Università degli Studi di GenovaDIME, Sezione di Termoenergetica e Condizionamento AmbientaleCondizionamento Ambientale

Utilizzo della Risorsa Geotermica: Utilizzo della Risorsa Geotermica: applicazioni a Pompa di Calore

e quadro generale della Tecnologia

Dr. Ing. Antonella Priarone

Prof. Ing. Marco Fossa

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Gruppo di ricerca Gruppo di ricerca UnigeUnige sulle sulle Pompe di Calore GeotermichePompe di Calore GeotermichePompe di Calore GeotermichePompe di Calore Geotermiche

M F PhD P f A iMarco Fossa, PhD, Professore Associato

Docente di Energie Rinnovabili, Direttore del C G t i di U iCorso Geotermia di Unige.Aree di interesse: Pompe di calore geotermiche, energie rinnovabili, scambio termico

Antonella Priarone, PhD, Ricercatore

Aree di interesse: Pompe di calore pgeotermiche, scambio termico bifase

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• Introduzione

• Alta Entalpia: produzione geotermoelettrica e usi diretti

• Bassa entalpia: le pompe di calore geotermiche

• La ricerca al DIME

• Conclusioni

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IntroduzioneIntroduzione

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Geotermia: classificazioneGeotermia: classificazioneS

ourcePompe di calore Geotermia per usi diretti o produzione : Häring G

eo

geotermiche di energia elettrica (Alta Entalpia)

o-Project, S

teiinmaur / D

.Paahud, SU

PS

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Utilizzazione delle risorse geotermiche Utilizzazione delle risorse geotermiche nel mondonel mondonel mondonel mondo

U i t i i Usi termici

(78 Paesi)

50500 MW potenza 50500 MWt potenza

122000 GWht/anno

Generazione elettrica

(24 Paesi)

10900 MW t 10900 MWe potenza

67200 GWhe/anno

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La geotermia nel quadro energetico La geotermia nel quadro energetico nazionale (2010)nazionale (2010)nazionale (2010)nazionale (2010)

CONSUMO TOTALE DI ENERGIA 170⋅106 TEPCONSUMO TOTALE DI ENERGIA 170⋅106 TEP

• combustibili fossili 82 %

• idroelettrica e altre fonti rinnovabili 13 %

• energia elettrica importata 5 %

GEOTERMIA 1.32 ⋅106 TEP (0,8% del totale) ( , )

•Generazione elettrica 1.02 ⋅106 TEP (0,6% del totale)

•Usi termici 300 000 TEP (0.2% del totale)

1 Tep = 11 63 MWh

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1 Tep = 11.63 MWh

Alta entalpia: produzione Alta entalpia: produzione geotermoelettricageotermoelettrica e usi direttie usi direttigeotermoelettricageotermoelettrica e usi direttie usi diretti

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Il calore dalla Il calore dalla terra: il caso terra: il caso terra: il caso terra: il caso ItalianoItaliano

T<40

Cataldi et al60 T 70 Cataldi et al., Geothermics, 1995, Vol. 24

T>300

60<T<70

250<T<300

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Produzione Produzione geotermoelettricageotermoelettrica : : geotermoelettricageotermoelettrica : : LarderelloLarderello

Potenza geotermoelettrica installata complessiva 810.5 MWe

Produzione netta complessiva nell’anno 2006 5 2 TWhProduzione netta complessiva nell anno 2006 5.2 TWh

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Usi diretti: Teleriscaldamento Usi diretti: Teleriscaldamento Il caso di FerraraIl caso di FerraraUsi diretti: Teleriscaldamento Usi diretti: Teleriscaldamento Il caso di FerraraIl caso di FerraraIl caso di FerraraIl caso di FerraraIl caso di FerraraIl caso di Ferrara

Sistema Energetico Integrato:

• Energia geotermica: 14 MW, 2 Pozzi, profondità 2000 mFluido geotermico: Gtot = 400 m3/h, T = 100-105°CDisponibilità di utilizzazione continua

• Impianto WtE: potenza termica massima per TLR pari a 29 MW

• Caldaie a metano di integrazione e serbatoi d’accumulo

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Caldaie a metano di integrazione e serbatoi d accumulo

Bassa entalpia: Bassa entalpia:

Le pompe di calore Le pompe di calore geotermichegeotermichegeotermichegeotermiche

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Lavoro spesoPompa di calorePompa di calore

COMPRESSORE

Sorgente calda: ambiente da

Sorgente fredda: suolo, acqua, aria

riscaldareEVAPORATORE CONDENSATORE

VALVOLA di ESPANSIONE

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Pompe di calore geotermichePompe di calore geotermicheLe pompe di calore geotermiche (Le pompe di calore geotermiche (GCHPsGCHPs) sono sistemi che combinano ) sono sistemi che combinano Le pompe di calore geotermiche (Le pompe di calore geotermiche (GCHPsGCHPs) sono sistemi che combinano ) sono sistemi che combinano una pompa di calore con uno scambiatore di calore interrato.una pompa di calore con uno scambiatore di calore interrato.

