LE APPLICAZIONI DELL ENERGIA GEOTERMICA. impianti_geotermia

Transcript

1 impianti_geotermia Luca Ceccotti ingegnere, Phd in Energetica LE APPLICAZIONI DELL ENERGIA GEOTERMICA L energia geotermica, cioè il calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre, rappresenta un importante risorsa energetica rinnovabile utilizzabile, mediante pompe di calore, per la climatizzazione degli edifici. Quando si parla di energia geotermica si intende il calore contenuto all interno della Terra, che può essere sfruttato dall uomo direttamente come tale o in seguito alla sua trasformazione in un altra forma energetica, come ad esempio quella elettrica. Questo flusso di energia, che si propaga dalle zone più interne del nostro pianeta, è dovuto in parte al calore originario ancora contenuto nel nucleo e nel mantello, e in parte al calore radiogenico derivante dal decadimento degli isotopi radioattivi dell uranio (U 238 e U 239 ), del torio (Th 232 ) e del potassio (K 40 ) presenti all interno del globo terrestre. Valutando il flusso termico emesso attraverso la superficie terrestre e quello proveniente dal decadimento degli isotopi radioattivi, si è giunti alla conclusione che in questo caso non vi è equilibrio tra calore disperso e calore generato. Pertanto, si può affermare che il nostro pianeta si sta raffreddando, seppur molto lentamente. Per avere un riferimento, per il mantello terrestre, che si trova a una temperatura media di 4000 C, il raffreddamento è stimato in circa 300 C in tre miliardi di anni. L energia termica della Terra è enorme e finora è stata sfruttata direttamente solo nelle zone in cui particolari condizioni geologiche permettono all acqua, in fase liquida o di vapore, di trasportare il calore dalla profondità del pianeta fino alla sua superficie, o in prossimità della stessa. La temperatura del terreno, nei primi metri al di sotto della superficie, corrisponde con buona approssimazione a quella media dell aria esterna, ed è prossima a 15 C nella nostra fascia cli- matica. Scendendo in verticale, questa temperatura aumenta con la profondità in media di circa 2,5-3 C ogni 100 metri. È proprio questa differenza di temperatura a dare origine al flusso di calore dall interno verso l esterno della Terra. In alcune zone particolari questo gradiente può raggiungere valori superiori anche di dieci volte quello normale. Il sistema geotermico Un sistema geotermico è formato dalla sorgente di calore, da un serbatoio e dal fluido che trasporta il calore. La sorgente può essere un anomalia costituita da magma che si è posizionato a una profondità relativamente piccola, e in tal caso è ad alta temperatura, oppure può essere il normale calore della terra, caratterizzato da un livello termico relativamente basso. Con il termine serbatoio si intende di solito un insieme di rocce calde e permeabili dove i fluidi possono circolare assorbendo il calore, ricoperto da strati di roccia impermeabile. Il fluido geotermico è generalmente costituito da acque di origine meteorica che si trovano in fase liquida o di vapore a seconda delle condizioni di temperatura e pressione. Nelle località caratterizzate da attività geotermica ad alta temperatura, le acque meteoriche che penetrano nella zona serbatoio vengono riscaldate dal flusso termico derivante dagli strati magmatici più vicini alla superficie. Questo fluido più caldo e a minore densità tende a salire e a essere sostituito dal fluido più freddo e di densità Larderello, inserimento delle torri evaporative nel paesaggio (Autore: Janericloebe). 72 _06

