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GEOTERMIA A BASSA ENTALPIANUOVA OPPORTUNITÀ PERI UNO SVILUPPO SOSTENIBILE: RUOLO DEL GEOLOGOPATTI, 15 MARZO 2013

MODELLO GEOLOGICO, PARAMETRI TERMICIDEL TERRENO, PROGETTAZIONE

GEOTERMICADott. Geol. GABRIELE CESARI

LA GEOTERMIALA GEOTERMIAA BASSA ENTALPIAA BASSA ENTALPIA

Nuove opportunità per Nuove opportunità per uno sviluppo uno sviluppo sostenibilesostenibile

il ruolo del geologoil ruolo del geologo

PattiPatti15 marzo 201315 marzo 2013

Sala Comunale ex TribunaleSala Comunale ex Tribunale

Barcellona Pozzo di GottoBarcellona Pozzo di Gotto16 marzo 201316 marzo 2013

Auditorium di S. VitoAuditorium di S. Vito

CONVEGNOCONVEGNO




Indice degli argomentiIndice degli argomenti

1. Geotermia: introduzione2. Geotermia a bassa entalpia – Impianti3. Cenni di pianificazione (ruolo del geologo)4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale5. Progettazione geotermica di campi sonde

verticali6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali7. Sperimentazione e ricerca in atto




1. Geotermia: introduzione1. Geotermia: introduzione

• Geotermia: scienza che si occupa dello studio e dello sfruttamento del calore esistente all’interno della Terra

• Flusso geotermico: quantità di calore che giunge in superficie dall’interno del pianeta (nucleo e mantello), per poi irradiarsi verso la superficie (crosta terrestre) e quindi verso l’atmosfera. q = 0,065 W/m

• Gradiente geotermico: determina l'aumento di temperatura con la profondità. Dipendente dalle proprietà termiche del terreno. In media: 3°C/100, Il gradiente è l’effetto misurabile del flusso di calore proveniente dal nucleo

• Anomalie geotermiche, legate a contesti geo-strutturali (fasce instabili con risalita di magma, vulcanismo ecc..). In queste aree critiche “calde”, il gradiente può essere fino a 10-15 volte maggiore di quello medio, come ad esempio nella fascia tirrenica centro-meridionale (Toscana-Lazio-Campania) Carta delle potenzialità

geotermiche di media e alta temperatura in Italia.(Della Vedova et al.)





Manifestazioni geotermiche naturali

Fenomeni vulcanici

e magmatici(foto: eruzione Etna)

Fenomeni idrotermali

(cascate acque caldesulfuree Saturnia)

Soffioni boraciferie geiser

(Monte Amiata, Toscana)





Principali applicazioni geotermicheAlta temperatura (T > 150°)

Produzione energia elettrica

Zone: Versante Tirrenico (Toscana in particolare).L’Italia (Eni-Enel) è riferimento nel mondo di questa applicazione.

Media temperatura (150°> T > 90°)

Teleriscaldamento e pro-duzione energia elettrica con nuove tecnologie

Zone: in varie regioni ita-liane (vedi carta potenzia-lità geotermiche). Oltre 100 permessi di ricerca negli ultimi due anni

Medio-bassa temperatura (90°> T > 30°)

Uso diretto del calore (riscaldamento e termalismo)

Zone: diffusissimo in ItaliaDa considerare come op-portunità integrativa aisistemi a pompe di caloreIn molti casi

Bassa/bassissima temperatura (T < 30°)

Uso indiretto del calore (con pompe di calore)

Zone: applicabile ovunquecon rare eccezioni definiteda condizioni geologicheparticolari. Sistemi open-loop e closed-loop





• Il ruolo “culturale e di indirizzo” del geologo:• la confusione e l’”ignoranza” riferita alla materia geotermica è

grande in numerose categorie di persone, compresi professionisti e progettisti!!!

• il geologo è chiamato a indicare ciò di cui si parla, ciò che è fattibile nelle diverse aree, ciò che si deve approfondire

• Il ruolo “rassicurante” del geologo:• quando si parla di perforazioni geotermiche si diffondono sempre

paure e timori, talvolta chiaramente irragionevoli:• il geologo è chiamato a favorire un approccio razionale e scientifico,

che parte da una adeguata conoscenza geologica preliminare alle decisioni da prendere




2. Geotermia a bassa entalpia - Impianti2. Geotermia a bassa entalpia - Impianti

La climatizzazione con pompa di calorePre-requisito: edifici ben coibentati e di classe energetica elevata

Pompa di calore: macchina frigorifera che trasferisce calore da una “sorgente fredda” ad un corpo a temperatura maggiore

