Lo sviluppo della geotermia in Lombardia. Sintesi degli interventi

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1 Lo sviluppo della geotermia in Lombardia Sintesi degli interventi

2 Lo sviluppo della geotermia in Lombardia Sintesi degli interventi Martedì 30 Ottobre 2012 Palazzo Pirelli Sala Gonfalone Via Fabio Filzi 22, Milano 2

3 Indice Introduzione Estratto del volume Le energie da fonti rinnovabili: lo stato dell arte. 4 Interventi Domenico SAVOCA Dirigente Struttura Ricerca Energetica e Attività Minerarie, Regione Lombardia.17 Stefania GHIDORZI Responsabile Registro Sonde Geotermiche, CESTEC 18 Massimo GHISLENI Responsabile Supporto Tecnico, Robur SpA..23 Fernando PETTOROSSI Capo Gruppo Italiano Pompe di Calore, Anima/Coaer.26 Umberto PUPPINI Coordinatore GL608 SG3 e SG4 Comitato Termotecnico Italiano e Componente Commissione Geotermia CNG 29 Modera Silvio BOSETTI Direttore Generale, Fondazione EnergyLab 3

4 Introduzione In premessa agli interventi dei relatori del seminario, proponiamo una breve introduzione alla geotermia tratta dal volume Le energie da fonti rinnovabili: lo stato dell arte. Soluzioni tecnologiche, impatto ambientale, quadro normativo e potenzialità per un futuro sviluppo realizzato dal Laboratorio Energie Rinnovabili della Fondazione EnergyLab. Principio di funzionamento e definizioni L energia geotermica è l energia immagazzinata sottoforma di calore al di sotto della superficie solida della terra. Questa enorme quantità di energia deriva principalmente dal processo di formazione primordiale dell universo: dal centro della terra, la cui temperatura è stimata superiore a 5000 C, si origina un flusso termico verso la superficie, che non è continua, ma costituita da un insieme di placche adiacenti, in movimento una rispetto all altra. In corrispondenza di discontinuità della superficie, cioè di assottigliamenti o fratture della crosta terrestre, questa grande quantità di energia proveniente dal sottosuolo ha modo di essere trasferita in superficie in modo molto più efficace e visibile, generando alcuni fenomeni fisici ben noti e importanti, come il vulcanismo, i soffioni, i geyser e le sorgenti termali: il flusso termico terrestre, che ha normalmente valori dell ordine di 65 mw/m2 in corrispondenza della crosta terrestre e 101 mw/m2 in corrispondenza della crosta oceanica, può allora assumere valori localmente molto più elevati. In queste zone anche la velocità con la quale la temperatura nel sottosuolo aumenta al crescere della profondità, sintetizzata da una grandezza chiamata gradiente geotermico, normalmente pari a C/km, può essere molto più elevata, fino a raggiungere valori prossimi a 10 volte il valore medio, nel qual caso si parla di anomalia geotermica. Se queste zone, caratterizzate da un anomalia geotermica, sono intrinsecamente favorite nello sfruttamento dell energia geotermica, in generale il sottosuolo può sempre essere utilizzato come sorgente termica, anche se con modalità differenti in funzione del sito e dell applicazione: le applicazioni saranno discusse nel seguito, ma è bene chiarire fin dall inizio che la generazione di energia elettrica richiede temperature (e dunque profondità) superiori a quelle ottimali per i comuni usi diretti del calore. Figura 1.9. Gradiente geotermico. Il gradiente geotermico è una grandezza importante per la caratterizzazione della risorsa ai fini dello sfruttamento geotermico. Fonte: Geothermal Education Office 4

5 Perché possa essere utilizzata in superficie, l energia termica racchiusa nel sottosuolo deve essere portata in superficie da un opportuno fluido chiamato termovettore, che può essere l acqua 1 naturalmente contenuta nelle rocce porose del sottosuolo e da queste riscaldata (circuito aperto) oppure un qualsiasi fluido (spesso ancora acqua) che circola in un circuito sotterraneo di tipo chiuso, generalmente chiamato sonda geotermica. Le principali modalità di estrazione dell energia termica dal sottosuolo sono rappresentate in Figura 1.10; la temperatura del fluido termovettore che arriva in superficie è funzione della profondità e del gradiente geotermico locale. Figura Modalita di estrazione dell energia geotermica dal sottosuolo. Fonte: Jodocy, M., Kohler, S., Stober, I., Geothermische Nutzungssysteme, Esaminando gli schemi riportati in figura e partendo da destra, il primo schema rappresenta una sonda geotermica orizzontale nella quale circola in un circuito chiuso il fluido termovettore; questo schema, utilizzabile sostanzialmente ovunque, a profondità dell ordine di qualche metro, consente l utilizzo di energia termica a temperatura molto bassa, in generale inferiore a 30 C. Lo schema a circuito chiuso e utilizzato anche con la sonda geotermica verticale (spesso identificata dall acronimo BHE Borehole Heat Exchanger), che consente di raggiungere temperature superiori e che può essere posta a 1 Più correttamente questa acqua e chiamata fluido geotermico oppure geofluido a causa della notevole quantità di sostanze in essa disciolte. 5

