LE RISORSE RINNOVABILI: Lo sfruttamento della risorsa geotermica a bassa temperatura

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1 Università degli studi di Genova DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC LE RISORSE RINNOVABILI: Lo sfruttamento della risorsa geotermica a bassa temperatura Corso di Energie Rinnovabili 1 Marco Fossa Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, DIPTEM Rev. 06/12/2007 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.1/ 65 Contenuti Il calore dalla terra Sfruttamento termico a grandi profondità Acquiferi profondi e Hot Dry Rocks Pompe di calore geotermiche Diffusione della tecnologia nel mondo Caratteristiche del suolo Scambiatori interrati Costi e criteri di dimensionamento M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.2/ 65 1

2 Il calore della terra (I) More than 99% of earth mass has a temperature greater than 1000 C. Only 0.1% of earth mass is cooler than 100 C Crosta 5-50km The type of geothermal application depends on the temperature level of the geothermal reservoir. For a normal geothermal temperature gradient (about 3 C per 100 m), the type of application is related to the depth : m heating with heat pumps; m heating without heat pumps (aquifers); m hot dry rock systems, heat and power production. Nocciolo T 6000 C Mantello T>1200 C M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.3/ 65 Il calore della terra (II) Source: Häring Geo-Project, Steinmaur / D.Pahud, SUPS M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.4/ 65 2

3 Il calore della terra (III) Installed geothermal power capacity (MWe) worldwide in 1997 (source: Brunner and al., 2000, D.Pahud, 2002). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.5/ 65 Il calore della terra (IV) Worldwide installed geothermal capacity for electricity production, in MWe (source: EurObserv ER, 2000,, D.Pahud, 2002). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.6/ 65 3

4 Il calore della terra (IVb) Source: M. Kaltschmitt, S. Frick, 2006 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.7/ 65 Il calore della terra (V) Worldwide installed geothermal capacity for production of heat, in MW th (source: EurObserv ER, 2000, D.Pahud, 2002). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.8/ 65 4

5 Il calore della terra, scenari Geothermal development scenarios for 2005 and 2010 (source: Brunner and al., 2000, D.Pahud, 2002). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.9/ 65 Il calore della terra, Tecnologie (I) La tecnologia Hot Dry Rock è concettualmente semplice. Consiste nell iniettare a profondità idonee acqua in un sistema di rocce fratturate e prelevare la stessa (o il suo vapore) attraverso un altra perforazione. In superficie un impianto di tipo Rankine organico (ORC) provvede alla conversione termodinamica, con produzione di elettricità e calore. Difficoltà risiedono nell individuare (o creare..) i volumi fratturati e nella disponibilità di grandi quantità di acqua M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.10/ 65 5

6 Il calore della terra, Tecnologie (II) La tecnologia che sfrutta gli Acquiferi profondi si basa sul prelievo e la reimmissione di acqua termale dal sottosuolo ( m profondità). In superficie un impianto per la conversione termodinamica (ORC o impianto Kalina) provvede alla conversione termodinamica, con produzione di elettricità e calore. Altra possibilità è il solo sfruttamento termico, con l eventuale utilizzo di pompe di calore M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.11/ 65 ORC Il calore della terra, Tecnologie (III) La tecnologia che utilizza i Cicli Rankine Organici si basa sull impiego di fluidi organici quali propano (R290), C 4 F 8 (RC318), isobutano per realizzare un ciclo Rankine M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.12/ 65 6

7 Source: M+W Zander, 2006 Il calore della terra, Tecnologie (III) La tecnologia che utilizza i Cicli Kalina si basa sull impiego di miscele binarie, per realizzare un passaggio di fase a temperature variabili M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.13/ 65 Il calore della terra, Realizzazioni (I) Source: Rödl & Partner M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.14/ 65 7

