LA GEOTERMIA LA COMBUSTIONE

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1 LA GEOTERMIA LA COMBUSTIONE S.r.l. Via Raffaello, MOGLIANO VENETO - TV

2 Il terreno come sorgente geotermica Il calore è la forma macroscopica con la quale l'energia passa da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di temperatura; l energia geotermica, invece, è il calore contenuto all interno della Terra e generato per mezzo di fonti termiche geologiche. Alla base dello sfruttamento dell energia geotermica non vi è solamente la conversione in energia meccanica per la produzione di elettricità ma anche l utilizzo diretto del calore. Il calore proveniente da una risorsa geotermica può essere utilizzata direttamente per fornire calore ad una rete di teleriscaldamento, a piscine di un centro termale, a bacini di una pescicoltura, a serre agricole, o a tutte le altre attività che necessitano calore. La figura mostra la distribuzione mondiale delle installazioni di geotermie dirette nel L energia geotermica è considerata una fonte di energia quasi inesauribile poichè, per quanto non rinnovabile nel senso proprio del termine, la sua durata, guardando ai consumi attuali, è da considerarsi lunga rispetto alla durata della civiltà neolitica (che è di circa anni). Generalmente siamo abituati a pensare alla geotermia in termini di vapore da utilizzare in centrali termoelettriche, o come acque termali ad elevata tempratura; in realtà può essere considerata una risorsa geotermica sfruttabile

3 per la climatizzazione anche l acqua di pozzo o il terreno di casa nostra grazie all utilizzo di una pompa di calore. Principio base della pompa di calore Il principio base è quello di estrarre energia termica dal sottosuolo, trasformarla con una pompa di calore ad una temperatura più alta e poi usare questa energia per produrre acqua calda da utilizzare per il riscaldamento o semplicemente come acqua calda stessa. Le pompe di calore abbinate a sonde geotermiche sfruttano questo principio permettendo di riscaldare e raffrescare le nostre case con un unico impianto assicurando una alto grado di rendimento nell arco dell intera stagione e la possibilità di essere indipendenti da ogni apporto termico esterno (per esempio una caldaia a metano o gasolio). Nella maggioranza dei casi il sottosuolo ha una temperatura pressoché costante, che in Italia oscilla fra i 12 ed i 14 C a partire da 10 metri fino a 100 metri di profondità. Al di sotto di 100 metri, la temperatura inizia a salire in ragione di 3 gradi per ogni 100 metri di profondità. Tutte le applicazioni geotermiche che implicano temperature del sottosuolo inferiori a 40 C (e dunque le primissime centinaia di metri del sottosuolo) vengono definite a bassa entalpia. In generale ogni impianto di climatizzazione è costituito da due parti: - una parte di produzione del calore - una parte di erogazione del calore Nell edilizia convenzionale la prima parte è costituita da una caldaia e la seconda dai radiatori,dai pannelli radianti, dai ventilconvettori o comunque, più in generale, da dei terminali di riscaldamento. Negli impianti geotermici ad acqua di pozzo la produzione del calore è affidata alla pompa di calore mentre l erogazione a dei terminali opportuni; opportuni nel senso che minore sarà la loro temperatura, migliore sarà la resa dell impianto geotermico poichè maggiore sarà il COP della pompa di calore (Coefficient of Performance, uguale al rapporto tra l energia termica che si ottiene e l energia elettrica assorbita) e minore sarà il consume di energia elettrica. Tuttavia affinchè i terminali trasferiscano all ambiente l energia necessaria a mantenerli a temperatura di comfort, più è ridotta la loro temperatura, maggiore dev essere la loro superficie radiante. Le temperature dei radiatori (60/70 C) non sono idonee per questo tipo di impianti; per questo motivo il terminale di riscaldamento ideale per un impianto geotermico è rappresentato dai pannelli radianti (a pavimento, a parete o a soffitto) poichè non lavorano a temperature superiori a 40 C. Oggigiorno la maggior parte degli impianti a pompa di calore presenti in edilizia civile sfruttano l aria quale sorgente termica, ciò per la sua disponibilità illimitata ed ubiquitaria, per la facilità di progettazione e per la praticità di installazione degli impianti. Tuttavia, quale fonte termica, non rappresenta la scelta termodinamicamente più efficiente perchè la sua temperatura varia durante l anno ed è più bassa proprio nei periodi di maggior fabbisogno termico, comportando un decremento sia nel rendimento che nella capacità della pompa di calore.