PompaPompa didi calorecalore

ScambiatoreScambiatore didi calorecalore((interratointerrato o con o con prelievoprelievo didi acqueacque

superficialisuperficiali e g mare) e g mare)

TerrenoTerreno come come sorgentesorgente

superficialisuperficiali, e.g. mare), e.g. mare)

TerrenoTerreno come come sorgentesorgenteTerrenoTerreno come come sorgentesorgentefreddafredda in in invernoinverno

TerrenoTerreno come come sorgentesorgentecaldacalda in estatein estate

Nei sistemi GCHP il COP dell’impianto può superare abbondantemente il valore di 4

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GCHP in EuropaGCHP in Europa

MWMW

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Configurazioni impiantistiche Configurazioni impiantistiche

usanousano un un fluidofluido cheche circolacircola neglinegli

GliGli scambiatoriscambiatori didi calorecalore interratiinterrati possonopossono essereessere::

chiusichiusi usanousano un un fluidofluido cheche circolacircola neglinegliscambiatoriscambiatori, , compiendocompiendo un un circuitocircuito chiusochiuso

chiusichiusi

apertiaperti usanousano acqueacque superficialisuperficiali come come fluidofluido vettorevettore

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Configurazioni impiantistiche: Configurazioni impiantistiche: Circuito chiusoCircuito chiusoCircuito chiusoCircuito chiuso

O i t lO i t lOrizzontaleOrizzontaleConfigurazioniConfigurazioniVerticaleVerticale (BHEs)(BHEs)

I I BHEsBHEs sonosono la la soluzionesoluzione adottataadottata piùpiù didi frequentefrequente grazie a:grazie a:ilil basso basso impattoimpatto deidei lavorilavori in in superficiesuperficiele le loroloro buonebuone prestazioniprestazioni termichetermichele le loroloro buonebuone prestazioniprestazioni termichetermiche

I BHEs I BHEs sonosono costituiticostituiti dada::I BHEs I BHEs sonosono costituiticostituiti dada::tubitubi didi plasticaplastica inseritiinseriti nellenelleperforazioniperforazioniilil i li l didi i ii i hhilil materialemateriale didi riempimentoriempimento, , checheoccupaoccupa lo lo spaziospazio rimanenterimanente nellanellaperforazioneperforazione

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Configurazioni impiantistiche: Configurazioni impiantistiche: Circuito chiusoCircuito chiusoCircuito chiusoCircuito chiuso

Impianto GCHP con 30 sonde doppio tubo a U con fluido termovettore acqua

Traforo Frejus (Bardonecchia), 295 kW

Le perforazioni per GCHP‘più profonde d’Italia’:

profondità media 298 mprofondità media 298 m

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Configurazioni impiantistiche: Configurazioni impiantistiche: Circuito apertoCircuito aperto

I i t GCHP d di f ld (14°C)

Circuito apertoCircuito aperto

Impianto GCHP ad acqua di falda (14°C) per teleriscaldamento

Quartiere ‘Canavese’ (Milano), 15 MW

Il progetto sarà replicato in altri 4 quartieri p g p qperiferici di Milano, per un totale finale di

circa 200000 abitanti serviti

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Configurazioni impiantistiche: Configurazioni impiantistiche: Circuito apertoCircuito apertoCircuito apertoCircuito aperto

Impianto GCHP ad acqua di mare per teleriscaldamentop

Stoccolma, 180 MW

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Configurazioni impiantistiche: Configurazioni impiantistiche: Circuito apertoCircuito apertoCircuito apertoCircuito aperto

I i GCHP d fl

Filtrazione acque reflue

Impianto GCHP ad acqua reflue(sistema fognario cittadino) per teleriscaldamento

Helsinki, 60 MW

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La ricerca al DIMELa ricerca al DIME

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La ricerca su GCHP al DIME:La ricerca su GCHP al DIME:Simulazione dinamica della Simulazione dinamica della

L’ li i d ll’i i t GCHP d

risposta termica del terrenorisposta termica del terreno

L’analisi dell’impianto GCHP deve essere correlata all’analisi dei fabbisogni termici dell’edificio, al fine di ottenere i più alti Coefficienti di Prestazione (COP).

