Corso per Certificatori Energetici degli Edifici

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1 Corso per Certificatori Energetici degli Edifici MODULO V-2: Fonti rinnovabili POMPE DI CALORE E GEOTERMIA 1

2 APPROCCIO ALLA FISICA TECNICA In ogni sistema è contenuta una certa quantità di energia, in varie forme, che viene perciò definita energia interna del sistema. In un gas questa energia è essenzialmente l'energia cinetica totale delle molecole in movimento. Esistono due modi per modificare l'energia interna di un corpo: fornendo calore o compiendo un lavoro sul sistema. Def.: L'energia interna esprime l energia (capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro) totale posseduta da un sistema materiale, intesa come somma dei contributi di energia traslazionale, rotazionale, e vibrazionale delle molecole che lo compongono, più il contributo dell'energia dovuto agli elettroni e dell'energia al punto zero (energia fondamentale posseduta a 0 K). L'energia interna viene misurata in joule o in Kcal. 2

3 PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA In un sistema chiuso, il calore (Q) fornito a un sistema è uguale alla somma della variazione di energia interna (ΔU) del sistema e del lavoro (W) compiuto dal sistema: Q = ΔU + W 3

4 LA POMPA DI CALORE E UNA MACCHINA IN GRADO DI TRASFERIRE CALORE DA UN AMBIENTE A TEMPERATURA PIU BASSA AD UN ALTRO A TEMPERATURA PIU ALTA. 4

5 BREVE STORIA DELLE POMPE DI CALORE È una storia che, in pratica, ha inizio solo con la crisi petrolifera del 1973 che portò i costi dei combustibili a livelli molto elevati. Fu questa crisi a ben evidenziare che, in certi casi, può convenire derivare calore da una sorgente fredda piuttosto che produrlo direttamente: cioè che può convenire usare una pompa di calore piuttosto che una caldaia. Le pompe di calore si diffondono tuttavia in modo significativo solo dopo i primi anni del 2000: vale a dire solo quando, oltre al problema del costo dei combustibili, cominciarono ad entrare in gioco anche problemi ambientali: problemi connessi al fatto che bruciando i combustibili si immettono nell atmosfera polveri sottili e sostanze tossiche pericolose per la nostra salute e quella del nostro pianeta e tutto ciò ha indotto, e sta inducendo, diversi Paesi ad incentivare l uso di impianti (per climatizzare ambienti e produrre acqua calda) alternativi a quelli con combustibili. 5

6 I cicli termodinamici vengono classificati secondo il tipo di conversione energetica, che in essi si effettua in: Per i cicli inversi l energia utilizzabile (exergia) acquisita da un fluido può permettere di: fornire calore a temperatura superiore all ambiente; sottrarre calore a temperatura inferiore all ambiente. Gli impianti che realizzano la prima di queste operazioni si chiamano pompe di calore ed i secondi frigoriferi. Nella figura a pagina seguente sono indicate le schematizzazioni funzionali di questi impianti. I cicli rappresentati in diagrammi p - v (Clapeyron), ovvero T s (Gibbs) ovvero h s (Moiller) ovvero log p h, vengono percorsi: in senso orario, se diretti, in senso antiorario, se inversi 6

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8 EFFICIENZA DI UNA PdC Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore: Consuma energia elettrica nel compressore; Assorbe calore nell evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua; Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua). Il vantaggio nell uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall ambiente esterno (aria - acqua). L efficienza di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione C.O.P. che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata. Il C.O.P. sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell evaporatore). Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore. 8

9 Consideriamo una PdC ideale, azionata attraverso energia meccanica L, che trasferisce energia termica Q 1 dall ambiente a temperatura T 1 verso l ambiente a temperatura T 2 (con T 1 <T 2 ). Secondo il principio di conservazione dell energia, deve risultare: Q 2 = L + Q 1 E risolvendo si ottiene: L = Q 2 - Q 1 9

10 Poiché l effetto utile che si vuole ottenere è rappresentato da Q 2, il calore fornito dal pozzo caldo, mentre L è il lavoro fornito alla pompa di calore, il coefficiente di prestazione risulta: Se ne deduce che il coefficiente di prestazione della pompa di calore è pari all inverso del rendimento (ŋ = L / Q 2 ) calcolato per i processi ciclici ideali, quelli che forniscono lavoro. In base al secondo principio della termodinamica le quantità di calore si possono esprimere come prodotto tra temperatura ed entropia, che rimane costante nelle trasformazioni ideali, e quindi è possibile esprimere il COP direttamente in funzione delle temperature di lavoro. Risulta così che il COP di una pompa di calore è strettamente legato al salto di temperatura, in altre parole alla differenza tra la temperatura della sorgente fredda e la temperatura del pozzo caldo, cui la pompa di calore fornisce l energia termica. 10