6 profondità molto variabili, indicativamente comprese nelle applicazioni più comuni tra 10 e 250 metri. L utilizzo di sistemi a circuito aperto, con acqua come fluido termovettore, è invece vincolato alla presenza di un acquifero: tale acquifero può essere superficiale (nel qual caso l acqua avrà una temperatura molto modesta) oppure profondo, con temperatura funzione della profondità e di eventuali anomalie geotermiche. Il secondo schema evidenzia che, nel caso di prelievo di acqua dal sottosuolo, sono utilizzati schemi a doppio pozzo, caratterizzati dalla presenza di un pozzo di produzione, che fornisce direttamente acqua disponibile per essere utilizzata e di un pozzo di reiniezione, dove viene reiniettata l acqua raffreddata al termine dell utilizzo. L ultimo caso rappresentato in figura fa riferimento ai sistemi detti HDR (Hot Dry Rock) oppure EGS (Enhanced Geothermal Systems) nei quali la roccia è fratturata artificialmente per mezzo d iniezione di acqua ad altissime pressioni. Gli schemi di impianto e le tecnologie più diffuse Per generazione di energia termica a temperatura media/bassa sono impiegati sia schemi che adottano sonde geotermiche orizzontali o verticali, sia schemi che adottano una coppia (detta doppietto ) di pozzi in comunicazione con una falda superficiale; nel caso di generazione di energia termica ad alta temperatura, per utilizzo diretto o per generazione di energia elettrica, si utilizzano invece pozzi che prelevano o immettono acqua in un sistema idrotermale oppure EGS. Gli schemi di impianto e le tecnologie più diffuse per la generazione di energia elettrica Per la generazione di energia elettrica convenzionale si utilizzano attualmente i sistemi idrotermali 2, spontaneamente presenti in natura, ma un grosso contributo è atteso nel prossimo futuro dallo sfruttamento dei sistemi EGS3 3, realizzati in parte artificialmente. 2 In un sistema idrotermale (Figura 1.11), il fluido geotermico è costituito da acqua, generalmente di origine meteorica, con sali e gas disciolti. Il serbatoio geotermico è costituito una roccia porosa posizionata tra due strati di rocce impermeabili, che essendo però spesso fratturate consentono il passaggio del fluido in alcuni punti ben identificabili e fanno si che si instauri una circolazione naturale di acqua che trasferisce in superficie il calore. Se il sistema idrotermale si trova in prossimità di aree vulcaniche, è possibile che al flusso di calore terrestre si sommi il flusso derivante dal raffreddamento di possibili intrusioni magmatiche, dando origine a un flusso di calore particolarmente elevato: soprattutto in questo caso, è possibile che l acqua sia trasformata in vapore dando luogo a fenomeni superficiali ben noti quali geyser o soffioni. Figura Sistema idrotermale Fonte: UGI, La geotermia, ieri, oggi e domani, ETS

7 In tutti i casi, lo schema d impianto da utilizzare per la generazione elettrica dipende dalle condizioni del fluido geotermico a bocca di pozzo: se il fluido si trova allo stato di vapore, è possibile utilizzarlo direttamente: il vapore viene in tal caso inviato in una turbina accoppiata a un generatore elettrico e successivamente inviato a un condensatore a valle del quale il condensato viene poi reiniettato. Questa soluzione, utilizzata ad esempio nel ben noto impianto di Larderello, è tuttavia raramente replicabile. Più spesso il fluido si presenta come una miscela di liquido e vapore, ed è allora necessario separare la frazione liquida prima di inviare il vapore in turbina (Figura 1.13). Poiché molto spesso alla separazione della fase vapore dalla fase liquida è conveniente associare un processo di flash, tale impianto prende il nome di impianto a flash. All aumentare della frazione di liquido, oppure in presenza di fluido geotermico costituito da sola acqua liquida, la tecnologia degli impianti a flash non risulta più conveniente, e si ottengono migliori prestazioni adottando un ciclo cosiddetto binario, in cui la conversione della potenza termica in potenza meccanica avviene in un circuito completamente separato. Tipicamente si considera che il passaggio alla tecnologia del ciclo binario sia conveniente quando il fluido geotermico è costituito prevalentemente da acqua intorno ai 180 C, ma è evidente come questo limite sia solo indicativo e in realtà esista un ampia zona di sovrapposizione delle due tecnologie. 3 Il sistema EGS deriva il suo nome dall acronimo Engineered (o Enhanced) Geothermal Systems. Nella sua concezione originaria tale sistema, inizialmente chiamato Hot Dry Rock, voleva riprodurre artificialmente ciò che la natura spontaneamente crea nei sistemi idrotermali, accoppiando una sorgente termica naturale esistente a un serbatoio creato artificialmente: il concetto EGS (Figura 1.12) prevede quindi di recuperare l energia termica delle rocce più profonde per mezzo della creazione di un sistema di fratture artificiali della roccia che devono essere fra loro interconnesse, in modo da permettere la circolazione dell acqua (iniettata attraverso appositi pozzi) che, una volta riscaldata dal contatto con le rocce calde, viene poi riportata in superficie e resa disponibile per l utilizzo. Dalla lunga esperienza Hot Dry Rock emerse che, anziché creare fratture in una roccia compatta, era più conveniente stimolare e aumentare fratture già esistenti, e da qui venne coniata la terminologia EGS. Figura Esempio di sistema EGS Fonte: UGI, La geotermia, ieri, oggi e domani, ETS

8 Figura 1.13 Impianto a flash La scelta del fluido di lavoro del ciclo binario è particolarmente importante e distingue le due grandi categorie possibili di cicli binari: i cicli ORC - Organic Rankine Cycle a fluido organico e i cicli a miscela di acqua e ammoniaca, comunemente chiamati cicli di Kalina. La tecnologia degli impianti ORC è commercialmente matura, mentre il ciclo di Kalina, nonostante sia stato proposto già molti anni orsono, è in realtà di recente introduzione nel mondo geotermico. In un ciclo ORC (Figura 1.14) il fluido geotermico proveniente dal pozzo, ed eventualmente spinto da un apposita pompa sommersa ivi situata, alimenta in controcorrente l evaporatore e il preriscaldatore e viene successivamente reiniettato nel sottosuolo; all uscita dell evaporatore, il vapore del fluido organico entra in turbina, dove si espande trascinando il generatore che produce energia elettrica, e successivamente esso è condensato in un condensatore ad acqua o ad aria, a seconda della disponibilità di fluido di raffreddamento, e quindi inviato a una pompa che ne eleva la pressione fino a raggiungere il valore d ingresso nel preriscaldatore, per riprendere così il ciclo. 8