8 Il calore della terra, Realizzazioni (II) Utilization of thermal water from a depth of 3,350 m production of up to 38 MWt installation of a power plant with the capacity of 3.36 MW el first construction phase 28 MWt, second construction phase 40 MWt Heat Exchanger: 1 x Heat supply, 1 x Electricity supply Pump and Turbine Installations: Pilot pump, at technical limit actually Reinjection Well: Drilling plan: depth: 3,300 m, Diameter casing: 16 inch Production Well: Depth: 3,350 m, Production rate: 150 l/s, Temperature 122 C; Thermal Water Pipeline / District Heating: Length: 3.6 km app. 10 km District supply of Unterhaching (22,000 inhabitants) in the long run (70 MW) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.15/ 65 Il calore della terra, Realizzazioni (III) Source: Rödl & Partner M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.16/ 65 8

9 Il calore della terra, Tecnologie (IV) Heat storage M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.17/ 65 Consumo di energia primaria per usi civili In ambito nazionale, i consumi di energia primaria nel settore civile (produzione di acqua sanitaria e riscaldamento) rappresentano circa il 20% del consumo complessivo 22 % M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.18/ 65 9

10 Pompe di calore Sorgente calda Liquido alta pressione alta temperatura Liquido bassa pressione bassa temperatura Sorgente fredda Vapore alta pressione alta temperatura Vapore bassa pressione bassa temperatura La favorevole (e costante) temperatura del terreno e delle acque di falda, suggeriscono di utilizzare la risorsa geotermica per applicazioni con pompe di calore Aria Acqua Suolo M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.19/ 65 Pompe di calore ad acqua di falda (I) Il progetto di AEM, Milano M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.20/ 65 10

11 Pompe di calore ad acqua di falda (II) Il progetto di AEM, Milano 30 MWt da pompe di calore, (2 unità da 15MWt, temp. di mandata circa 90 C, Cop= 2.8) MWt da cogenerazione mediante motoria gas 45 MWt da caldaie a gas, mediante3 caldaie da15 MWt ciascuna(una diriserva) 80 MWht di accumulo su 3 serbatoi d accumulo ad acqua calda di potenza pari a 20 MWt M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.21/ 65 Pompe di calore ad acqua di falda (III) Il costo variabile durante la giornata del kwe favorisce gli utilizzi energetici nelle ore fuori picco, quali le pompe di calore collegate a serbatoi di accumulo termico M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.22/ 65 11

12 Pompe di calore ad acqua di falda (IV) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.23/ 65 Pompe di calore con scambiatori interrati M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.24/ 65 12

13 Andamento della temperatura del suolo in funzione della profondità (I) (Sito tedesco) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.25/ 65 Andamento della temperatura del suolo in funzione della profondità (II) Temperatura del suolo [ C] Profondità [m] Temperatura aria Gennaio Marzo Maggio Luglio Settembre Novembre Mese Andamento della temperatura del terreno negli strati superficiali M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.26/ 65 13

14 Meccanismi di scambio termico tra terreno e ambiente M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.27/ 65 Disposizioni dello scambiatore interrato orizzontale di tipo lineare e a spirale Energia estratta annua kwh/anno m 2 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.28/ 65 14

15 Disposizioni degli scambiatori interrati verticali in parallelo Borehole Heat Exchanger,, BHE Energia estratta annua 100 kwh/anno m M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.29/ 65 INSTALLAZIONE DELLE SONDE GEOTERMICHE M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.30/ 65 15

16 Schema semplificato di un sistema per il solo riscaldamento M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.31/ 65 Sistema GHP per riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.32/ 65 16

17 Diffusione delle GHP e scenari Macchine certificate (CH, D, A) Diffusione GHP in Europa COP Condizioni Operative (EN 255) 3.0 A2/W B0/W B0/W35 Vendite annue GHP in Germania 30 Produttori, 100 modelli SITUAZIONE USA (anno 2000) GHP Installate in Svizzera impianti di cui: 46% BHE 38% sonde orizzontali 600 scuole Tasso di crescità unità/anno M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.33/ 65 Diffusione delle GHP e scenari (II) Vendita Ghp in Svezia (fonte: Hellström, 2006) Installazioni ghp nei dintorni di Gothenburg Fonte: Hellström m (2006) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.34/ 65 17