Impianto di distribuzione: preferibilmente a bassa temperatura (meglio se con elevata inerzia termica)

Produzione di acqua calda sanitaria; con accumuli inerziali per ridurre le potenze della PdC

Raffrescamento: di tipo naturale o “free cooling” con semplice circolazione nei due circuiti, o “active cooling” con inversione del ciclo PdC




2.Geotermia a bassa entalpia - Impianti2.Geotermia a bassa entalpia - Impianti

Tipologie di geoscambiatoreCollettori orizzontali Acqua di falda (“Open loop”)

Pali energetici o geostrutture Sonde geotermiche verticali

Scambiatori composti da tubazioni poste in aree appositamente dedicate (meglio se non pavimentate) a 1-2 metri in sbancamenti o trincee. Bassa efficienza soprattutto in estate

Sistemi costituiti da uno o più pozzi di presa e (generalmente) uno di reimmissione in falda. Sistemi molto efficienti e competitivi soprattutto in impianti di grandi dimensioni

Sistemi costituiti da circuiti chiusi immersi all’interno di strutture di fondazione (pali/diaframmi ecc…). Generalmente molto economici e convenienti, nel caso di tali fondazioni

Sistemi costituiti da circuiti chiusi (uno o due per foro) inseriti all’interno di perforazioni profonde da 80 a 150 metri. Sistema molto efficiente, ma molto costoso. Fattibile ovunque con poche limitazioni




2.Geotermia a bassa entalpia - 2.Geotermia a bassa entalpia - FunzionamentoFunzionamento

Riscaldamento (invernale) Raffrescamento (estivo)

In modalità riscaldamento il fluido di circola-zione scende attra-verso la sonda di mandata ad una temperatura infe-riore a quella del terreno e risale ad una temperatura di

3-5° superiore, dopo avere “estratto” calore dal terreno per conduzione.

La pompa di calore trasferisce il calore estratto dal terreno all’impianto di distribuzione con acqua in mandata ad una temperatura di 32-35° e ritorno dall’impianto a 3-5° in meno. In tal modo cede calore all’ambiente

In modalità raffrescamento il ciclo è invertito e l’acqua che circola nelle sonde geo-termiche si raffred-da per effetto della temperatura mino-re del terreno.

Mediante un semplice scambiatore di calore si ha un raffrescamento naturale (o free cooling) che permette di abbassare lievemente la temperatura in ambiente.

Qualora tale raffrescamento naturale non sia sufficiente il ciclo della pompa di calore si inverte e il compressore permette di mandare acqua refrigerata a bassa temperatura all’impianto. In tal caso è necessario deumidificare l’ambiente




3. Cenni di pianificazione (ruolo del geologo)3. Cenni di pianificazione (ruolo del geologo)

Piani e carte geoenergetiche• Propensione/vocazione geotermica:

• potenziale di resa termica dei terreni superficiali;• disponibilità di risorse per impianti “open loop”• potenziale di resa dei terreni profondi (100-150 mt.)

• Interazione con altre risorse ed usi del sottosuolo:• acquiferi e opere di captazione (pozzi potabili), compreso aree di ricarica e di rispetto• risorse termali e relative concessioni, compreso aree di rispetto

• Rischi ambientali e potenziali impatti:• situazioni geologiche particolari (terreni anidri, fenomeni carsici, falde in pressione,

presenza di sacche metanifere)• siti contaminati o potenzialmente contaminati• esistenza di strutture e infrastrutture interrate o di loro previsione futura




3. Es. in progress – Regione Emilia-Romagna3. Es. in progress – Regione Emilia-Romagna(da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)




3. Es. in progress – Regione Emilia-3. Es. in progress – Regione Emilia-RomagnaRomagna

(da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)




4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale

Modello geologico-idrogeologicoGeomorfologia: ambito di riferimento, caratteristiche e peculiarietàGeologia: formazioni geologiche presenti e loro disposizione geometricaLitostratigrafia: descrizione litotipi presenti e loro caratteristiche Idrogeologia; descrizione acquiferi e loro caratteristicheGeostrutturale: indicazione di constesto strutturale di riferimento

Carta geologica e sezione di riferimento




Modello geoenergetico


Oltre alla valutazione sul potenziale di scambio termico dei terreni superficiali, della falda e dei terreni profondi è opportuno considerare la presenza di eventuali anomalie termiche nell’area, anche mediante acquisizione dati e informazioni sulla temperatura delle acque sotterraneeIndicazioni

su potenziale energetico della falda

Potenziale di scambio in terreni profondi

Propensione allo

scambio termico del

primo sottosuolo

Modello geologico




Caratterizzazione termica del sottosuolo(il trasferimento di calore nel terreno si ha principalmente per conduzione ed avvezione)