9 Figura Impianto ORC Le prestazioni attese Le prestazioni di un impianto binario per generazione di energia elettrica dipendono per ragioni termodinamiche dalla temperatura delle sorgenti di calore, e cioè dalla temperatura della sorgente geotermica e dell ambiente nel quale viene scaricato il calore. Figura Prestazioni rilevate per impianti geotermici a ciclo binario. La figura mostra le prestazioni rilevate in alcuni impianti geotermici ed evidenzia la marcata influenza della temperatura del fluido geotermico, molto diversa da sito a sito; una minor variabilità è invece in genere riscontrata per la temperatura ambiente. Gli schemi di impianto e le tecnologie più diffuse per l utilizzo diretto di energia geotermica sottoforma di calore Per l utilizzo diretto di energia geotermica, lo schema d impianto base è costituito dal sistema di estrazione del calore dal sottosuolo, già rappresentato in Figura 1.10, e da uno scambiatore di calore che alimenta il circuito di distribuzione del calore all utenza termica. Svariate utenze termiche possono essere considerate, e tra queste è particolarmente 9

10 Lo sviluppo della geotermia in Lombardia Sintesi degli interventi importante il caso del riscaldamento civile, per il quale si rappresentano i più comuni schemi d impianto. Lo schema più semplice è rappresentato in Figura 1.16, relativa a un impianto di teleriscaldamento geotermico, dove sono evidenziati due pozzi di produzione, un pozzo di reiniezione e lo scambiatore di calore che cede energia termica all acqua della rete di teleriscaldamento. Nel caso di sfruttamento di risorse a bassa profondità (e quindi bassa temperatura) è spesso necessario integrare lo schema d impianto con una pompa di calore per raggiungere le temperature idonee all utilizzo: ciò avviene tipicamente nel caso del riscaldamento ambientale, per il quale sono proponibili numerose soluzioni impiantistiche. La Figura 1.18 riassume le più diffuse tipologie applicative, che fanno riferimento ai diversi sistemi di estrazione dell energia geotermica già esaminati in Figura 1.10; in tutti i casi si prevede l adozione di una pompa di calore, installata all interno dell edificio. In Figura 1.18, i primi tre esempi a sinistra sono relativi all impiego di sonde geotermiche orizzontali, mentre i due centrali sono relativi all impiego di sistemi verticali, con sonda (in alto) e pali energetici (in basso); l ultimo a destra esemplifica il caso con pompa di calore alimentata da acqua di pozzo a circuito aperto. Figura Schema di impianto con teleriscaldamento geotermico Fonte: Geothermal Education Office 10

11 Figura Scambiatore di calore e pompe della rete di teleriscaldamento Fonte: Geothermal Education Office La scelta tra un sistema con sonde orizzontali o verticali deve essere fatta in funzione del sito considerato, in virtù del valore delle aree di terreno coinvolte, del costo di perforazione e delle prestazioni del sistema, certamente superiori nel caso di sonde verticali, che possono beneficiare di una temperatura superiore e costante durante tutto l arco dell anno: a livello europeo, le sonde verticali (BHE) costituiscono circa l 80% del totale delle applicazioni e sono tipicamente utilizzate nel caso di edifici di grandi dimensioni. Anche la soluzione con pali energetici, cioè scambiatori di calore integrati negli elementi di fondazione di costruzioni palificate, che hanno una profondità tipica di alcuni metri, può risultare interessante, ed esistono numerosi esempi di applicazione in Svizzera e Germania. Figura 1.18.Tipologie applicative di sistemi a pompa di calore geotermica Fonte: Groundhit website Quando l utenza richiede energia sia termica sia frigorifera, è possibile realizzare sistemi con doppia modalità di funzionamento, che funzionano cioè come pompa di calore in inverno, prelevando energia termica dal sottosuolo, e come macchina frigorifera in estate, in questo caso cedendo l energia termica che normalmente è scaricata in ambiente al terreno, e dunque ricaricandolo. In questo caso è possibile cambiare artificialmente la temperatura del terreno (ed eventualmente dell acqua in esso contenuta), e realizzare dunque un accumulo sotterraneo di energia termica o frigorifera (in generale UTES, 11

12 Underground Thermal Energy Storage, e più in dettaglio ATES, Aquifer Thermal Energy Storage, con sistemi aperti ad acqua, e BTES, Borehole Thermal Energy Storage, con sistemi a circuito chiuso) consentendo così di ottimizzare e migliorare le prestazioni complessive dell impianto. Le prestazioni attese Le prestazioni di sistemi con pompa di calore sono legate per ragioni termodinamiche alle temperature delle sorgenti termiche, e dunque, nel caso in oggetto, alla temperatura del fluido termovettore proveniente dal sottosuolo e alla temperatura del fluido termovettore che distribuisce il calore all utenza 4. In base alle temperature di comune utilizzo, le pompe di calore geotermiche sono caratterizzate dalle prestazioni di Figura 1.19, dove si osserva che prestazioni migliori in termini di COP (Coefficient of Performance, rapporto tra la potenza termica fornita all utenza e quella elettrica assorbita dalla rete) sono rilevate per le pompe di calore a circuito aperto (GWHP Ground Water Heat Pump) rispetto alle pompe di calore a circuito chiuso (GSHP Ground Source Heat Pump) e che entrambe consentono prestazioni superiori rispetto alle pompe di calore ad aria (quindi non geotermiche). Prestazioni interessanti possono essere ottenute anche con le pompe di calore ad assorbimento. Giova ricordare che per ottenere prestazioni soddisfacenti durante tutta la vita utile dell impianto, è essenziale che l impianto sia dimensionato correttamente, effettuando se necessario misure sperimentali delle caratteristiche del terreno (Thermal response test). Figura Prestazioni delle pompe di calore (dati sperimentali) 4 Nel caso di sostituzione di centrali termiche esistenti a servizio di reti di teleriscaldamento le prestazioni del sistema a pompa di calore possono risentire delle temperature di distribuzione del calore elevate. 12