11 Quindi, il COP di una pompa di calore ideale è determinato solamente attraverso la temperatura di condensazione T 2 e la caduta di temperatura T 2 T 1 (temperatura di condensazione evaporazione). Affinché la trasmissione del calore, tra il fluido refrigerante e la sorgente fredda, possa avvenire per tempi lunghi, è necessario che la temperatura di evaporazione T f1 del fluido sia inferiore alla temperatura della sorgente fredda T 1. Analogamente, affinché il fluido possa cedere calore al pozzo caldo, è necessario che la temperatura di condensazione del fluido T f2 sia superiore alla temperatura del pozzo caldo T 2. Si evince che il coefficiente di prestazione aumenta al diminuire della differenza tra le temperature T 2 e T 1. In linea generale, il COP aumenta del 2-4% per ogni grado centigrado di diminuzione della differenza tra la temperatura di condensazione T 2 e quella di evaporazione T 1. 11

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13 1 kwh di energia elettrica POMPA DI CALORE 4 kwh di calore 3 kwh di calore gratuito!! Sorgente di calore (aria-terreno ) Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kwh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kwh (2.580 kcal) di calore al mezzo da riscaldare. 13

14 POMPE DI CALORE AD ARIA Come sorgente si calore può essere utilizzata sia l aria esterna sia l aria interna di ricambio. L aria esterna è sempre disponibile, non richiede mezzi di captazione costosi e per il suo uso non servono autorizzazioni. Tuttavia con temperature al di sotto di 5-6 C, le prestazioni delle pompe di calore si abbassano molto e può essere necessario adottare sistemi integrativi del calore. Per l aria di ricambio (normalmente disponibile a circa 20 C) non esistono gli inconvenienti di cui sopra, è però disponibile solo in quantità limitate. Secondo il tipo di processo distinguiamo le pompe di calore azionate attraverso un compressore e le pompe che sfruttano un processore di assorbimento. Il compressore può essere azionato da un motore elettrico o da un motore termico alimentato a metano. In entrambi i casi la compressione meccanica del fluido di lavoro, allo stato di vapore, provoca l innalzamento della temperatura e della pressione all interno degli scambiatori di calore. Nella pompa di calore ad assorbimento, l aumento di temperatura e pressione si raggiunge attraverso un ciclo di assorbimento con un liquido assorbente. 14

15 CICLO A COMPRESSIONE DI VAPORE Per trasferire calore da bassa al alta temperatura sono ormai disponibili macchine che si servono di processi fisici e chimici assai diversi fra loro. Queste macchine sono essenzialmente costituite da un circuito chiuso entro cui viene continuamente compresso e fatto espandere un apposito fluido, chiamato intermedio o frigorigeno. 15

16 Il disegno evidenzia i principali componenti di una pompa di calore. Ad ogni compressione ed a ogni espansione (cioè ad ogni ciclo di lavoro) il fluido ruba un po di calore al fluido freddo e lo cede a quello caldo. 16

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18 Pompe di calore elettriche - split interno - macchina esterna 18

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21 BATTERIE DI SCAMBIO TERMICO 21

22 Quale fluido intermedio non si usa l aria perché, pur essendo un fluido sicuro dal punto di vista ambientale e a costo nullo, comporta cicli di lavoro con resa termica molto bassa. Si usano, invece, fluidi che evaporano quando il calore viene assorbito e che condensano quando il calore viene ceduto. Tali passaggi di stato fanno infatti aumentare notevolmente la quantità di calore che ogni ciclo di lavoro è in grado di assorbire e di cedere. Invertendo i cicli di lavoro, queste macchine, possono essere utilizzate sia per riscaldare sia per raffreddare. Nel primo caso sono chiamate pompe di calore, nel secondo macchine frigorifere. FLUIDI INTERMEDI: le prime macchine frigorigene furono costruite utilizzando l ammoniaca come fluido intermedio che però è stata abbandonata per la sua tossicità e corrosività. Per molti anni è stato utilizzato il Freon, ora vietato perché può compromettere lo strato di ozono atmosferico. Attualmente si ricorre soprattutto all uso degli HCFC (cloro fluro - carburi idrogenati). È tuttavia ancora aperta la ricerca a nuovi fluidi; l obiettivo è quello di minimizzare il loro impatto ambientale e incrementare le loro prestazioni termiche. 22