Fattori geologici che influenzano la CONDUZIONE

• composizione mineralogica del terreno

• densità e indice dei vuoti

• grado di saturazione

Fattori idrogeologici che influenzano la AVVEZIONE

• Velocità di flusso della falda

• trasmissività• (Il numero di

Peclet)




Rischi geologici e impatti potenziali


La valutazione dei rischi geologici e dei possibili

impatti ambientali derivanti dalla realizzazione

di un impianto geotermico devono comprendere anche

l’esame dei vincoli di piani urbanistici di vario

livello.La valutazione deve essere riassunta in una analisi di

rischio che consideri anche gli impatti potenziali di

un’opera tradizionale o alternativa a quella in esame

Aree potenzialm

ente contaminat

e

Aree soggette a subsidenza, dissesto,

faglie attive,

carsismo

Aree di ricarica/rispetto, falde

in pressione, acquiferi

multifalda

Interazione con

strutture di fondazione

Rischio essiccame

nto per terreni

superficiali

Modello geologico





MODELLO GEOLOGICO

CARATTERIZZAZIONE

ENERGETICA DEL

SOTTOSUOLO

CARATTERIZZAZIONE

TERMICA DEL SOTTOSUOLO

RISCHI GEOLOGICI E

IMPATTI POTENZIALI AMBIENTALI

IPOTESI PROGETTO TERMICO

POTENZA DI PICCO

TERMICO (IN CALDO E IN FREDDO)

EQUILIBRIO FABBISOGNI ENERGETICI

(CALDO/FREDDO)

PRESENZA E INTEGRAZIONI

CON ALTRE FONTI

ENERGETICHE

INDICAZIONE SULLA TIPOLOGIA DI IMPIANTO E/O GIUDIZIO DI FATTIBILITA’ GEOLOGICO-AMBIENTALE




5. Progettazione geotermica campi sonde verticali5. Progettazione geotermica campi sonde verticali

Tabelle di riferimento (VDI/UNI-CTI)





Metodi semplificati di determinazione conducibilità su basi stratigrafiche




5. Progettazione geotermica campi sonde verticali

Metodi semplificati (ASHRAEE/UNI-CTI)Si tratta di un metodo analitico complesso,ma preciso che parte dal modello della sorgente cilindrica. Punti fondamentali del metodo:

Non si tratta di un regime stazionario, ma variabile;Si utilizzano una serie di impulsi di flusso di calore in ingresso allo scambiatore;La resistenza termica del terreno è in funzione del tempo, corrispondente a ciascun

impulso di calore;Si considerano tre intervalli di tempo:

periodo di 10 anni periodo di un mese breve periodo, preferibilmente 4 o 6 ore

Gli impulsi termici hanno come riferimento tre diversi intervalli di tempo: dieci anni, un mese, quattro ore.

Vengono utilizzati fattori di forma funzione del numero di Fourier;Si considera la resistenza dello scambiatore (sonda geotermica);Si considerano le interfacce tra fluido e tubo e terreno o materiale di riempimento.

Si arrivano a calcolare due lunghezze: una per il riscaldamento e una per il raffrescamento, si considera la maggiore




Le formule per il calcolo della lunghezza complessiva delle sonde geotermiche sono le seguenti:

Dove:Fsc = fattore di perdita di corto circuito tg = temperatura del terreno indisturbata

PLFm = fattore di parzializzazione mensile two = temperatura del fluido geotermico all’ uscita della pompa di caloreqa = flusso di calore netto annuale trasferito al terreno twi = temperatura del fluido geotermico in entrata alla pompa di caloreQjc = picco termico di raffrescamento Wc = potenza elettrica in ingresso in corrisp. del carico di raffrescamento di progetto Qlh = picco termico di riscaldamento Wh = potenza elettrica in ingresso in corrisp. del carico di riscaldamento di progettoRb = resistenza termica dello scambiatoreRga = resistenza termica del terreno, impulso annualeRgm = resistenza termica del terreno, impulso mensileRgd = resistenza termica del terreno, impulso giornaliero

tp = variazione della temperatura dovuta alla presenza di più scambiatori

( ) ( )( )( )pwowig

scgdgmmbclcgaaC tttt

FRRPLFRWqRqL

−+−++−+

=2/

41,3

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41,3

5. Progettazione geotermica campi sonde verticali




Il test di resa termica del terrenoIl GRT oppure anche TRT (Thermal Response Test), permette di conoscere la conducibilità termica dei terreni λ [W/(m ∙ K)] e la resistenza termica del pozzo Rb [K/(W/m)]Il test si svolge tramite l’inserimento in sonda (in cui circola il fluido termovettore) di calore a potenza costante, con successiva misura delle variazioni di temperatura in mandata e ritorno.