18 Sviluppo capacità installata GHP in Svizzera Sviluppo numero di GHP installate in Svizzera Quota di PDC vendute annualmente in Germania Capacità e numero GSHP installate nel mondo al 2004 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.35/ 65 Applicazione ad un grande edificio (controllo del traffico aereo in Langen, Francoforte) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.36/ 65 18

19 Captatori geotermici Integrati nelle fondazioni (GeoPiles) Dock Midfield, 300 pali geotermici Dock Midfield, aeroporto di Zurigo (Ref. D.Pahud, Raffrescamento gratuito, free cooling (Dock Midfield, 58000m2, anno 2006, 580 MWh/anno) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.37/ 65 Sonde verticali BHE - tipologia Sonda singola Resistenza interna conduttiva BHE [K/W m] Diametro perforazione 0.11 m, Tubo PE DN 25 PN10 b Doppia sonda Interasse [mm] Tipo di sonda 70 U Singolo 70 U Doppio 50 U Singolo 50 U Doppio Conducibilità termica del riempimento (grout) [W/m K] Matrice di 4 sonde M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.38/ 65 19

20 Sonde verticali BHE tipologia (II) Fonte: Haka Gerodur M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.39/ 65 Sonde verticali BHE tipologia (III) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.40/ 65 20

21 Sonde verticali BHE tipologia (IV) Sonde coassiali complesse M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.41/ 65 Flusso termico estratto in sistemi di piccola potenza (BHE) Overall heat extraction Soil type 1800h/year 2400h/year bad underground (λ <1,5 W/m/K) 25W/m 20 W/m regular rock and water saturated sediments (λ =1,5-3,0 W/m/K) 65 W/m 50 W/m rock λ > 3,0 W/m/K 84 W/m 70 W/m Different underground: gravel, sand dry <25 W/m <20 W/m gravel, sand watersaturated W/m W/m clay, loam humid W/m W/m limestone (massive) W/m W/m sandstone W/m W/m acid magmatites (e.g. granite) W/m W/m basic magmatites (e.g. basalt) W/m W/m gneiss W/m W/m high groundwater-flow in gravel/sand for single systems W/m M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.42/ 65 21

22 Temperatura del suolo durante l estrazione termica (I) Il calore prelevato dalle sonde geotermiche soddisfa un bilancio di energia che nel breve/medio periodo coinvolge in maniera predominante la capacità termica della massa di sottosuolo e nel lungo periodo gli scambi termici per conduzione con gli strati adiacenti di terreno, il flusso geotermico, l apporto solare, gli scambi termici associati alla percolazione dell acqua precipitata e il flusso di acqua freatica. il problema del dimensionamento delle sonde interrate deve considerare il meccanismo del progressivo depauperamento termico che il suolo subisce nel corso degli anni qualora il funzionamento del sistema GHP avvenga senza rigenerazione (e.g. senza immissione di calore nel terreno, cosa che può avvenire se il sistema geotermico è utilizzato per le operazioni di raffrescamento). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.43/ 65 Temperatura del suolo durante l estrazione termica (II) Misure sono state effettuate nel terreno su un istallazione svizzera (Elgg, vicino a Zurigo) nelle vicinanze di una sonda singola verticale (profondità 105 m), alla distanza radiale di 0.5 e 1 m e a diverse posizioni verticali 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85, and 105 m. Le osservazioni hanno riguardato 5 anni e il diagramma riassuntivo dei rilevamenti è riportato nelle figure successive, dove le temperature del terreno ad un metro di distanza dalla sonda riportate in funzione dellaprofondità con il tempo (in anni) a parametro. Si può osservare che nel caso di una sonda singola, dopo qualche anno il processo di raffreddamento si esaurisce e il profilo di temperatura del terreno raggiunge un andamento stabile. Gli andamenti di temperatura del terreno su scale temporali più brevi (ciclo di funzionamento orario, attacca e stacca ) sono decisamente diversi e mostrano gradienti di temperatura molto forti e differenze di temperatura tra zona indisturbata (far field) e strati immediamente adiacenti alla sonda fino a 5-10 C. Durante il ciclo di prelievo termico ha luogo infatti un notevole raffreddamento degli strati del suolo prossimi alla sonda, con una zona radiale interessata al fenomeno dell ordine delle decine di centimetri. Questa medesima regione, durante le ore in cui la pompa di calore è inattiva ed il prelievo termico è azzerato, è sede di una risalita della temperatura (ciclo orario). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.44/ 65 22