23 CICLO AD ASSORBIMENTO L energia apportata al sistema è di tipo termica e non elettrica. I sistemi ad assorbimento sfruttano la capacità di determinati liquidi di assorbire il vapore del fluido refrigerante. Le miscele liquido-solvente più comuni sono acquabromuro di litio o ammoniaca-acqua. 23

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30 LE SORGENTI UTILIZZABILI Per alimentare il lato freddo delle pompe di calore si possono utilizzare diversi tipi di sorgente. La scelta dipende essenzialmente dai seguenti aspetti e fattori: -Le caratteristiche dell ambiente esterno; - le possibili limitazioni d ordine normativo; - le prestazioni richieste; - il costo dell impianto; - i tempi di ritorno del maggior investimento. 30

31 LA GEOTERMIA È la scienza (dal greco terra e calore) che si occupa del calore accumulato nel sottosuolo e del calore immagazzinato nell acqua e nell aria. La terra ècostituita da un nucleo caldo(6.000 C) di elevatissima densità(11g/cm³) suddiviso in nucleo interno ed esterno, costituitosi durante la nascita del pianeta, circondato da un mantellodi circa km di spessore. Il tratto piùesterno, chiamato crosta terrestre, misura uno spessore di circa 35 km in corrispondenza dei continenti e di 5 km ove insistono gli oceani. Il calore disperso in questo strato è generato dal decadimento radioattivo di alcuni elementi ( 238 U, 235 U, 232 TH, 40 K, con tempi di dimezzamento nell ordine del miliardo di anni) e alla risalita di calore degli strati più interni che diviene predominante nei pressi degli assottigliamenti della crosta stessa. 31

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33 Il nostro pianeta assorbe circa il 47% dell energia solare (più di 500 volte l energia di cui il genere umano necessita ogni anno) e la mantiene in forma di energia pulita e rinnovabile. 33

34 I SISTEMI GEOTERMICI Il nomale gradiente di temperatura che si osserva procedendo verso l interno della crosta terrestre è di 3 C/100m; quando tale gradiente è più marcato siamo in presenza di aree ove si ha accumulo di energia termica a causa delle intrusioni magmatiche o di un avvicinamento verso la superficie del mantello, ovvero dei sistemi geotermici. Le aree termicamente anomale sono molto più estese di quelle attualmente coltivate ad usi energetici (campi geotermici). 34

35 Un sistema geotermico è formato da tre elementi: la sorgente, il serbatoio ed il fluido, che è il mezzo che trasporta calore. La sorgente di calore può essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta (> 600 C), che si è posizionata a profondità relativamente piccola (5-10 km), oppure, come in certi sistemi a bassa temperatura, il normale calore della Terra. Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo calore. Esso generalmente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque meteoriche possono sostituire, totalmente o parzialmente, i fluidi perduti attraverso vie naturali (per esempio sorgenti) o che sono estratti mediante pozzi. Il fluido geotermico, nella maggioranza dei casi, è acqua meteorica in fase liquida o vapore, in dipendenza dalla sua temperatura e pressione. 35

36 Il più comune criterio di classificazione delle risorse geotermiche si basa sull entalpia dei fluidi, che trasferiscono il calore delle rocce calde profonde alla superficie. L entalpia, che può essere considerata più o meno proporzionale alla temperatura, è usata per esprimere il contenuto termico (energia termica) dei fluidi e dà l idea approssimativa del loro valore. Le risorse sono divise in risorse a bassa, media ed alta entalpia (o temperatura), secondo diversi criteri. - Geotermia ad alta energia: utilizza acqua surriscaldata e vapori a più di 180 C e serve a produrre direttamente energia elettrica. Il primo impianto di questo tipo è stato realizzato a Larderello (Pisa) nel Geotermia a media energia: utilizza acqua surriscaldata e vapori a temperature comprese fra 100 e 180 C. Con l aiuto di un fluido intermedio serve a produrre energia elettrica. Geotermia a bassa energia: utilizza calore a temperature comprese fra 30 e 100 C. Serve per il teleriscaldamento, per stabilimenti termali e per processi tecnologici. Geotermia a energia molto bassa: utilizza calore a temperature inferiori a 30 C e serve soprattutto ad alimentare pompe di calore. 36

