento e condizionamento in grado di ridurre le emissioni di gas serra ed il conseguente impatto sul riscaldamento globale così efficace come le pompe di calore

geotermiche”.


Il potenziale energetico immagazzinato nella parte pellicolare della crosta terrestre è elevatissimo. A partire da 10 m di profondità, la temperatura del terreno risulta pressoché costante tutto l’anno. Oltre tale profondità, il gradiente geotermico medio aumenta di circa 3 °C ogni 100 m. Mediamente a 100 ÷ 150 m di profondità si registrano temperature del terreno comprese tra 13 e 17°C; queste condizioni, costanti tutto l’anno e indipendenti dalle condizioni climatiche esterne, risultano ottimali per l’associazione pompa di calore – sonda geotermica (SG), sostanzialmente inesauribili e totalmente rinnovali nel tempo.


La GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA è relativa allo sfruttamento del sottosuolo come serbatoio termico dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne durante la stagione estiva.

Qualsiasi edificio, in qualsiasi luogo della terra può riscaldarsi e raffrescarsi,invece di usare la classica caldaia d'inverno e il gruppo frigo d'estate.


Perché il sottosuolo ricopre un ruolo così importanteper l’installazione delle sonde geotermiche?

In generale l’ampiezza della variazione giornaliera di temperatura si riduce già dai primi centimetri di profondità mentre quella della variazione stagionale si riduce dello stesso fattore dopo alcuni metri.

Il terreno possiede un elevata capacità di accumulo.

Quindi il terreno si trova a temperature notevolmente differenti dall’ambiente da climatizzare ed un salto termico inferiore rispetto a quanto si avrebbe utilizzando l’aria esterna (climatizzazione tradizionale).

Minor lavoro per portare una situazione climatica favorevole

Minori consumi e costi


La conducibilità termica del terrenoGli aspetti che influenzano la conducibilità termica:

Il tipo di terreno:• granulometria e tipo di materiali• successione stratigrafica dei terreni• densità

Le caratteristiche della falda:• temperatura• velocità di flusso• profondità


La presenza di acqua

Favorisce il contatto tra l’impianto ed il sottosuolo: ciò comporta un aumento del rendimento potenziale.

La presenza nel sottosuolo di una falda acquifera favorisce il ripristino del campo termico modificato dalle sonde geotermiche: in funzione della velocità, temperatura e geometria.

L’umidità naturale: nel caso di terreni insaturi migliora la conducibilità termica e garantisce un buon contatto tra sonda e sottosuolo.

La situazione del conoide del Marecchia (Geol.M.Zaghini)

Si possono distinguere tre zone a diversa problematica idrogeologica per l’utilizzo di sonde geotermiche:

1.Una zona apicale (conoide antico), da Ponte Verucchio sino a poco a monte della Strada Traversa Marecchia, caratterizzata da un sottile pavè ghiaioso, sede di falda acquifera soprastante i terreni di deposito marino (argille azzurre plioceniche): non vi sono particolari limitazioni all’uso di geosonde;

2. Una zona di amalgamazione delle ghiaie, presso San Martino dei Mulini, caratterizzata da spessori di 20-30 m di ghiaie da cui si dipartono come digitazioni i vari livelli acquiferi della bassa pianura e costituisce l’area di ricarica delle falde: dovrebbe essere vietate le perforazioni;

3. Una zona mediana e distale del conoide, costituita da un acquifero multifalda, con falde in pressione: l’uso di geosonde dovrebbe essere condizionato e limitato.


Zona mediana

Zona di amalgamazioneZona apicale

Componenti fondamentali:- pompa di calore geotermica: macchina in grado di spostare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo a spese di energia elettrica,- sonde geotermiche: tubi in polietilene infissi nel sottosuolo attraversati da un fluido vettore (acqua),-impianto di distribuzione del calore prodotto a bassa temperatura (pavimento, parete, soffitto).

Questa tipologia di scambio termico sfrutta come linea generale delle tubazioni in polietilene ad alta densità formanti un “circuito chiuso” (senza emungimento da falda) in cui circola acqua o una miscela di acqua e refrigerante generalmente non tossico, che consente di assorbire calore dal terreno e di trasferirlo per mezzo della pompa di calore al sistema di condizionamento degli edifici.

L’impianto geotermico a circuito chiuso


Scambiatori, di norma in polietilene, infissi nel terreno per mezzo di perforazioni verticali di lunghezza compresa tra 50 e 300 m (mediamente 100 – 150 m). Questo tipo di scambiatori consiste nel posizionare all'interno di perforazioni verticali in una o più coppie di tubazioni in polietilene unite al fondo a formare un circuito chiuso (un tubazione in “andata” ed una di “ritorno”) all'interno dei quali circola un fluido termovettore.

Le principali tipologie di sonde geotermiche verticali sono:1. a tubo semplice di andata e ritorno;2. a due tubi in andata e due in ritorno;3. a tubi coassiali;4. a fasci di tubi complessi (coassiali multipli).