23 Temperatura del suolo durante l estrazione l termica (III) Profilo di temperatura nel terreno ad 1 m di distanza da una sonda geotermica verticale al trascorrere degli anni di esercizio (Fonte Rybach e Eugster, 1997) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.45/ 65 Temperatura del suolo durante l estrazione termica (IV) Profili di temperatura nel terreno intorno ad una sonda geotermica verticale (Funnel distribution, profilo ad imbuto) Andamento delle isoterme intorno ad una sonda geotermica di 105 m, durante il funzionamento in Elgg/ZH, Svizzera (Fonte Rybach e Eugster, 1997) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.46/ 65 23

24 Costi di impianto e costo delle sonde interrate M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.47/ 65 Criteri di dimensionamento (I) General Heat Conduction Equation (cyl. Coordinates) Axial simmetric heat Conduction Equation Il principio di sovrapposizione delle soluzioni nello spazio e nel tempo (Vedi lezione in aula del Docente) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.48/ 65 24

25 Criteri di dimensionamento (II) Line Source Model The line source developed by Kelvin and later solved by Ingersoll and Plass (1948) Q Q T = T(r) T gr, α = ground diffusivity (m 2 /s) Q Mezzo omogeneo Q = Esponential integral M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.49/ 65 Criteri di dimensionamento (II) Cylindrical Source Model Ingersoll et al. (1950, 1954) Q T = T(r) T gr, α = ground diffusivity (m 2 /s) J 0, J 1, Y 0, Y 1 Funzioni di Bessel di ordine 0 ed 1 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.50/ 65 25

26 Criteri di dimensionamento (IIb) Cylindrical Source Model Ingersoll et al. (1950, 1954) F o = Mezzo omogeneo T gr, M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.51/ 65 Criteri di dimensionamento (IIc).. Q=2.5 kw (Q/L = 25 W/m) Conditions: Borehole diameter = 6 inches Ground conductivity = 2.1 W/m-K Ground diffusivity = 0.08 m 2 /day Far-field temperature = 10 o C 100 m Courtesy of M. Bernier, EP Montreal 52 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.52/ 65 26

27 Criteri di dimensionamento (III) Soluzione numerica agli elementi finiti del campo termico intorno ad una sonda verticale a singolo U M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.53/ 65 Criteri di dimensionamento (IV) G.Hellstrom, 2007 Courtesy of M.Bernier Le funzioni di trasferimento g (g-functions) ottenute per via numerica consentono il calcolo del transitorio termico per sistemi di sonde complessi, con carico termico costante per unità di lunghezza. (Eskilson 1987, Hellstrom, 1997) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.54/ 65 27

28 Criteri di dimensionamento (IVb) Le funzioni di trasferimento g (g-functions) ottenute per via numerica 3D consentono il calcolo del transitorio termico per sistemi di sonde complessi (Eskilson 1987, Hellstrom, 1997) Q τ T borehole (τ) 2πk gr T ground = T gr, M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.55/ 65 Criteri di dimensionamento (V) Sorgente lineare finita Eskilson (1987), Zang (2004) Lamarche et Beauchamp (2007) 2 β + 1 Q = erfc θ dz DA 2πk 2 2 β z β 2 β 2 β + 4 ( γz) erfc( γz) + 1 z 2 β 2 dz D B M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.56/ 65 28