Nota bene: con il Test di Resa si hanno due approssimazioni:1. il dato che si ottiene è una conducibilità “equivalente” (conduzione e avvezione)2. il dato che si ottiene è un dato MEDIO che non tiene in considerazione la stratigrafia




• Si utilizza un modello a simulazione numerica (EED)

• Il dimensionamento è basato su dati analitici del carico termico dell’edificio (base mensile)

• Si deve effettuare la valutazione dell’equilibrio T sul lungo periodo (25 anni), almeno per grandi impianti

Picco minimogfedcbPicco massimogfedcbCarico di base minimogfedcbCarico di base massimogfedcb

Anno24222018161412108642

Tem

pera

tura

del

fluid

o m

assim

a-m

inim

a an

nuale

[°C

]

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

ACSgfedcbRiscaldamento standardgfedcbRaffreddamento standardgfedcbCarico termico totalegfedcbCarico termico terrenogfedcb

GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC GEN

Caric

o te

rmico

di b

ase

[MW

h]

25

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45

Progettazione e dimensionamento del campo sonde





Valutazione impatto termico nel sottosuolo





Differenti tipologie e contesti di perforazione

6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali

Spa

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Cantiere iniziato con perforazione ad aria e terminato con perforazione ad acqua causa interferenza con pozzo abitazione adiacente






Fasi di lavorazione: posa della sonda





Il test di tenuta, eseguito subito dopo l’installazione della sonda, da garanzie in merito alla corretta funzionalità del campo sonde nel tempo. Si svolge secondo differenti modalità che

devono tenere in considerazione il comportamento elastico del polietilene

Le verifiche di corretta cementazione sono fondamentali ai fini di garantire la tutela degli aspetti ambientali




Flussaggio su ogni singolo circuito

Abaco perdita di carico sonda ø 32 mm secondo GSP


Le verifiche di flusso in sonda permettono di definire la rispondenza delle perdite di carico di progetto a

quelle reali (verifica profondità/diametri/schiacciamenti)




Fasi di lavorazione: connessioni orizzontali


A valle del collettore delle sonde geotermiche è possibile effettuare un test di tenuta dell’intero campo sonde geotermiche, utilizzato come collaudo di tale

parte di lavorazione




Cervia – Complesso residenziale di pregioCervia – Complesso residenziale di pregio




EDIFICIO Demolizione e ricostruzione Classe energetica: “A” Sup. climatizzata: circa 2.500 mq totali.

IMPIANTO GEOTERMICO N. Unità servite: 27 misti resid./comm. Tipologia: 20 sonde verticali profondità 105

m Realizzazione: Giu - Lug ’11 Potenza termica: 90 kwt Costo campo sonde: € 110.000 Incidenza per unità: circa € 4.000 Circa 24 ton/anno CO2 evitate Circa 18 TEP/anno da fonte rinnovabile






Sezione geologica costruita lungo la Valle del Fiume Savio e nella pianura antistante fino alla costa Adriatica (tratta da Note Illustrative della carta

Geologica d’Italia alla Scala Geologica 50000 “foglio 240-241 Forlì-Cervia, modificata).

Estratto carta geologica Servizio Geologico Regione Emilia-Romagna

Sintema Emiliano-Romagnolo Superiore: • AES8 – Subsintema di Ravenna• AES7 – Subsintema di Villa Verrucchio• AES6 – Subsintema di Bazzano




StaufenStaufen




Urbino – Biblioteca universitariaUrbino – Biblioteca universitaria(campo sonde sperimentale)(campo sonde sperimentale)

• L’Università di URBINO ha avviato da tempo studi e ricerche volte ad evidenziare l’influenza degli elementi geologici sui meccanismi di scambio termico dei terreni

• Nel giugno 2010 è stata realizzato un campo sonde sperimentale presso il Campus Dario Fo di Urbino che consente l’acquisizione dati in fase di esercizio dell’impianto

• Fulcro delle indagini è la misura della temperatura a diverse profondità tramite termofreatimetro




EDIFICIO Biblioteca universitaria Classe energetica: “D” Sup. climatizzata: circa 500 mq totali.