4 Il terreno ha delle oscillazioni di temperatura stagionali assenti rispetto all ambiente esterno ed è, come sorgente, ad un livello termico più elevato: ciò lo porta ad essere una sorgente ideale per impianti a pompa di calore. Riassumendo, la scelta di un impianto a pompa di calore porta ai seguenti vantaggi rispetto a un impianto tradizionale: A livello impiantistico ho un unica macchina dalle dimensioni contenute che, permettendo sia di riscaldare che di raffrescare, sostituisce in tutto e per tutto sia la caldaia che i gruppi frigo; inoltre essa può essere installata in qualsiasi locale e la centralina dell impianto è unica e implementata nella macchina. Elevata sicurezza in quanto non è necessario l utilizzo di nessun combustibile, eliminando il rischio di perdite di gas, perdite di fumi e incendi; inoltre l utilizzo di gas refrigerante è molto contenuto ed è confinato in un circuito chiuso all inerno della macchina. Si ha la totale assenza di emissioni di CO 2 dirette e di qualunque altra sostanza nociva (ossidi di azoto, ossidi di zolfo, polveri sottili, particolato, PM10, PM2,5, residui cancerogeni e diossine); secondo il rapporto EPA, l impianto geotermico è il sistema che ha il più basso valore delle emissioni di CO2 fra tutte le tecnologie disponibili per la climatizzazione e il più basso impatto ambientale complessivo. Non è richiesta nessuna manutenzione programmata. Si elimina ogni tipo di dispositivo esterno e di contatore gas. Negli impianti geotermici residenziali la tipologia maggiormente utilizzata è quella di pompa di calore elettrica a compressione. Questa pompa di calore lavora tra due livelli termici: quello dell impianto di riscaldamento e quello reso disponibile dalla sorgente esterna. A queste due temperature corrispondono due livelli di pressione del fluido operativo, uno più elevato a cui avviene la condensazione e uno inferiore a cui avviene l evaporazione (costanti perchè i cambiamenti di stato avvengono a una coppia costante di pressione e temperatura). La pompa di calore trasferisce calore disponibile alla temperatura della sorgente esterna ad un livello termico più elevato, utile per la climatizzazione. Affinchè il processo sia ripetibile devo riportare il fluido vettore alle condizioni iniziali mediante una laminazione. I fluidi di norma impiegati sono i gas refrigeranti (R410A, R407C,...) o i refrigeranti naturali (propano, ammoniaca, anidride carbonica,...). Il ciclo si basa su quattro trasformazioni: evaporazione-compressionecondensazione-espansione; esse sono realizzate da quattro componenti: Evaporatore Compressore Condensatore Valvola di laminazione

5 Sia che la pompa di calore sia usata per il raffrescamento che per il riscaldamento essa lavora tra due livelli di temperatura e in entrambi i casi può essere definito un coefficiente di prestazione energetica che valuta il rapporto fra l energia termica resa e l energia consumata (in riferimento alla figura precedente esso è uguale a Q2/L); esso viene chiamato COP (coefficient of performance). Il COP non è un rendimento temodinamico e può assumere tranquillamente valori superiori al unità. Tanto più vicini sono i due livelli di temperatura tanto più elevato sarà il valore che esso assumerà. Questo è il motivo per cui si utilizzano terminali a bassa temperatura. Vi sono fondamentalmente tre tipi di impianti geotermici utilizzati nella climatizzazione: 1) Impianti accoppiati direttamente con il terreno attraverso un sistema di tubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido termovettore; 2) Impianti che utilizzano l acqua di falda come fluido termovettore, con o senza reimmissione nella falda dopo l uso; 3) Impianti che sfruttano l acqua dei laghi e dei bacini come sorgente termica attraverso un circuito che può essere aperto o chiuso. Le situazioni 2 e 3 richiedono delle situazioni ambientali particolari legate alla disponibilità idrica e sono soggette a vincoli legislativi sull inquinamento termico delle acque(l.152/99). Per la prima tipologia di impianti invece la legge non ha posto vincoli a livello nazionale e ha demandato alle provincie la possibilità di stabilire delle norme in merito. Ciò è stato fatto da poche provincie (Bergamo, Bolzano,...) ed è in fase di valutazione in numerose altre vista la giovane età di questa tecnologia. Le sonde geotermiche sono di due tipologie: verticali e orizzontali. Le sonde geotermiche verticali vengono adagiate in uno o più fori dalla profondità che varia tra gli 80 e i 150 m e sfruttano la costanza annuale della temperatura a quelle profondità (la presenza di falde lungo il suo percorso che diminuiscono la resistenza del terreno permettendo di dimensionare meglio e più facilemte l impianto), occupando un area molto contenuta. Lo svantaggio di questa soluzione è l alto costo della perforazione (in base alla tipologia del terreno) e il grande ingombro della trivella necessaria per la realizzazione del foro.