13 Alcuni impianti rappresentativi Nel campo della generazione elettrica, a fronte di una potenza totale installata nel mondo da fonte geotermica pari a circa 10 GW nel 2009, 1 GW circa deriva da impianti a ciclo binario e questa è la tecnologia per la quale è attesa la maggiore diffusione in futuro, grazie alla possibilità di sfruttare risorse geotermiche anche in aree non particolarmente privilegiate. Nelle immagini seguenti (Figure 1.20, 1.21) sono rappresentati due impianti a ciclo binario realizzati in Europa. Figura 1.20 a) e b). L impianto di Altheim in Austria, alimentato da acqua geotermica a 106 C Figura L impianto di Soultz in Francia, che utilizza acqua geotermica a 175 C e rappresenta il primo impianto EGS al mondo Per quanto riguarda gli usi diretti dell energia geotermica, innumerevoli possono essere gli esempi: tra questi si riportano le immagini (Figura 1.22) della pompa di calore ad acqua di falda installata a Milano da A2A a servizio del teleriscaldamento del quartiere Canavese e della fase di perforazione per la posa di sonde in area rurale (Figura 1.23). 13

14 Figura Pompa di calore per teleriscaldamento Figura Perforazione 14

15 Potenzialità e settori applicativi I numerosissimi settori applicativi dell energia geotermica sono riassunti dal diagramma di Lindall, rappresentato in Figura 1.24, che suddivide le applicazioni in funzione della temperatura del fluido termovettore. Figura Diagramma di Lindall modificato Le potenzialità sono certamente enormi, ma anche difficilmente stimabili con precisione. Per la generazione elettrica si stima comunemente che l attuale potenza mondiale installata di 10 GW possa essere portata a 70 GW con la tecnologia convenzionale e a 140 GW con un avanzamento tecnologico che consenta lo sfruttamento dei sistemi EGS; esistono però altri studi che portano il limite superiore a un valore sensibilmente maggiore, dell ordine di GW. Nonostante il convenzionale uso diretto dell energia geotermica sia spesso commercialmente competitivo, l incremento previsto nel futuro è moderato mentre un trend di crescita esponenziale è previsto per la diffusione dei sistemi a pompa di calore, grazie alla versatilità di questo tipo d impianti e al loro notevole potenziale di riduzione di emissioni di CO2. Costi di investimento e costi operativi Gli impianti geotermici sono caratterizzati in generale da alti costi d investimento e bassi costi operativi; altro aspetto importante da sottolineare è che i costi d investimento sono sensibilmente dipendenti dal sito, perché la profondità di perforazione e il suo costo sono molto variabili da caso a caso. Con questa premessa, è possibile considerare i valori di costo sotto riportati per la generazione di energia elettrica. 15

16 Tecnologia Costo di investimento /kw el Fattore di utilizzo Vapore secco Flash Binario EGS Tabella 1.1. Costi di produzione dell energia elettrica Fonte: Bertani, 2009 Costo approssimativo dell energia elettrica /MWh Per la generazione di energia termica con sistemi a pompa di calore, il costo dell impianto, sempre fortemente dipendente dalla soluzione impiantistica prescelta, si può stimare compreso tra 1800 e 2500 /kwt, cui va aggiunto un costo operativo stimabile tra 4 e 6 /MWh. Un analisi sui costi, effettuata da European Geothermal Energy Association, rileva i valori di costi produzione riportati nella tabella sottostante, a cui vengono affiancate le previsioni al Tabella 1.2. Previsione di costi Fonte: EGEC, Research Agenda for Geothermal Energy, strategy 2008 to

17 Domenico SAVOCA Dirigente Struttura Ricerca Energetica e Attività Minerarie, Regione Lombardia Nel la Lombardia è stata tra le prime regioni ad individuare le potenzialità di fruizione della risorsa geotermica nelle costruzioni residenziali e pubbliche. Nel 2006 viene emanata una Delibera in cui si predispone un piano di sviluppo integrato della fonte geotermica a bassa entalpia. Questo sviluppo ha seguito due linee nettamente distinte: le pompe di calore a circuito aperto e le pompe di calore a circuito chiuso. Per quanto riguarda le prime, ancora oggi non si registra un forte intervento da parte del soggetto pubblico e la tecnologia risulta condizionata principalmente dalla regolamentazione delle acque. Di recente, con la Legge Regionale 18 aprile 2012, n. 7 Misure per la crescita, lo sviluppo e l'occupazione, è stata introdotta una forte semplificazione per accelerare i procedimenti autorizzativi relativi al prelievo di acqua per questo tipo di pompe di calore. I risultati sono promettenti: oggi, la metà delle autorizzazioni per il prelievo di acqua sono finalizzate all utilizzo per pompe di calore. Per quanto riguarda le pompe di calore a circuito chiuso, l impegno della Regione negli ultimi anni è stato notevole arrivando ad essere un riferimento a livello nazionale sia dal punto di vista normativo che per il livello di sviluppo raggiunto. Nel 2006 è stata predisposta una specifica normativa regionale per le sonde geotermiche che prevedeva un supporto per l iter autorizzativo in assenza di un regime normativo definito. Tuttavia, il contesto di riferimento rimaneva quello relativo alla Tutela delle Acque e il diverso comportamento degli enti provinciali ne limitava la diffusione. Un ulteriore innovazione è stata introdotta a fine della scorsa legislatura attraverso uno specifico Regolamento con cui la Regione ha abolito la necessità di autorizzazione per le sonde geotermiche fino a 150 metri. Queste misure hanno favorito la diffusione delle sonde, senza che ci fosse un aumento a livello di impatto ambientale, grazie a un percorso di liberalizzazione che ha mantenuto un livello alto di informazione e comunicazione degli aspetti tecnici, tenendo come riferimento le norme CEI UNI. In collaborazione con il Comitato Termotecnico Italiano sono state predisposte delle norme specifiche relative alla progettazione; installazione e gestione, e impatto ambientale delle sonde, la cui pubblicazione ufficiale è prevista a breve. In aggiunta a queste attività, è stata avviata la realizzazione, a cura di CESTEC, della carta geo-energetica regionale al fine di avere uno strumento di indirizzo progettuale per gli operatori del settore e per gli enti pubblici del territorio. Altre regioni stanno seguendo l esempio della Lombardia implementando una carta geo-energetica. In ultimo, è stato istituito il Registro delle Sonde Geotermiche, gestito da CESTEC, a cui tutti coloro che intendono installare una sonda geotermica devono comunicare i propri dati sia all avvio dell attività che alla sua conclusione. 17