CAMPO SONDE SPERIMENTALE 9 sonde geotermiche verticali (m. 100) Due piezometri di monitoraggio 100/20 m. Prove comparate (termometrie in foro e

GRT) Potenza impianto: 50 kwt; Data realizzazione: 2010 Sperimentazione ancora in atto da parte

dell’Università di Urbino – Scienze della Terra

Avviato a dicembre ‘13 un progetto di ricerca GEO-NET/Università di Urbino (metodi di caratterizzazione termica dei terreni)





Urbino – Biblioteca universitariaUrbino – Biblioteca universitaria(Tratte da prof. Menichetti – GeothermForum Ferrara 2012)(Tratte da prof. Menichetti – GeothermForum Ferrara 2012)




Misura del terreno indisturbato

• Temperatura media• Gradiente geotermico locale• Anomalie termiche (falde acquifere)• Zona di influenza superficiale

Misura terreno alterato da TRT

• Zone a maggiore dispersione termica• Determinazione della conducibilità

termica degli strati• Tempo di ritorno allo stato termico

naturale del terreno

7. Sperimentazione e ricerca in atto7. Sperimentazione e ricerca in atto




Nel sito oggetto di studio sono state realizzate 14 sonde geotermiche verticali, ciascuna lunga 104 m, con l’installazione di due pompe di calore da 42 kW, per il riscaldamento e raffrescamento di un complesso abitativo (30 unità abitative).

Il caso studio riguarda un campo sonde

realizzato nella prima periferia di Bologna, in

Via Del Gomito.

Campo Sonde

Bologna

7. Sperimentazione e ricerca in atto7. Sperimentazione e ricerca in atto(caso studio Bologna, via del Gomito)




Attreverso le carte, sezioni geologiche ed idrogeologiche messe a disposizione dal Servizio Geologico E-R si procede allo studio e dimensionamento preliminare

dell’impianto.

Sezione Geologica Sezione idrostratigrafica (complessi acquiferi)

Carta geologica 1:50.000In questo caso il campo sonde insiste su 3 diversi subsintemi/complessi acquiferi





Indagini Geologiche:• Inquadramento litostratigrafico• Sondaggio a carotaggio continuo• Campionamenti e stratigrafia• Analisi dei cuttings di perforazione• Indagini Idrogeologiche:• Inquadramento idrostratigrafico• Misurazione della conducibilità idraulica• Monitoraggio livello della falda tramite

piezometro

Indagini Termiche:• Misure termometriche del terreno

indisturbato ed alterato• Misure termiche dell’acqua di falda• Esecuzione del GRT (Ground response

test)

0

10

20

30

13,4 13,6 13,8 14,0 14,2 14,4 14,6 14,8 15,0 15,2 15,4 15,6 15,8 16,0 16,2 16,4 16,6

09/01/2012

11/01/2012

12/01/2012

16/01/2012

17/01/2012

19/01/2012

27/01/2012





Dall’analisi dei cuttings di perforazione in correlazione ad un carotaggio eseguito in loco è stato possibile realizzare una sezione geologica particolare.

Caratterizzazione dell’acquifero intercettato





Sono prime evidenze “qualitative” che il geologo (e solo lui) può ricondurre a fattori geologici che influiscono sulla determinazione della

capacità di scambio del terreno


Misure termofreatimetriche immediatamente successive al GRT

Il log termico in sonda evidenzia l’andamento discreto della conducibilità termica “equivalente” in funzione della stratigrafia




Misure termofreatimetriche in tempi successivi (a seguito di cementazione)


Si osserva un lento ritorno alla temperatura del terreno indisturbato




Come si può osservare dal profilo termico, non si rileva una particolare alterazione della temperatura della falda a seguito dell’esecuzione del GRT

della durata di 72 ore, realizzato a circa 3m di distanza.


Misure termofreatimetriche in piezometro adiacente la sonda geotermica sottoposta al Test di Resa Termica




• le indagini termofreatimetriche associate ai Test di Resa Termica (o a sonde cementate, o a differenti condizioni termiche) consentono di ottenere informazioni sulla conducibilità “equivalente” dei singoli strati;

• solo la comparazione di tali dati con la ricostruzione dell’assetto stratigrafico permette di ottenere;

• le indagini termiche sui terreni devono essere finalizzati a fornire informazioni utili al progettista geotermico per un corretto dimensionamento (e posizionamento) della sonde;

• nuovi studi in atto (due borse di studio UniUrb/Geo-Net) sono finalizzate a definire il contributo dei due differenti meccanismi di scambio termico (conduzione/avvezione), mediante un modello matematico che consenta di passare dalle evidenze qualitative alla quantificazione

7. Sperimentazione e ricerca in atto7. Sperimentazione e ricerca in atto




Grazie per l’attenzione

Gabriele geol. CesariCommissione Geotermia CNG

[email protected]

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