2 Profondità e temperature medie dei principali strati costituenti la Terra (Elaborazione; fonte Doc Carbur Licenza Creative Commons Attribuzione-Condividi allo stesso modo 3.0 Unported org/licenses/bysa/3.0/deed.it). maggiore proveniente dalle zone marginali più fredde. Nel caso di sistemi ad alta temperatura impiegati per la produzione di energia elettrica, i fluidi geotermici vengono estratti dal serbatoio, sono utilizzati per l alimentazione di una turbina a vapore, quindi possono tornare nel serbatoio attraverso appositi pozzi di reiniezione per permettere il processo di ricarica della sorgente e ridurre l impatto ambientale dell impianto. Il nostro Paese è stato un pioniere nell utilizzazione della risorsa endogena nella zona di Larderello, in Toscana, a partire dal 1827, prima per necessità legate all industria di estrazione dell acido borico poi, tra il 1910 e il 1940, per il riscaldamento di edifici residenziali, industriali e di serre. Inoltre, già nel 1904, proprio a Larderello fu effettuato con successo il primo esperimento per produrre elettricità dall energia contenuta nel vapore geotermico (vedi foto qui a lato). I bacini attualmente sfruttati per la produzione elettrica sono caratterizzati da temperature superiori a 150 C e profondità da poche decine a qualche migliaio di metri. Questi sistemi, che possono essere definiti tradizionali, consentono la produzione di energia elettrica in modo relativamente economico e permettono anche di utilizzare la fonte geotermica in modo diretto sotto forma di calore. Purtroppo però si tratta di una tecnologia applicabile limitatamente ad alcune località con caratteristiche particolari. In mancanza di disponibilità di calore a quote relativamente vicine alla superficie, esistono sistemi per sfruttare il calore di rocce poco permeabili a 4-5 km di profondità. Si parla in questo caso di geotermia profonda. È necessario prestare molta attenzione nell utilizzo di queste tecniche in quanto vi è un certo rischio di generare delle scosse sismiche. Ad esempio, a Basilea, nell inverno 2006/2007, si sono verificate alcune scosse durante l esecuzione di un progetto che aveva lo scopo di realizzare un serbatoio geotermico artificiale creando delle fratture nel granito a 5 km di profondità. Il progetto fu temporaneamente bloccato, ma oggi diversi Paesi, tra cui la stessa Svizzera e gli Stati Uniti, investono cifre consistenti nella ricerca volta allo sfruttamento della geotermia profonda. Questi sistemi, chiamati anche EGS (Enhanced Geothermal Systems) sembrano promettere risultati molto soddisfacenti. In particolare, permettendo l utilizzo dell energia del terreno in qualsiasi punto sul pianeta, rappresentano una tecnologia applicabile ovunque per approvvigionarsi di energia. Il terreno visto come fonte di energia rinnovabile La geotermia rappresenta una fonte energetica rinnovabile se è impiegata con attenzione, evitando errori di progettazione che porterebbero altrimenti a un progressivo impoverimento della sorgente, fino a renderla tecnicamente improduttiva. impianti 73

3 Nel confronto con le altre fonti rinnovabili, l affidabilità e le prestazioni degli impianti geotermoelettrici sono le migliori. Infatti, la fonte geotermica è disponibile in modo costante nel tempo, durante l intero arco dell anno. Nella ricerca di fonti per l approvvigionamento di energia che siano rinnovabili e sicure, in quanto non determinano una dipendenza da forniture straniere, soprattutto da Paesi politicamente instabili, è opportuno tenere in attenta considerazione la geotermia. Nello studio The future of Geothermal Energy del Massachusetts Institute of Technology, facendo riferimento alla situazione degli Stati Uniti, si afferma che, per perseguire l obiettivo di un incremento degli approvvigionamenti energetici da fonti indigene e rinnovabili, è necessario rivalutare tutte le alternative, in particolare quelle che sono ampiamente disponibili e ben distribuite sul territorio nazionale. Tra queste, un opportunità spesso trascurata è l energia geotermica, prodotta sia con i sistemi convenzionali basati sullo sfruttamento di risorse idrotermiche, sia con i sistemi detti EGS. Questi ultimi sfruttano l energia che può essere estratta a una maggiore profondità (tra i 3 e i 10 km) in qualsiasi punto della superficie della Terra. In Italia la quantità di impianti alimentati da fonti rinnovabili, utilizzati