Sonde verticali:•Costi maggiori•Poco spazio necessario•Elevata efficienza

Le sonde geotermiche verticali


Le sonde geotermiche orizzontali


Sonde orizzontali:•Maggior spazio•Meno costoso•Piccoli edifici•Temperature variabili

Le principali geometrie utilizzate negli scambiatori orizzontali sonoa) a sviluppo lineare: - con un solo tubo; - con due o più tubi sovrapposti;b) a sviluppo lineare: - con due tubi affiancati; - con quattro tubi;c) a serpentine: - in serie; - in parallelo;d) a spirale (compatto);e) a pettine (compatto);f) inseriti nella platea di fondazione;g) a tubi alettati.

Sono delle geostrutture (principalmente pali) in calcestruzzo o calcestruzzo armato dalla duplice funzione: fungere da fondamenta ed, equipaggiate con scambiatori di calore, fornire calore all’edificio che sostengono.All’interno dei pali sono installati dei tubi in polietilene ad U (due o più a seconda del diametro del palo da 0.4 a 1.5 m).

I pali energetici

Un fluido portatore di calore circola nel circuito chiuso tra i pali e la pompa di calore.I pali energetici funzionano secondo un ciclo annuale, con un estrazione di calore dal terreno durante la stagione di riscaldamento ed un’estrazione di freddo durante il periodo di climatizzazione.


Esempio di dimensionamento dell’impianto VILLETTA UNIFAMILIARE DI 130 MQ

La scelta della pompa di calore ed il dimensionamento delle sonde geotermiche, richiede la conoscenza di elementi quali:1. le caratteristiche geologiche del sottosuolo;2. la potenza termica prelevata dal terreno espressa in KWt;3. la lunghezza della sonda geotermica;oltre alla documentazione tecnica dei costruttori.

Ad esempio per una potenza di riscaldamento di 8 KWforniti dalla pompa di calore, 6 KW sono estratti dalterreno 2 rappresentano la potenza elettrica assorbitadal compressore in questo caso la profondità diperforazione deve raggiungere i 125 metri e la sondageotermica per raccogliere 6 KW dal terreno deve essere collocata a 120 metri.


La potenza specifica di una sondaè proporzionale alla

conducibilità termica del terreno

Potenza specifica (W/m)=calore scambiato tra le sonde

e terreno / tempo * lunghezza tubi

Macchine perforatrici e installazione delle sonde

Sonde orizzontali

Sonde verticali



Salvaguardia dell’ambiente

• Interconnessione degli acquiferi in fase di perforazione dei pozzi geotermici

• Valutazione dei rischi della interconnessione

• Inquinamento del terreno e/o delle falde a seguito di guasto o malfunzionamento del circuito di scambio termico.

• Eccessivo raffreddamento/riscaldamento del terreno e/o acquifero nel caso di uso intensivo di pompe di calore geotermiche nelle vicinanze o nella stessa area di prelievo.


Salvaguardia dell’ambiente


Normativa

Legge D.P.R. 395/1991 art.32 (Concessione di coltivazione). Il titolare del permesso di ricerca, ottenuto ai sensi dell’art.6, scopre risorse geotermiche riconosciute di interesse nazionale, è concessa la coltivazione se la relativa capacità produttiva e gli altri elementi di valutazione geomineraria disponibili giustificano tecnicamente lo sviluppo del giacimento scoperto.

L.9/1991 art.15 (Ricerca e coltivazione geotermica). Il permesso di ricerca di cui all’art. 4 della L. 896/86 e la concessione di coltivazione di cui all’art. 11 della medesima legge sono subordinati all’effettuazione della rimessione in pristino dello stato originario dei luoghi a seguito di eventuale incidente o di sistemazione idrogeologica e di risanamento paesistico a seguito dei lavori. Garanzie patrimoniali reali o personali, in relazione all’entità dei lavori programmati.

D.Lgs. 112/1998 art.34 Le funzioni degli uffici centrali e periferici dello Stato relative alle concessioni di coltivazione delle risorse geotermiche sulla terraferma sono delegate alle regioni.

Regolamento della Regione Lombardia (Delibera G.R. 3944/2006), basata sullo studio dell’IRER.

• Necessità di controllo sulle realizzazioni degli impianti di geoscambio tramite semplice comunicazione o richiesta di autorizzazione o N.O.? E a quale Ente? Sono necessari pareri di più Enti?

• Documentazione da presentare

• Prescrizioni differenziate in base alla localizzazione dell’impianto sul conoide del Marecchia

• Dimensionamento dell’impianto basato su programmi di calcolo del raggio di influenza termico

• Necessità del test di risposta termica locale (come avviene già in Svizzera)

• Redazione di linee guida

• Redazione carta di fattibilità territoriale

Proposte



Relazione idro-geologica contenente anche:

- descrizione della presenza di falde freatiche nella zona di interesse (in particolare se ci sono più falde sovrapposte e se utilizzate per l'estrazione di acqua potabile);

- descrizione delle caratteristiche termo-fisiche del terreno per impianti superiori a 10 perforazioni;

- descrizione dei possibili rischi:1. rischio potenziale di inquinamento della falda freatica durante la perforazione ed il rinterro del foro da parte di additivi utilizzati; 2. rischio correlato alla messa in comunicazione di acquiferi superficiali con quelli profondi; 3. rischio d’interferenza tra la sonde (o campo sonde) con l’assetto idrogeologico locale, in relazione

agli usi e alle utenze censite al momento della posa in opera della sonda in un intorno significativo; 4. rischio correlato alla dinamica dei versanti: valutazione del rischio di danneggiamento della sonda post operam in aree franose.