6 Gli scambiatori orizzontali invece vengono adagiati in una trincea fonda da 1 a 2 m in trecce da 2 a 8 sonde, con diverse configurazioni. Ovviamente le prestazioni di scambio termico sono inferiori rispetto a una sonda verticale (data la variabilità della temperatura nel corso dell anno a quella profondità) e inoltre è necessario avere a disposizione una maggiore area di terreno (che dovrà essere lasciata scoperta per eventuali interventi di manutenzione e per permettere un efficiente insolazione) su cui sarà possibile impiantare solo erba o arbusti. L enorme vantaggio, però, è il ridotto costo dello scavo che può essere realizzato in poco tempo da una semplice pala meccanica.

7 Per dimensionare un impianto geotermico è fondamentale anzitutto conoscere il fabbisogno di riscaldamento dell edificio per poter scegliere la pompa di calore più adatta alle esigenze del caso. Scelta la macchina si procede al dimensionamento della sonda vera e propria. Per questo passaggio è fondamentale avere una precisa conoscenza della stratigrafia del terreno per riuscire a capire qual è la sua risposta a delle sollecitazioni termiche. Ciò che il cliente dovrà fornire sarà dunque: Una planimetria dell abitazione e relativi sviluppi in pianta ( piano terra piano primo piano secondo etc ); Una descrizione della tipologia di sottosuolo (reperibile, se non conosciuta, nel comune di residenza). Fabbisogni energetici dell edificio in termini di potenza (kw) e energia (kwh). Il Free-Cooling Un altro vantaggio di questo tipo di impianto è la possibilità, nel periodo estivo, di bypassare la pompa di calore e utilizzare come temperatura dei terminali quella del sottosuolo. In questo modo con un consumo irrisorio di corrente elettrica (non è necessario utilizzare nessuna pompa di calore e dunque nessun compressore, ma solo delle pompe di circolazione con un assorbimento medio di 300 W di corrente elettrica). Va ricordato che una delle poche limitazioni che questo tipo di impianti comporta è la necessità di lasciare il terreno in cui è interrata la sonda privo di piantumazioni con radici profonde o a fronda ampia con foglie non caduche, le prime per la possibilità di danneggiamento della sonda (che viene realizzata in PVC per la facilità di posa e sagomatura), le seconde per l ombreggiatura prodotta e la conseguente difficoltà di rinnovo dell energia termica accumulata nel suolo nel periodo invernale. L implementazione con il fotovoltaico L impianto a pompa di calore non necessita di combustibile fossile ma necessità di corrente per funzionare. Per questo motivo esso si combina molto bene a un impianto

8 fotovoltaico che riesca a coprire totalmente o in parte la potenza elettrica richiesta dalla macchina. Tra le fonti di energia rinnovabile il sole ha un ruolo principe, anzi in realtà il sole può essere considerato in qualche modo l origine di tutte le fonti di energia sia in maniera diretta (conversione fotovoltaica, conversione termica, conversione termoelettrica mediante pannelli a concentrazione) sia in modo indiretto (energia eolica, biomasse) L energia che il sole irraggia sulla terra è pari ogni anno a circa volte la quantità di energia consumata attualmente nello stesso periodo dall intera umanità. Caratteristiche positive dell energia solare sono la sua disponibilità diffusa e praticamente illimitata ed il fatto di essere un energia assolutamente pulita. Da non trascurare anche il vantaggio di essere un energia che può essere facilmente prodotta anche in piccoli impianti in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di un nucleo familiare o di un condominio. Caratteristiche negative sono la non programmabilità della sua disponibilità dovuta all incostanza dell irraggiamento legata ai fenomeni atmosferici e stagionali e la scarsa concentrazione per unità di superficie terrestre. La più promettente tra le diverse tecnologie che sfruttano l energia solare è sicuramente quella fotovoltaica, grazie alle caratteristiche di semplicità, modularità, affidabilità e ridotte esigenze di manutenzione, sia a medio che a lungo termine.l effetto fotovoltaico è il processo di conversione dell energia solare in energia elettrica, e più precisamente della radiazione solare in una corrente di elettroni. Questo processo utilizza il fenomeno fisico dell interazione di un fotone (radiazione solare) con gli elettroni esterni di alcuni materiali (semiconduttori) che grazie all energia ricevuta dal fotone si liberano dall atomo originario lasciando una lacuna; gli elettroni degli atomi vicini si spostano occupando le lacune creatasi negli atomi adiacenti e così via. Si origina così un vero e proprio flusso di elettroni (corrente elettrica). La cella fotovoltaica è il mezzo dove si verifica il processo di conversione dell energia solare in energia elettrica. Consiste in una lastra di materiale semiconduttore (comunemente è silicio) che trattata in modo opportuno, origina una differenza di potenziale tra la superficie superiore (-) e inferiore (+). La radiazione solare che colpisce la cella mette in movimento gli elettroni che si spostano dalla parte negativa a quella positiva creando un flusso che genera corrente continua finchè la cella resta esposta alla luce.