per la produzione di energia elettrica, è caratterizzata da un trend di crescita annuale che continua a mantenersi a livelli molto elevati da diversi anni. Il numero di impianti geotermici destinati alla produzione di energia elettrica è invece rimasto praticamente costante nel decennio , pur registrando un aumento della potenza complessivamente installata di circa il 23% nello stesso periodo, probabilmente grazie a un ammodernamento tecnologico degli impianti. Nel 2011 in Italia risultavano esistenti 33 impianti geotermoelettrici, per una potenza di 772 MW, corrispondente al 2% della potenza dell intero parco impianti a energia rinnovabile. Per quanto riguarda la distribuzione geografica sul territorio italiano, gli impianti sono concentrati nella regione Toscana, nelle province di Pisa, Siena e Grosseto. Rispetto agli altri Paesi UE, l Italia è l unico in cui la produzione geotermoelettrica ricopre un ruolo rilevante nel mix di produzione rinnovabile, con oltre 5 TWh nel Anche a livello mondiale, in base ai dati disponibili fino al 2009, l Italia si trova al terzo posto, dopo gli Stati Uniti e il Messico, per la quantità di energia elettrica prodotta con questa fonte (vedi grafico in alto). Le applicazioni dirette del calore del terreno Tra gli utilizzi non elettrici della risorsa geotermica vi sono quelli per la climatizzazione ambientale mediante pompe di calore, il riscaldamento di serre, l acquacoltura, il teleriscaldamento e Produzione geotermoelettrica nel mondo nel 2009 (Fonte: GSE). gli impieghi industriali. Fin dal 1938 una pompa di calore assicura il riscaldamento del Municipio della città di Zurigo prelevando calore dal fiume Limmat che attraversa la città. Il nuovo Palazzo Lombardia a Milano è climatizzato mediante pompe di calore ad acqua di falda. Utilizzando pompe di calore è possibile realizzare anche impianti di teleriscaldamento, come quello della zona di Milano Est denominato Canavese, costituito da pompe di calore ad alta temperatura e di grande potenza che sfruttano l energia geotermica contenuta nell acqua di falda. A Ferrara, l energia termica che alimenta il sistema di teleriscaldamento proviene oggi per il 41% da pozzi geotermici ed è in fase di realizzazione un progetto con il quale si prevede di incrementare di un ulteriore 15,4% il contributo di questa fonte (si veda box a pag. 77). Anche per singoli edifici residenziali di dimensioni più contenute è possibile realizzare impianti di climatizzazione che utilizzano pompe di calore geotermiche. Da qualche anno, infatti, le pompe di calore vengono spesso impiegate al posto delle caldaie nella climatizzazione di edifici. Questi generatori si distinguono a seconda del fluido da cui assorbono calore e di quello a cui lo cedono per riscaldare l ambiente interno. Quando il calore viene sottratto all aria, all acqua o al terreno, ed è utilizzato per innalzare la temperatura dell acqua di un impianto di riscaldamento, la pompa di calore sarà rispettivamente del tipo aria/acqua, acqua/acqua o terreno/acqua. L aria è la sorgente di calore più economica e facilmente raggiungibile ed è disponibile tutto l anno per 24 ore al giorno. La sua temperatura però è soggetta a continue variazioni nel corso di una giornata e pertanto anche l efficienza della pompa di calore varia piuttosto repentinamente. Dal punto di vista termico, l acqua di falda sarebbe conveniente per l alimentazione della pompa di calore in considerazione del fatto che la temperatura del fluido è pressoché costante e vicina a quella media annuale dell aria della località, se non addirittura più elevata in alcuni casi. Nonostante ciò, le difficoltà burocratiche da superare per lo sfruttamento del fluido di falda 74 _06