Proposte - Documentazione


Relazione di dimensionamento dell'impianto di geoscambio contenente anche:

- l’analisi dei carichi termici e/o frigoriferi annuali della struttura e definizione della taglia nominale del geoscambiatore;

- descrizione dei benefici ambientali e dei risparmi energetici in virtù dell'installazione del geoscambiatore per impianti superiori a 10 perforazioni (es. consumo annuale di gas evitato, tonnellate equivalenti di petrolio – tep - risparmiate annualmente, tonnellate di CO2 non emesse annualmente);

- definizione della localizzazione del campo di geoscambio e delle singole perforazioni previste;

- descrizione delle caratteristiche del campo geotermico (es. estensione areale, diametro e profondità delle perforazioni, numero e interdistanza tra le geosonde);

- descrizione dettagliate delle modalità di perforazione e delle caratteristiche delle geosonde;

- descrizione delle caratteristiche termo-fisiche del fluido termoconvettore e certificazione di non tossicità del prodotto.

Proposte - Documentazione


Durante la perforazione dovrà essere evitata qualsiasi conseguenza negativa per il suolo e sottosuolo. Dovranno essere implementate misure di sicurezza relative al rischio di perdite di olio della macchina perforatrice nonché perdite di prodotti specifici per la perforazione (es. carburanti, lubrificanti, olii idraulici, additivi). Occorrerà inoltre considerare che:

• il terreno sotto la perforatrice dovrà essere protetto mediante teli impermeabili e vasche di raccolta;

• in cantiere dovranno sempre essere a disposizione idonei prodotti olio assorbenti;

• l’utilizzo di fluidi di perforazione non dovrà indurre alcune conseguenze negative per il sottosuolo e per l’acqua di falda;

• additivi dovranno essere evitati, qualora venissero impiegati, dovranno essere completamente biodegradabili;

• acque e fanghi di perforazione dovranno essere smaltiti secondo la normativa vigente nel caso vengono utilizzati additivi;

• infiltrazioni di acque superficiali andranno impedite tramite una idonea strutturazione della zona attorno al foro di perforazione;

• la posizione della perforazione dovrà essere garantita per quanto riguarda eventuali sottoservizi interrati.

Proposte - Prescrizioni


Proposte – Carta di fattibilità territoriale (es. Svizzera)

•Nelle zone üB non c’è una falda o non c’è un interesse per un utilizzo delle acque sotterranee per motivi qualitativi o quantitativi. Si tratta del territorio al di fuori del fondovalle e lontano dalle captazioni esistenti. In queste zone è possibile l’installazione di impianti geotermici.

•La zona di protezione delle acque sotterranee Au indica la presenza di una falda in qualità d’acqua potabile. In questa zona le possibilità sono limitate.

•Le zone S1, S2 e S3 sono le zone di protezione delle captazioni ad uso potabile esistenti. Per le zone Area è concretamente prevista la captazione per uso potabile. In queste zone non è possibile l’installazione di impianti geotermici.


• IRER (Istituto Regionale di Ricerca della Lombardia) "Indirizzi per un'azione regionale per l'utilizzo e lo sviluppo delle risorse geotermiche rinnovabili a bassa entalpia in Regione Lombardia“

• Regolamento della Regione Lombardia (Delibera G.R. 3944/2006), basata sullo studio dell’IRER

• Maurizio Zaghini (Ordine dei Geologi dell’Emilia-Romagna), Atti del Convegno “Rischio Idrogeologico nel Riminese.” 11 maggio 2001

• Gabriele Matteucci (Istituto di Ricerca – CSA, Rimini), Leonardo Marotta (Istituto di Ricerca – CSA, Rimini), Patrizia Pari (Entropia SNC, Ancona), Atti del Convengo “Geotermia a bassa entalpia.” 7 novembre 2007 c/o Ecomondo-KeyEnergy

• Fabrizio Carbusano, Valentina Raccanelli (www.geologiweb.it) , “La qualità dell’abitare in montagna: edilizia ed energia.”

• Gruppo Trevi, “I sistemi geotermici. La Terra sorgente di energia.”

• Alessandro Ranieri, Convengo “Fonti Rinnovabili di Energia. Potenzialità ed applicazioni in Provincia di Verona.” 24 novembre 2004

• Emanuela Kardos, Sergio Raccichini, “Il problema energetico” 19 gennaio 2008

Bibliografia

Geotermia A Bassa Entalpia

Technology

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