18 Lo sviluppo della geotermia in Lombardia Sintesi degli interventi Stefania GHIDORZI Responsabile Registro Sonde Geotermiche, CESTEC Le politiche di sviluppo della geotermia in Lombardia hanno trovato recentemente un nuovo impulso grazie all Azione Clima Europea 2020 che ha individuato tre principali obiettivi, di cui due vincolanti (riduzione delle emissioni di Co2 e incremento delle fonti rinnovabili) e uno di natura indicativa (risparmio energetico). Per una regione come la Lombardia il raggiungimento dei due obiettivi vincolanti passa sicuramente attraverso il driver dell efficienza energetica. L utilizzo di pompe di calore applicate alla risorsa geotermica a bassa entalpia risponde a questa esigenza in quanto rappresentano una tecnologia efficiente che sfrutta energia rinnovabile. La promozione della geotermia ha trovato ampio spazio nelle politiche e programmi di Regione Lombardia degli ultimi dieci anni e sarà inclusa nel Nuovo Programma Energetico Ambientale Regionale (PEAR) in fase di elaborazione. E possibile prevedere un forte investimento da parte di Regione nelle fonti rinnovabili termiche come la geotermia dato che le FER elettriche, in particolare l idroelettrico, hanno già raggiunto un livello di maturazione, anche in termini di sfruttamento, significativo. Il più recente impulso allo sviluppo della geotermia è il Decreto Burden sharing, attuativo del D.Lgs 28/2011, approvato a marzo 2012 che individua gli obiettivi vincolanti delle singole regioni per raggiungere l obiettivo nazionale sullo sviluppo delle FER. Tale obiettivo, espresso in termini percentuali, è il risultato del rapporto tra consumi di energia da FER e consumi energetici complessivi. Le regioni sono libere nell impostazione delle politiche energetiche: per la Lombardia risulta importante continuare a promuovere l uso di FER, ma altrettanto importante è investire nella riduzione dei consumi complessivi puntando su azioni di efficienza energetica. Le risorse geotermiche agiscono positivamente su entrambi i fattori. Partendo da un valore pari al 4,9%, si ipotizza di arrivare al target dell 11,3% entro il Figura 1. Decreto Burden sharing gli obiettivi di Regione Lombardia 18

19 Dal Sistema Informativo Regionale ENergia Ambiente (SiReNa), tramite cui la Regione monitora in tempo reale la situazione energetica del proprio territorio, è possibile vedere che ad oggi la geotermia ha un ruolo marginale all interno delle FER, attestandosi allo 0,1%, che rappresentano circa l 8,5% dei consumi energetici. CESTEC stima una crescita delle FER raggiungendo nel 2020 quota 15,8%. In questo scenario, le pompe di calore geotermiche avranno sicuramente un ruolo di primo piano, superando la soglia del 10%, a conferma che nei prossimi anni il maggior contributo proverrà dalle FER termiche piuttosto che da quelle elettriche. Figura 2. Il ruolo della geotermia in Lombardia Per sviluppare l utilizzo della fonte geotermica, Regione Lombardia ha adottato un approccio integrato. Innanzitutto attraverso una leva normativa: dal 2007 è obbligatorio per i nuovi edifici e le ristrutturazioni l utilizzo di fonti rinnovabili, comprese le pompe di calore geotermiche, per soddisfare almeno il 50% del fabbisogno di acqua calda. Un aspetto fondamentale riguarda l informazione e formazione per sensibilizzare gli utenti e migliorare la qualità delle imprese e degli installatori. L incentivazione è un altro tema di grande importanza dato che, rispetto ad altre tecnologie, l investimento iniziale è significativo. La Lombardia ha lanciato nel 2011 un bando di per gli Enti Pubblici per finanziare le pome di calore applicate alle diverse tecnologie. Un altra importante iniziativa di finanziamento è il Fondo Kyoto del Ministero dell Ambiento, gestito livello regionale da CESTEC, che conteneva una misura specifica per gli impianti geotermici fino a 1MW. Un ulteriore azione è la promozione di strumenti conoscitivi di analisi territoriale come la redazione della carta geo-energetica regionale che consente agli operatori e agli Enti locali di pianificare il territorio anche in base alle potenzialità di sfruttamento di questa risorsa. Da un indagine compiuta da CESTEC raccogliendo i dati degli uffici provinciali, risultano circa 700 impianti geotermici a circuito aperto con una forte concentrazione nella Provincia di Milano. 19

20 Figura 3. Mappatura impianti geotermici a circuito aperto a Luglio CESTEC Con il Regolamento Regionale 15 febbraio 2010 n.7 viene dato avvio a un processo di semplificazione sia per quanto riguarda le procedure amministrative, stralciando l autorizzazione per questi impianti dalla normativa sull Uso delle Acque e liberalizzando il settore delle sonde geotermiche fino a 150 metri, sia per quanto riguarda il livello informativo. Viene, infatti, creato uno strumento informativo user-friendly a disposizione per tutto il territorio regionale per il controllo e il monitoraggio degli impianti. Grazie al Registro Regionale delle Sonde Geotermiche (RSG), Regione Lombardia è in grado di conoscere in tempo reale il livello di diffusione di questi impianti e le loro caratteristiche. Le informazioni raccolte dal Registro potranno essere integrate con i dati del Catasto CENED (Certificazione Energetica degli Edifici) e del CURIT (Catasto Unico Regionale Impianti Termici), entrambi gestiti da CESTEC. Il Regolamento 7/2010 prevede la liberalizzazione dell installazione di sonde geotermiche che raggiungono una profondità non superiore a 150 metri dal piano campagna e di sonde geotermiche orizzontali per cui è sufficiente la sola registrazione preventiva al RSG. Per l installazione di sonde geotermiche che superano la profondità di 150 metri, resta invariato l iter autorizzativo in carico alla Provincia competente per il territorio. Il Regolamento distingue le procedure per piccoli (potenza termica e/o frigorifera utile uguale o inferiore a 50 kw) e grandi (potenza termica e/o frigorifera utile superiore a 50 kw) impianti al fine di prevedere, contestualmente alla liberalizzazione, un percorso tecnico di tutela. Per i grandi impianti è necessario fornire le informazioni che vengono ottenute attraverso uno specifico test (Ground Response Test), una prova sperimentale che permette di rilevare le proprietà termofisiche di scambio del sottosuolo e di conseguenza di procedere al corretto dimensionamento del campo geotermico. Per i grandi impianti, nello specifico, è prevista l esistenza di un adeguato sistema di monitoraggio. 20