4 Sotto, scambiatore di calore realizzato con perforazione verticale (Fonte: Geotherm S.r.l.). In basso, scambiatore di calore realizzato con tubazioni installate orizzontalmente (Fonte: Geotherm S.r.l.). ne scoraggiano spesso l impiego, soprattutto nel caso di piccoli impianti. Pertanto, si sono diffusi i sistemi di captazione del calore realizzati mediante uno scambiatore di calore a circuito chiuso, costituito da tubazioni inserite in trivellazioni che raggiungono una lunghezza media di circa 100 metri l una (vedi imm. sotto). In altri casi le tubazioni sono posizionate orizzontalmente alla profondità di circa un metro dalla superficie del terreno (vedi imm. in basso). In questo modo vengono scongiurati i pericoli di inquinamento della falda, non essendoci scambio di fluidi tra questa e lo scambiatore interrato. In alcuni casi, per la realizzazione dello scambiatore si utilizzano le strutture che costituiscono le fondamenta di un edificio, quali ad esempio i pali, le pareti o le solette. All interno di queste strutture vengono inserite le tubazioni dello scambiatore, che sono poi annegate nel cemento della struttura, e quindi collegate alla pompa di calore. La lunghezza di ciascun tratto verticale può variare da qualche metro a una trentina di metri (vedi foto a pag. 76). L utilizzo del terreno come serbatoio di energia per una pompa di calore non è una novità in alcuni Paesi: in Svizzera, solo nel corso del 2006, sono stati installati circa un milione di metri di sonde geotermiche. A livello mondiale, i Paesi con il maggior numero di impianti di climatizzazione con pompe di calore geotermiche sono gli Stati Uniti, seguiti dalla Svezia, dalla Germania, dal Canada e dalla Svizzera. In ambito europeo, nel 2009 si stimavano essere installati circa impianti con pompe di calore geotermiche (vedi grafico a pag. 76). La corretta progettazione di un impianto geotermico è estremamente importante, sia per garantirne il funzionamento per tutta la durata dell edificio da climatizzare, sia per non deludere le aspettative di risparmio energetico da parte di chi ha effettuato l investimento in questa tecnologia. È necessario ridurre il più possibile il fabbisogno di energia dell involucro mediante un accurata progettazione dell isolamento. Se l impianto sarà utilizzato anche per la climatizzazione estiva, sarà di fondamentale importanza ridurre il carico termico utilizzando opportune schermature e predisponendo dei sistemi per la ventilazione. Tra gli obiettivi dei progettisti ci deve essere quello di bilanciare l energia prelevata dal terreno in inverno e quella ceduta allo stesso durante l estate, per evitare un progressivo impoverimento della risorsa termica. Lo scambiatore geotermico deve essere accuratamente dimensionato, sia dal punto di vista idraulico che geometrico. In particolare, la progettazione idraulica è fondamentale per evitare che si sviluppino perdite di carico eccessive con conseguente aumento dei consumi elettrici per il pompaggio. La determinazione del numero di sonde, della loro lunghezza e del loro posizionamento nell area destinata allo scambiatore geotermico è fondamentale per evitare inaccettabili abbassamenti della temperatura del terreno. Un sottodimensionamento dello scambiatore geotermico, dovuto a un errata valutazione o a un tentativo di contenere i costi dell impianto, determina un funzionamento della pompa di calore caratterizzato da un COP più basso, consumi più elevati nei primi anni e con potenziali interruzioni di funzionamento dopo qualche anno di esercizio a causa della diminuzione di temperatura del terreno fino al suo possibile congelamento. Il dimensionamento dello scambiatore va effettuato in modo preciso e professionale, impiegando adeguati metodi di calcolo e appositi software che consentano di determinare i parametri dell impianto utilizzando come dati di input fondamentali le caratteristiche termofisiche e idrogeologiche del terreno. Esiste la possibilità, utilizzando software di simulazione, di valutare l andamento della temperatura nel terreno nell intorno delle sonde geotermiche (vedi imm. in basso a pag. 76) e anche di prevedere il potenziale fenomeno chiamato solitamente deriva termica, costituito dalla diminuzione della temperatura del terreno nel tempo. Riferimenti normativi riguardanti la geotermia in Italia Senza la presunzione di essere esaustivi, elenchiamo le principali disposizioni legislative che riguardano lo sfruttamento della risorsa geotermica nel nostro Paese. impianti 75