9 L impianto immette in rete l energia elettrica prodotta con il sistema fotovoltaico dopo averla trasformata tramite inverter in corrente alternata e sincronizzata. In questo tipo di impianti la rete svolge la funzione di accumulo e prende in carico la corrente prodotta dall impianto fotovoltaico rendendola disponibile nel momento del bisogno per l utilizzo da parte dell utente. Gli impianti sono costituiti da : Generatore fotovoltaico consistente in una serie di moduli fotovoltaici tra di loro collegati, che ha la funzione di trasformare l irraggiamento solare in energia elettrica. Inverter per la trasformazione della corrente continua erogata dal sistema in corrente alternata e la sua immissione in rete. Quadro di controllo per la gestione dell interfaccia tra sistema di produzione fotovoltaico e rete. I vantaggi più significativi della produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica sono: inesauribilità della fonte; assenza di emissioni inquinanti ed in particolare di gas serra; non consumo di combustibili fossili; semplicità impiantistica; minimi costi di esercizio e manutenzione; pannelli facilmente integrabili negli edifici e nelle infrastrutture urbane occupando superfici solitamente inutilizzate (tetti,facciate, pensiline, ecc...). Il governo italiano per venire in contro e promuovere la diffusione di questi impianti propone un sistema di incentivazione denominato Conto Energia. Questo sistema retribuisce l autoproduzione di energia elettrica se immessa nella rete nazionale e, se l energia viene auto-consumata, viene scalata dalla propria bolletta conseguendo un guadagno pari alla differenza tra costo al dettaglio del KWh e quello all ingrosso. Il prezzo con cui viene pagato il kwh autoprodotto segue questa tabella

10 Le tariffe sono erogate per un periodo di venti anni, a decorrere dalla data di entrata in esercizio dell impianto e rimangono costanti, non subiscono cioè aggiornamenti ISTAT, per l intero periodo. Per gli impianti che entreranno in esercizio dal 1 gennaio 2009 al 31 dicembre 2010, i valori indicati nella tabella saranno decurtati del 2% per ciascuno degli anni di calendario successivi al 2008, rimanendo poi costanti per il periodo di venti anni di erogazione dell incentivo. MSE e MATTM ridefiniranno invece con successivi decreti le tariffe incentivanti per gli impianti che entreranno in esercizio negli anni successivi al Esempio di soluzione impiantistica di tipo residenziale Vediamo ora di valutare la convenienze nell installazione di un impianto geotermico affiancato ad un impianto fotovoltaico integrato rispetto all installazione di un impianto di climatizzazione con una caldaia a condensazione per il riscaldamentoe degli split ventilconvettori per il raffrescamento (non è conteggiato il risparmio relativo al loro costo nella valutazione che segue). IMPIANTO ORIZZONTALE IMPIANTO VERTICALE Potenza pompa di calore in 8 kw termici 8 kw termici riscaldamento COP 4 4 Potenza elettrica assorbita dalla 2 kw elettrici 2 kw elettrici pompa di calore Tempo annuale di funzionamento h h Energia elettrica consumata kwh kwh annualmente Costo impianto

11 geotermico installato (sonda+pompa di calore+impianto) Potenza impianto fotovoltaico Energia elettrica prodotta annualmente Costo impianto fotovoltaico installato Energia elettrica acquistata dalla 3 kw 3 kw kwh kwh kwh 600 kwh rete Conto Energia Costo energia elettrica acquistata annualmente Rimborso 55 % sull impianto geotermico Risparmio legato alla mancata installazione della caldaia a condensazione Gas risparmiato annualmente Totale investimento Il ritorno dell investimento è il seguente: Ritorno investimento impianto geotermico orizzontale + fotovoltaico anno

12 Ritorno investimento impianto geotermico verticale + fotovoltaico anno Si può notare che la differenza di payback (tempo di ritorno) tra i due tipi di impianto è molto poca, leggermente a favore dell impianto geotermico orizzontale che comporta inoltre un investimento iniziale inferiore. Il VAN e il TIR di questi due investimenti sono i seguenti IMPIANTO ORIZZONTALE IMPIANTO VERTICALE VAN TIR 12 % 11 %