21 L iter di registrazione è molto semplice: trenta giorni prima dell avvio del cantiere occorre dare comunicazione preventiva compilando l apposito format con tutti i dati richiesti (anagrafica proprietario, tipologia impianto, caratteristiche tecniche, ecc.) ed entro un anno dall apertura della pratica occorre compilare la comunicazione fine lavori allegando la relazione di collaudo. Figura 4. Il Registro Regionale Sonde Geotermiche - CESTEC Dai dati raccolti con lo strumento del Registro si registra sul territorio un crescente interesse per il tema dello sfruttamento delle risorse geotermiche a bassa entalpia. Prima del 2010 c erano circa 280 impianti, a distanza di due anni e mezzo dall entrata in funzione sono state registrate quasi 450 installazioni e ad ottobre 2010 si è raggiunta la soglia di 750 impianti registrati. Il fenomeno riguarda tutte le provincie, anche se le più interessate sono quelle con una densità urbanistica maggiore, come Milano, Bergamo e Brescia. Figura 5. Distribuzione impianti geotermici a livello provinciale 21

22 Dai dati relativi alla tipologia di intervento realizzata è interessante notare che, nonostante il costo iniziale significativo, il 36% degli impianti riguarda interventi di ristrutturazione o sostituzione di vecchi impianti. Relativamente alla taglia, dominano i piccoli impianti (81%). Figura 6. Tipologia di intervento e tipologia impianti per taglia Per quanto riguarda la destinazione d uso, si ha una forte prevalenza delle utenze residenziali per i piccoli impianti (90%), mente per i grandi impianti si registra un certo grado di diffusione anche per gli edifici commerciali/terziario (9%) e industriale (6%).Sempre relativamente alla dimensione impianti, risultano molto più diffuse le installazioni con 1-5 sonde geotermiche (68%) e con profondità media delle perforazioni compresa tra gli 80 e i 100 metri (53%). Infine, un dato interessante emerso dal monitoraggio riguarda la tipologia di servizio coperta dall impianto termico a pompa di calore. Risulta che oltre la metà degli impianti censiti coprono l'intero fabbisogno energetico dell'edificio: riscaldamento ambiente, produzione di acqua calda sanitaria e climatizzazione estiva % % % 1 % climatizzazione estiva produzione acqua calda sanitaria 7 % riscaldamento ambienti 9 % riscaldamento ambienti, climatizzazione estiva riscaldamento ambienti, climatizzazione estiva, produzione acqua calda sanitaria riscaldamento ambienti, produzione acqua calda sanitaria Figura 7. Tipologia di servizio coperta dall'impianto termico a pompa di calore 22

23 Massimo GHISLENI Responsabile Supporto Tecnico, Robur SpA La tecnologia delle pompe di calore ad assorbimento è nota fin dai tempi delle prime applicazioni di termodinamica. La pompa GAHP (Gas Absorption Heat Pumps) utilizza il gas naturale come vettore energetico di input, ha delle prestazioni di efficienza molto interessanti e ha la capacità di lavorare ad alta temperatura. Rispetto alla classica pompa di calore a compressione di vapore, nella pompa di calore ad assorbimento viene inserito del gas al posto dell energia elettrica, che tramite il lavoro meccanico dell apparecchiatura trasferisce l energia da una sorgente fredda ad un utilizzatore caldo creando due effetti utili termici all impianto. Osservando i valori nominali, con temperatura di ritorno dalle sonde di 0 e mandata all impianto di 50, inserendo 25 kw di potenza termica e poco meno di 500W di potenza elettrica otteniamo due effetti (condensatore e assorbitore), pari a circa 38 kw di potenza termica, e un effetto frigorifero pari a circa 13Kw. Figura 8. Schema di funzionamento pompa GAHP Per la progettazione di impianti geotermici, la società Robur ha scelto di adottare il metodo di calcolo Ashrae, così come indicato nell allegato tecnico del pacchetto normativo di riferimento. L analisi parte innanzitutto da una buona conoscenza del terreno su cui si opera e delle caratteristiche dell edifico in inverno e in estate (energia termica ed energia per raffrescamento). Le caratteristiche della pompa e il metodo adottato permettono di ridurre il numero di sonde da installare rendendo l impianto più economico. 23

24 Figura 9. Confronto impianto con pompe di calore elettriche e con pompe di calore GAHP L utilizzo del gas naturale come vettore rappresenta una risorsa laddove il gas è presente ed esistono già delle infrastrutture di supporto. Anche dal punto di vista energetico il gas rappresenta una risorsa se utilizzato correttamente e in alta efficienza come ad esempio per lo sfruttamento di energie rinnovabili geotermiche, aerotermiche e idrotermiche con efficienze del %. Sul fronte sicurezza, gli impianti a gas risultano sicuri al pari di quelli elettrici. Le statistiche fornite dal Comitato Italiano Gas e dal Comitato Elettrotecnico Italiano rivelano un numero di incidenti annuali molto simile. Per quanto riguarda l aspetto delle emissioni nocive, non è corretto affermare che le GAHP sono più inquinanti rispetto alle EHP, semplicemente varia il luogo in cui si emette CO2. Anche in caso di impianti che combinano pannelli fotovoltaici con pompe di calore elettriche, si registra un livello seppur minimo di emissioni di C02. In conclusione, si può affermare che la scelta dell impianto più idoneo, e quindi del vettore energetico, deve essere fatta su basi tecniche e non su preconcetti o false convinzioni avendo ben presente sia le esigenze finali sia le caratteristiche del territorio su cui verrà realizzato. Dove è presente il gas e l esigenza principale è il riscaldamento la Robur considera le GAHP più adatta, al contrario laddove il gas non è presente o dove pesa molto la climatizzazione estiva sono più idonee le EHP. 24