5 Regio Decreto 29 luglio 1927, n Norme di carattere legislativo per disciplinare la ricerca e la coltivazione delle miniere nel regno G.U. 23 agosto 1927, n D.P.R. 18 aprile 1994, n. 382 Disciplina dei procedimenti di conferimento dei permessi di ricerca e di concessioni di coltivazione di giacimenti minerari di interesse nazionale e di interesse locale. Decreto Legislativo 11 febbraio 2010, n. 22 Riassetto della normativa in materia di ricerca e coltivazione delle risorse geotermiche, a norma dell articolo 27, comma 28, della legge 23 luglio 2009, n. 99. In questo Decreto, tra l altro, si definiscono come Piccole utilizzazioni locali di calore geotermico anche quelle effettuate mediante l installazione di sonde geotermiche che scambiano calore con il sottosuolo senza effettuare il prelievo e la reimmissione di acque calde o fluidi geotermici. In questo caso è richiesto il rispetto della specifica disciplina emanata dalla regione competente. Inoltre, il decreto citato specifica che le utilizzazioni tramite sonde geotermiche sono escluse dalle procedure regionali di verifica di assoggettabilità ambientale. Sotto, da sinistra, preparazione di un palo geotermico mediante una sonda elicoidale Helix XXL di lunghezza 12 m con tubo PE-Xa; vista interna di un palo geotermico realizzato con una sonda elicoidale Helix XXL con tubo PE- Xa; inserimento del palo (Fonte: Rehau S.p.A). Numero di pompe di calore installate per Paese in Europa. Fonte dei dati: EurObserv ER - Observatoire des énergies renouvelables. Temperature in una sezione verticale del terreno in prossimità di un campo di sonde geotermiche orizzontali. Funzionamento estivo. Si nota la zona più calda in prossimità delle sonde. Valori ottenuti mediante simulazione effettuata con software Fluent. Fonte: Tesi di laurea, DIEG, Università degli Studi di Udine. Temperature in una sezione verticale del terreno in prossimità di un campo di sonde geotermiche orizzontali. Funzionamento invernale. Si nota la zona più fredda in prossimità delle sonde. Valori ottenuti mediante simulazione effettuata con software Fluent. Fonte: Tesi di laurea, DIEG, Università degli Studi di Udine. 76 _06

6 Per quanto riguarda la sicurezza, citiamo: DPR 9 aprile 1959, n Norme di polizia delle miniere e delle cave. Decreto Legislativo 25 novembre 1996, n Attuazione della direttiva 92/91/CEE relativa alla sicurezza e salute dei lavoratori nelle industrie estrattive per trivellazione e della direttiva 92/104/CEE relativa alla sicurezza e salute dei lavoratori nelle industrie estrattive a cielo aperto o sotterranee. Decreto Legislativo 9 aprile 2008, n Attuazione dell articolo 1 della legge 3 agosto 2007, n. 123, in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro. Per il dimensionamento degli impianti geotermici con pompe di calore, nel mese di novembre 2012 sono state pubblicate le norme: UNI 11466:2012 Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti per il dimensionamento e la progettazione UNI 11467:2012 Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti per l installazione UNI 11468:2012 Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti ambientali. È inoltre disponibile la norma tedesca VDI Una metodologia analitica considerata tra le più sicure e affidabili per il dimensionamento delle sonde verticali è poi quella proposta dall ASHRAE. La Specifica Tecnica UNI/TS prevede un metodo di calcolo per determinare il fabbisogno mensile dei vettori energetici dei sottosistemi di generazione con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di acqua calda sanitaria. Questa valutazione è utile ai fini della determinazione del fabbisogno di energia primaria per le verifiche richieste dal DLgs 192/2005 