Un corretto dimensionamento dell’intero sistema garantisce un ottimale sfruttamento della ottimale sfruttamento della risorsa geotermica e una riduzione dei costi di perforazione e installazione delle sonde interrate.

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La ricerca su GCHP al DIME:La ricerca su GCHP al DIME:Simulazione dinamica della Simulazione dinamica della risposta termica del terrenorisposta termica del terreno

Nelle configurazioni a circuito chiuso, il terreno si comporta in maniera dinamica in maniera dinamica, immagazzinando e cedendo calore alla pompa geotermica.

Sono pertanto indispensabili modelli di tipo dinamico modelli di tipo dinamico tempovariante per il dimensionamento dei sistemi GCHPGCHP.

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La ricerca su GCHP al DIME:La ricerca su GCHP al DIME:Il codice di calcolo dinamico Il codice di calcolo dinamico TecGeoTecGeo

Il codice calcola l'andamento tempovariante della temperatura del fluidovettore di ritorno dalle sonde in funzione della configurazione del camposonde delle proprietà del terreno e dei carichi termici stagionali richiestisonde, delle proprietà del terreno e dei carichi termici stagionali richiestiall'impianto di climatizzazione.

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Validazione del codice Validazione del codice TecGeoTecGeo con il codice con il codice di riferimento europeo EEDdi riferimento europeo EED

Il Il codicecodice EED EED (Hellström e Sanner 2001) è stato scelto come riferimento per confrontare i risultati ottenuti con il codice TecGeo

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La ricerca su GCHP al DIME: La ricerca su GCHP al DIME: Impianto pilota dell’ospedale Impianto pilota dell’ospedale S.MartinoS.Martino di Genovadi Genovap p pp p p

L’impianto geotermico sperimentaleèè stato installato all’interno dell’ospedale San Martino di Genovaal servizio dei locali destinati all’asilo nido aziendale della struttura.

Caratteristiche:2 scambiatori verticali BHE, 2 scambiatori verticali BHE, 90 m profondità, double U pipe10 KW (in riscaldamento)Prestazioni misurate (2006-2008) COP=4.2 nel mese di gennaio

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CONCLUSIONICONCLUSIONILa La geotermiageotermia ha ha rappresentatorappresentato e e rappresentarappresenta in Italia in Italia unauna fontefonteLa La geotermiageotermia ha ha rappresentatorappresentato e e rappresentarappresenta in Italia in Italia unauna fontefonteenergeticaenergetica didi primariaprimaria importanzaimportanza, , ilil cui cui svilupposviluppo devedeve essereessereperseguitoperseguito con con conoscenzeconoscenze tecnichetecniche e e quadriquadri normativinormativi adeguatiadeguati..

Le Le opportunitàopportunità cheche esistonoesistono per per gligli sviluppisviluppi futurifuturi nelnel nostronostro PaesePaeseriguardanoriguardano siasia la la produzioneproduzione didi energiaenergia elettricaelettrica, , siasia gligli usiusi direttidiretti a a

di di ii l’ ilil’ ili didi POMPE POMPE didi CALORE CALORE i hi hmedia media temperaturatemperatura, , siasia l’utilizzol’utilizzo didi POMPE POMPE didi CALORE CALORE geotermichegeotermiche(GCHP).(GCHP).

L L GCHP ( GCHP ( i iti it tt hihi ) ) tt lit tlit t l l Le Le GCHP (a GCHP (a circuitocircuito apertoaperto o o chiusochiuso) ) rappresentanorappresentano solitamentesolitamente la la soluzionesoluzione impiantisticaimpiantistica per la per la climatizzazioneclimatizzazione deglidegli edificiedificienergeticamenteenergeticamente piùpiù efficienteefficiente..

SonoSono necessarinecessari incentiviincentivi ee specifichespecifiche competenzecompetenze per un per un correttocorrettodimensionamentodimensionamento affinchèaffinchè questequeste tecnologietecnologie rappresentinorappresentino ancheancheunauna soluzionesoluzione economicamenteeconomicamente vantaggiosavantaggiosa; la ; la loroloro largalarga diffusionediffusionecostituirebbecostituirebbe inoltreinoltre un’opportunitàun’opportunità per la per la riduzioneriduzione delledelle emissioniemissioniserraserra complessivecomplessive e per la e per la crescitacrescita tecnologicatecnologica del del sistemasistema paesepaese..

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pp pp gg pp

GRAZIE dell’ATTENZIONE!GRAZIE dell’ATTENZIONE!

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Convegno Green Port, Genova 10 novembre 2011

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Corso di formazione in:

PROGETTAZIONE DI SISTEMI GEOTERMICI A BASSA ENTALPIA PER APPLICAZIONI A

POMPA DI CALORE

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