29 Criteri di dimensionamento (VI) Q Q (τ) R b = (singolo U) R b = (doppio U, k grout >1.5) R b = (coassiale complesso) T borehole (τ) Q τ 2πk gr M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.57/ 65 Il codice Tec-Geo Reference: M.Fossa, Dalla Pietà, XXIV conf. UIT, 2006 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.58/ 65 29

30 Caratteristiche software TecGeo Le principali particolarità del programma di calcolo TecGeo, rispetto ad altri softwares commerciali (e.g. EED), sono: il calcolo tempovariante del COP. E possibile scegliere di eseguire la simulazione fissando i COP in riscaldamento e raffrescamento, oppure scegliere l opzione COP variabili, nella quale il programma calcola iterativamente il COP in funzione della temperatura in ingresso alla pdc. In questo caso è necessario fornire alcuni punti della curva caratteristica della pdc, tra i quali il programma esegue un interpolazione lineare. la ricerca della lunghezza minima delle sonde dato un intervallo di temperatura in ingresso alla pdc. Impostando le temperature minime e massime ammesse in ingresso alla pdc e fornendo una lunghezza minima delle sonde, il software calcola, a partire dalla lunghezza minima imposta, la lunghezza minima che le sonde devono avere per mantenere la temperatura in ingresso alla pdc nell intervallo dato. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.59/ 65 Esempio di calcolo: temperatura del fluido di ritorno nel tempo M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.60/ 65 30

31 Confronti TecGeo - EED Sonda Singola H = 110 m, singolo U TecGeo EED TecGeo EED TecGeo EED TecGeo EED TecGeo EED I Anno II Anno V Anno X Anno XV Anno 1 7,27 6,96 6,38 6,21 5,95 5,97 5,73 5,83 5,63 5,76 2 8,07 7,83 7,43 7,35 7,02 7,12 6,80 6,98 6,70 6,91 3 8,90 8,72 8,35 8,35 7,96 8,13 7,75 8 7,65 7, ,00 10,9 10,50 10,6 10,12 10,39 9,91 10,26 9,81 10, ,01 12,99 12,57 12,73 12,21 12,52 12,01 12,39 11,91 12, ,43 16,78 17,43 16,56 17,56 16,35 17,64 16,23 17,68 16, ,57 20,21 20,64 20,01 20,77 19,81 20,84 19,69 20,88 19, ,00 20,74 21,13 20,56 21,26 20,37 21,33 20,25 21,37 20, ,52 18,21 18,64 18,05 18,76 17,87 18,83 17,75 18,87 17, ,10 13,64 13,05 13,49 12,75 13,32 12,56 13,2 12,47 13, ,57 10,58 10,31 10,44 10,02 10,27 9,84 10,16 9,74 10, ,70 7,58 7,46 7,45 7,18 7,29 7,00 7,17 6,90 7,1 Media diff. 0,26 Media diff. 0,31 Media diff. 0,48 Media diff. 0,59 Media diff. 0,65 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.61/ 65 Misura delle caratteristiche del suolo, TRT (I) Il Termal Response Test (TRT), è la procedura adottata per la misura delle proprietà del terreno (conducibilità) e della resistenza interna del BHE, direttamente in situ. G.Hellstrom, 2007 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.62/ 65 31

32 Misura delle caratteristiche del suolo, TRT (II) Test equipments developed by EPFL M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.63/ 65 Misura delle caratteristiche del suolo, TRT (III) T f = media aritmetica tra temperatura del fluido in mandata (T fin ) e temperatura del fluido al ritorno dallo scambiatore interrato M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.64/ 65 32

33 Fine presentazione M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.65/ 65 33