25 Figura 10. Emissioni di C02 Kg/kWh termico I primi impianti realizzati dalla Robur non riguardano l Italia, ma bensì la Germania dove probabilmente esiste una coscienza ecologica più forte e un regime di incentivi più generoso. Un primo esempio di impianto realizzato per un edificio ad uso terziario, mostra che l utilizzo di GAHP ha permesso una riduzione dello sviluppo delle sonde geotermiche di 909 metri, il 43% in meno rispetto a impianti tradizionali. Simili realizzazioni sono state installate in Italia, in quelle Regioni e Provincie autonome dove si sovvenzionano questo tipo di impianti, come la Provincia di Bolzano. Oltre alla possibilità di realizzare impianti con una riduzione significativa di sonde, sono possibili interventi di riqualificazione energetica modificando sola la centrale termica, installando pompe di calore con sonde geotermiche, senza toccare l impianto di riscaldamento e la struttura edile. E il caso di una scuola elementare di Plaidt in Germania. Per capire i reali vantaggi delle diverse tecnologie è importante prevedere un monitoraggio dei risultati energetici. La Robur ha inserito nelle sue installazioni dei misuratori di energia: uno sulla partenza dell impianto di distribuzione, due sulle mandate della macchina a pompa di calore e della caldaia e uno sull impianto che scambia col terreno. Figura 11. Impianto di monitoraggio dei risultati energetici 25

26 Dal monitoraggio dell impianto realizzato nella scuola l efficienza media misurata è stata di 1,39 GUE, su un risultato atteso di 1,48 GUE, e il REP (rapporto energia primaria medio) è stato di 1,25, su un risultato atteso di 1,41. I nove punti percentuali tra i GUE sono dovuti alle condizioni reali di installazione e ai carichi parziali non simulati nel calcolo. I quattordici punti percentuali tra i REP sono dovuti alle condizioni reali, ai carichi parziali e al maggior peso degli ausiliari elettrici nei mesi caldi. Rispetto alla situazione precedente alla riqualificazione si è ottenuto un risparmio di energia primaria testato pari al 36%. La pompa di calore GAHP ha lavorato ad una temperatura media di 62 C ed ha ottenuto un GUE testato pari ad un COP = 3,5 offerto da una ipotetica pompa di calore geotermica a compressione di vapore azionata elettricamente. In conclusione, nelle riqualificazioni energetiche le GAHP sono uno strumento per raggiungere ottimi risultati con operazioni caratterizzate da costi e investimenti contenuti. Fernando PETTOROSSI Capo Gruppo Italiano Pompe di Calore, Anima/Coaer Il caso di seguito illustrato non riguarda il territorio lombardo, ma quello piemontese ed è quasi interamente finanziato dalla Regione Piemonte. Si tratta di un impianto in fase di realizzazione a Vercelli, un vero e proprio sistema integrato dove dialogano le diverse tecnologie rinnovabili: geotermico, fotovoltaico e solare termico. Il principio ispiratore di questa realizzazione, composta da 12 fabbricati, è la considerazione che la terra viene sistematicamente colpita, nel suo complesso, da una potenza paria a volte l energia utilizzata dall intera umanità. L obiettivo di partenza era di utilizzare il più possibile risorse rinnovabili ed infatti l impianto sfrutta il solare termico, il solare fotovoltaico e un sistema di sonde geotermiche. Per dimezzare la potenza è stata realizzata una vasca di accumulo di 75 m³ di acqua che funge da tampone e che consente il funzionamento dell impianto 24/24h riducendone i costi. Alla vasca è collegata una caldaia di emergenza di 70 kw per abbattere le punte e che si prevede entri in funzione al massimo 2-3 giorni all anno. Inoltre, è stato creato un sistema di recupero termico delle acque grigie per migliorare la temperatura della vasca che deve attestarsi a L impianto è dotato di due pompe di calore: una pompa da 220 kw acqua-acqua, secondo l allegato E della Finanziaria del 2010 che prevede un COP di una rete energetica pari a 5,1, e una PdC ausiliaria da 40 Kw. 26

27 Figura 12. Sistema della centrale termica impianto ex IPAI Vercelli Analizzando i flussi di energia: si vede che il serbatoio geotermico del terreno scarica nella vasca di accumulo che a sua volta scarica nella pompa di calore principale (1); il solare fotovoltaico alimenta la pompa di calore ausiliaria (2) e la rete elettrica che alimenta una frazione dell energia complessiva del sistema. Contemporaneamente dalla PdC 1 esce, nel periodo invernale, acqua calda sanitaria. Inoltre, all interno sono previsti pannelli scaldanti a pavimento che consentono una percezione migliore del calore rispetto ad altri impianti e un conseguente risparmio di energia. Con le eccedenze energetiche viene alimentata una vasca termale posizionata al centro dei 12 fabbricati. L impianto a freddo non è richiesto, trattandosi di case popolari per anziani, ma è stato comunque progettato perché potrebbe servire nella stagione estiva qualora l acqua presente nel sottosuolo non fosse sufficiente a ricaricare il serbatoio energetico geotermico. 27

28 Figura 13. I flussi di energia Inizialmente erano previste delle sonde geotermiche verticali, successivamente il progetto è stato modificato sulla base delle esigenze dei pozzi di alimentazione della città di Vercelli e sono state previste delle sonde orizzontali interrate a 3 metri di profondità, in modo da non subire l influenza del clima esterno, e immerse nell acqua. Il contributo del solare termico in quel territorio è di circa kwh/m³ per cui si prevede un contributo complessivo di kwh all anno pari all 83% del fabbisogno. Il contributo del solare fotovoltaico è di 1150 kwh/m³ per cui si prevede un contributo complessivo di kwh all anno. Il dialogo fra le diverse fonti di energia consente notevoli risparmi economici, oltre a benefici energetici Figura 14. Sonde geotermiche orizzontali ed ambientali. A tal fine è importante monitorare costantemente l impianto con un sistema di controllo remoto. I primi risultati delle prestazioni energetiche, illustrati nella tabella seguente, confermano le aspettative in termini di risparmio energetico e beneficio ambientale. 28