37 I sistemi a energia geotermica rappresentano una delle applicazioni più interessanti al confine tra il dominio delle energie alternative e il dominio delle energie rinnovabili. I sistemi a energia alternativa utilizzano in modo più intelligente ed evoluto l fonti energetiche convenzionali. I sistemi a energia rinnovabile utilizzano invece fonti energetiche alternative, anche se non sempre pulite al 100% (si pensi ad esempio alla CO2 liberata dalla combustione delle popolari stufe a pellets). Tuttavia anche i più popolari sistemi a energia rinnovabile utilizzano in genere una pur piccola frazione di energia convenzionale, per esempio l elettricità per le pompe di circolazione e i controlli degli impianti solari di medio - grandi dimensioni. 37

38 DIFFUSIONE DEGLI IMPIANTI GEOTERMICI In alcuni Paesi (ad esempio la Svizzera, Paese in cui è nata tra l altro tale applicazione) questa tecnologia ha di fatto rimpiazzato le tecnologie tradizionali, mentre in altri (es. Italia, Spagna, Grecia) sta conoscendo un vero e proprio boom in questi ultimi anni. Di gran lunga il più grande numero di impianti geotermici è installato negli USA, mentre pro-capite la Svizzera è leader, con un istallazione ogni 2Km². È interessante sottolineare come rimangono mercati di elevatissime potenzialità commerciali, come la Cina, praticamente ancora da sviluppare. Il tasso di crescita medio annuo negli ultimi 10 anni nel mondo del numero di installazioni è superiore al 10%, anche se si deve considerare che non esiste una base statistica completa: i dati non sono omogenei e la situazione è in rapida evoluzione. 38

39 SISTEMI AD ENERGIA GEOTERMICA A BASSA TEMPERATURA Le componenti di un impianto ad energia geotermica a bassa temperatura sono essenzialmente tre: - una o più pompe di calore normalmente collocate all interno dell edificio - un insieme di tubi opportunamente interrati per scambiare calore con il terreno - un sistema di scambio di calore con l ambiente interno (pannelli radianti, radiatori, ecc.). 39

40 L energia prelevata da una pompa di calore geotermica si considera rinnovabile perché è fornita gratuitamente dal sole. Tuttavia questa condizione da sola non sarebbe sufficiente, se non si avesse la certezza della rigenerazione continua della sorgente, ovvero del serbatoio naturale. Ciò è garantito da un attenta progettazione del sistema, specialmente quando il prelievo di calore avviene dal terreno. 40

41 La temperatura della parte superficiale della crosta terrestre a partire da e fino a metri ha un valore medio di circa 10 C e a metri circa 13 C. Queste temperature restano costanti per tutto l anno, indipendentemente dalla temperatura (stagionale o giornaliera) dell aria esterna. Ciò rende le pompe di calore geotermiche con sonde da suolo molto adatte al riscaldamento invernale, in quanto il loro rendimento non decade all abbassarsi della temperatura giornaliera dell aria, come invece accade per le pompe aria-acqua. Per contro, la temperatura nel sottosuolo è determinata da un costante equilibrio fra la radiazione solare, il flusso di calore geotermico dagli strati adiacenti e da quelli profondi del sottosuolo, le infiltrazioni/flussi di acqua e le variazioni ed interazioni reciproche tra tutti questi fattori. 41

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43 LA SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE DEI SISTEMI A SCAMBIO GEOTERMICO Oltre all aspetto economico, importante al momento delle scelte effettive, prima di tutto per un sistema geotermico si deve considerare la sua sostenibilità ambientale. Una definizione adatta per produzione sostenibile dal singolo sistema geotermico può essere la seguente (Orkustofnun Working Group, 2001): per ciascun sistema geotermico, e per ciascuna modalità di produzione, esiste un certo livello di produzione massima di energia, al di sotto del quale è possibile mantenere costante la produzione di energia dal sistema per un lungo periodo ( anni). In sostanza si deve assicurare che l impianto collegato a terreno, comporti il raggiungimento di un equilibrio termodinamico sul lungo periodo, assestando il livello della temperatura del terreno su un valore accettabile e compatibile dal punto di vista ambientale. 43