e s.m. e i. e per la certificazione energetica degli edifici. Per quanto riguarda contributi e sgravi fiscali per chi installa pompe di calore geotermiche, a livello nazionale ricordiamo il DM 6 agosto 2009, contenente disposizioni in materia di detrazioni fiscali per gli interventi di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente. Tale decreto contempla tra i possibili interventi la sostituzione di impianti di climatizzazione esistenti con pompe di calore ad alta efficienza o con impianti geotermici a bassa entalpia. L installazione di impianti con pompe di calore geotermiche è considerata anche nello schema di decreto sul conto energia termico emanato l 8 novembre Applicazione dell energia geotermica al teleriscaldamento: l esempio di Ferrara Quello di Ferrara potrebbe diventare uno dei sistemi di teleriscaldamento più green del pianeta, grazie soprattutto alla geotermia. È questo uno dei principali obiettivi del progetto denominato Polo Energie Rinnovabili, predisposto dal Gruppo HERA S.p.A. Il Progetto svilupperà la rete di teleriscaldamento nella zona est di Ferrara, incrementando il numero di appartamenti equivalenti serviti dagli attuali a , ovvero circa il 40% degli alloggi della città. Cuore della nuova articolazione del teleriscaldamento sarà appunto il Polo delle Energie Rinnovabili, il cui motore verde saranno i 2 nuovi pozzi di prelievo geotermici (più uno di reimmissione), localizzati nella zona est della città. I pozzi potranno sviluppare una potenza di 14 MWt (megawatt termici). L acqua calda dei pozzi potrà alimentare un unità ORC (Ciclo Rankine Organico), in grado di produrre energia elettrica, con una potenza netta di 250 kwe, durante i mesi in cui il sistema di teleriscaldamento non sarà attivo. Attualmente l energia distribuita mediante la rete di teleriscaldamento è prodotta per il 41% da pozzi geotermici collocati in località Casaglia. Con il nuovo Polo, il mix di fonti ad alimentazione della rete (che peraltro avrà raddoppiato la propria portata) sarà ancora più sbilanciato a favore delle rinnovabili: il 56,4% proverrà dalla geotermia, il 34,3% dal termovalorizzatore grazie alla valorizzazione a fini energetici dei rifiuti e delle biomasse agricole, lo 0,3% dal solare termico e solo il 9% dal gas metano, unica fonte non rinnovabile. Vista l unicità del sistema in termini di applicazioni innovative a livello italiano, il Polo Energie Rinnovabili è stato annoverato tra le Best Practices dei progetti Geopower e SDH Take-off. Il primo è un progetto della durata di 2 anni, finanziato dal Programma Interreg IV C e basato sullo scambio di buone prassi in materia di geotermia a bassa entalpia. Il secondo è invece un progetto in ambito Intelligent Energy Europe (IEE) che vede la collaborazione di associazioni e imprese dei settori del teleriscaldamento e del solare termico, le cui azioni sono finalizzate ad analizzare e migliorare le condizioni del teleriscaldamento solare e a trasferire know-how e cooperazione fra gli attori nel mercato a livello europeo. Inoltre, in virtù dei benefici attesi e delle soluzioni innovative che rappresenterebbero il primo esempio di applicazione in Italia, il progetto Polo Energie Rinnovabili ha ottenuto il certificato di merito all interno dell International District Energy Climate Awards 2011, la cui premiazione si è svolta a Parigi il 9 Maggio Bibliografia M. H. Dickson, M. Fanelli, Che cos è l energia geotermica?, Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR, Pisa, Italy. AA.VV., Rapporto statistico 2011 Impianti a fonti rinnovabili, GSE. AA.VV., Geotermoelettrico Rapporto statistico 2009, GSE. AA.VV.,The future of Geothermal Energy, Massachusetts Institute of Technology. F. Michio, Geotermico: è facile sbagliare, in Casa & Clima, n. 29, 2011 AA.VV., Terra o aria?, in Aicarr Journal, n. 15, M. De Carli, M. Donà, A. Calgaro, A. Zarrella, Pompe di calore geotermiche, prestazioni energetiche e costi, in Aicarr Journal, n. 15, impianti 77