29 Figura 15. Confronto prestazioni impianto convenzionale e nuovo progetto La forte riduzione di impiego di fonti primarie tradizionali come il petrolio contribuisce a diminuire la dipendenza energetica dell Italia dall estero e consente di abbattere drasticamente le emissioni di CO2. E auspicabile il maggiore utilizzo possibile di fonti rinnovabili, compresa la risorsa geotermica che ha altissime rese energetiche nonostante presenta oggettivi limiti fisici da tenere in considerazione. Oltre al ben noto problema delle emissioni di CO2, la riduzione di centri di combustione a bassa resa con nuovi impianti può contribuire a ridurre l inquinamento da PM10 e nano-particelle. Coaer-ANIMA è stata convocata da Regione Lombardia per formare, insieme a CESTEC, una Commissione per affrontare questo grave problema che interessa in particolar modo la città di Milano. Umberto PUPPINI Coordinatore GL608 SG3 e SG4 Comitato Termotecnico Italiano e Componente Commissione Geotermia CNG Uno dei principi cardini che deve guidare tutti gli operatori che utilizzano fonti rinnovabili, come la geotermia, è l attenzione verso l aspetto della sostenibilità ambientale. Alla luce delle problematiche internazionali (crescita demografica, tendenza all espansione delle città e cambiamenti climatici), è importante promuovere un uso consapevole delle risorse naturali ed accorciare le filiere di produzione e distribuzione di beni e risorse. Per la risorsa geotermica si registra una particolare attenzione verso i possibili impatti ambientali derivanti dal suo utilizzo, probabilmente perché il terreno, così come l acqua, è tradizionalmente considerato un ricettore delle attività umane, comprese le contaminazioni. Un altro aspetto cruciale legato all uso della geotermia è il monitoraggio energetico. Si tratta di due aspetti fortemente correlati che vanno considerati simultaneamente in quanto l efficienza energetica genera efficienza ambientale e viceversa. Un approccio di questo tipo consente di raggiungere gli obiettivi europei del 2020 e di capire gli obiettivi dell innovazione tecnologica. Chiaramente sono auspicabili nuove tecnologie, come le 29

30 pompe di calore ad assorbimento gas, che permettono di ridurre il numero di perforazioni e sonde per lo sfruttamento della risorsa geotermica. L ubiquitarietà della disponibilità della risorsa geotermica a bassa e bassissima temperatura in Italia e in Europa è un fatto conclamato, il punto è verificarne l accessibilità. Figura 16. Il potenziale geotermico a bassa/bassissima temperatura in Europa La risorsa geotermica è al tempo stesso una fonte rinnovabile e sostenibile. Spesso i due concetti vengono sovrapposti, in realtà la rinnovabilità è un carattere intrinseco che dipende dalla natura stessa della risorsa, mentre la sostenibilità dipende dall uso che se ne fa. Di norma per valutare la sostenibilità dell utilizzo della fonte geotermica sono considerati gli aspetti economici e tecnologici, tuttavia è auspicabile considerare anche il lato ambientale. Con riferimento alle risorse geotermiche e al loro uso energetico, sostenibilità significa la capacità del sistema produttivo di reggere certi livelli di produzione per lunghi periodi (Rybach, 2003). Si tratta di un parametro misurabile. Per quanto riguarda l alta entalpia, secondo alcuni calcoli, l arco temporale sostenibile entro cui il serbatoio geotermico è in grado di recuperare il valore di temperatura iniziale, è pari a trent anni. Per la bassa e bassissima entalpia è possibile misurare, oltre all efficienza del sistema, le temperature che vengono modificate all interno del serbatoio geotermico. Gli effetti ambientali riguardano sia la sorgente (il serbatoio geotermico) sia l impianto. Dal lato sorgente, si ha un volume di terreno (più o meno asciutto e saturo) con una certa presenza di acqua che eventualmente circola, pertanto si possono avere effetti sull idrosfera e sulle acque superficiali, oltre che sulla biosfera. Sul lato impianto abbiamo effetti diretti in atmosfera (calore e rumore delle macchine) e sulla litosfera (tubazioni nel sottosuolo). Ci sono poi effetti ambientali indiretti legati al ciclo di produzione dell impianto stesso. 30

31 La norma che attualmente regola l uso delle risorse geotermiche, ed in particolare per i circuiti chiusi, indica esplicitamente la necessità di monitoraggio ambientale in fase di esercizio per i grandi impianti. Le modalità del monitoraggio saranno indicate all interno di uno specifico decreto emanando e dovranno tener conto delle specificità dei singoli casi. Sostanzialmente si valutano e misurano tre elementi: riduzione delle emissioni, riduzione di consumo di tonnellate di petrolio equivalenti e maggiore uso delle risorse rinnovabili. Per quanto riguarda gli impatti si misureranno diversi parametri a seconda del ricettore: es. temperatura e qualità chimica dell aria per l atmosfera; bilancio e deriva termica per la litosfera; qualità fisica, chimica e batteriologica delle acque superficiali per l idrosfera e qualità microbiologica per la biosfera. In definitiva, per valutare la sostenibilità energetico-ambientale è possibile procedere con due attività: un analisi degli effetti energetici-ambientali (bilancio benefici e impatti) e/o una gestione del rischio (monitoraggio, valutazione e analisi) secondo approcci ormai consolidati. Qui di seguito viene riportato il caso di una ristrutturazione eseguita nella città di Milano che prevede l utilizzo della risorsa geotermica, tramite sonde profonde metri, all interno di un sistema integrato. Dalle simulazioni si osserva che, rispetto al valore di temperatura originale pari a 15,5, gli impulsi di caldo e freddo determinano delle oscillazioni di temperatura della falda che tendono a regolarizzarsi dimostrando che non c è un effetto di deriva termica dovuto a questo scambio. Si tratta di una condizione fondamentale per la valutazione e realizzazioni di simili progetti. Figura 17. Simulazioni dell effetto dello scambio termico dopo 6 anni 31

32 Sostengono il Laboratorio 32

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