CGT. Centro di GeoTecnologie. Le pompe di calore geotermiche: i vincoli e le opportunità per lo sviluppo. Giovedì 11 dicembre Milano

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1 L importanza dei parametri geologici per l ottimizzazione di sonde geotermiche applicate a pompe di calore: stime teoriche e casi di studio in Regione Toscana Le pompe di calore geotermiche: i vincoli e le opportunità per lo sviluppo. Giovedì 11 dicembre Milano Fabio Mantovani Luigi Carmignani - Alfia Pasquini CGT Centro di GeoTecnologie

2 Summary Geotermia e pompe di calore Principi di funzionamento delle pompe di calore Il contributo della geologia per l ottimizzazione delle sonde geotermiche Schema di istanza di autorizzazione di impianto a pompa di calore geotermica in Regione Toscana Gli impianti operativi in Regione Toscana Conclusioni e prospettive

3 La risorsa geotermica ed il suo sfruttamento L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore. Si sfrutta il GRADIENTE TERMICO terrestre; esso è mediamente: ΔT( z) C.3 Δz m Sulla base di questo dato si può realizzare una classificazione della risorsa*, in funzione della variazione della temperatura ΔT: geotermia adalta entalpia ΔT > 15 C geotermia amedia entalpia 9 < ΔT < 15 C geotermia abassa entalpia 2 < ΔT < 9 C * Muffler and Cataldi (1978)

4 La risorsa geotermica: sfruttamento del gradiente termico La risorsa geotermica che sfrutta il gradiente termico può essere impiegata per diversi scopi a seconda della temperatura dell acqua estratta. Impiego Temperatura [ C] Risorsa geotermica Centrale elettrica T > 1 media - alta entalpia Terme e piscine T > 3 bassa entalpia Riscaldamento mediante pannelli radianti T > 35 bassa entalpia Processi alimentari T > 4 bassa entalpia Acqua calda per uso domestico T > 4 bassa entalpia Riscaldamento serre T > 35 bassa entalpia Allevamento animali T > 3 bassa entalpia Acquacoltura T > 2 bassa entalpia

5 Le pompe di calore geotermiche Le pompe di calore geotermiche non sfruttano direttamente il gradiente di temperatura. Si sfrutta la caratteristica del terreno di avere una massa di grande capacità termica e di mantenere una temperatura quasi costante per tutto l'anno. 3 3 Temperatura C Temperatura C Temperatura di benessere Aria -.5 m -1.5 m -3.5 m Tempo (giorni) Tempo (giorni)

6 Prestazioni energetiche di una pompa di calore La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione "COP, dato dal rapporto tra energia resa ed energia consumata. T casa 18 C T impianto 35 C 3 Temperatura C 2 1 ΔT ΔT Aria -.5 m COP... Riscaldamento T acqua Timpianto T = T T ΔT impianto C.O.P. 15 C +++ acqua impianto Spesa -1.5 m -3.5 m 12 C C + Tempo (giorni)

7 Alla ricerca di un buon scambiatore di calore C.O.P. HP ad aria: < 3 C.O.P. HP closed loop: 3-4 C.O.P. HP open loop: < Aria Temperatura C 2 1 Aria -.5 m Suolo -1.5 m -3.5 m Tempo (giorni)

8 Principi di funzionamento di una pompa di calore geotermica La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando energia elettrica. Temperatura della casa In inverno Q casa = Q acqua + L pompa Temperatura dell acqua La pompa di calore non è una fonte di energia, bensì una forma di risparmio energetico.

9 H closed loop V closed loop open loop La pompa di calore geotermica Quale contributo può dare la geologia nel migliorare le performance di una sonda geotermica per l impianto di una pompa di calore?

10 Studio della conducibilità termica del terreno Roccia Rocce magmatiche Graniti Gabbri Basalti Porfidi Ossidiane Pomici Rocce sedimentarie Calcari Arenarie Travertini Gessi Ghiaia asciutta Ghiaia bagnata Sabbia asciutta Sabbia bagnata Limi e argille asciutti Limi e argille bagnate Rocce metamorfiche Gneiss Marmo Ardesia Conducibilità termica media λ [W / K m] Resa [W / m] Lo scambio termico sondaterreno è fondamentale. La conduzione del calore in un mezzo omogeneo ed isotropo lungo una direzione (z): Φ Q W = K T z 2 app m La conducibilità termica Κ app dipende da: porosità umidità relativa densità

11 Non tutti i siti hanno la stessa resa termica: carta delle rese termiche su base litologica

12 Il profilo di temperatura del terreno Durante l anno la temperatura media del terreno al variare della profondità z può essere descritta dalla relazione: Temperatura ( C) <T> Firenze Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Mesi (anno 27) Settembre Ottobre Novembre Dicembre T media T minima T max z dz z T( z,t) = T+ Ae sin ω t+ +ϕ d dove: d z = τd π damping depth D T =diffusività termica T T(z,t) Litologia Diff. T. [m 2 /d] Argilla.6 Sabbia.79 Arenaria 1.3 Profilo di T (Arenaria) Giorni Z= m Z=3 m Z=12 m

13 Stabilità termica del suolo Resistività termica [m K / W] La stabilità termica dipende dal contenuto in umidità. Sotto una soglia critica, ad un piccola variazione di umidità corrisponde una grande variazione di resistività termica: ρ density, w, Φ ( ) c mod. di Kersten Gradiente di temperatura indotto Migrazione di umidità Cambio del comportamento termico del suolo mod. di De Vries mod. Walsh e Decker Tipo di terreno Umidità critica[%] Argilla Limo Ghiaia < 12 %

14 Stress termico in prossimità della sonda SUSTAINABILITY ASPECTS OF GEOTHERMAL HEAT PUMPS L. Rybach and W. J. Eugster - Twenty-SeventhWorkshop on Geothermal Reservoir Engineering - Stanford University, Stanford, California, 22

15 Schema di istanza di autorizzazione impianto pompa di calore - sonda geotermica Regione Toscana

16 Schema di istanza di autorizzazione impianto pompa di calore - sonda geotermica Regione Toscana

17 Schema di istanza di autorizzazione impianto pompa di calore - sonda geotermica Regione Toscana

18 * Fonte: Regione Toscana Dati giugno 27 Le sonde geotermiche in Toscana* 36 sonde dichiarate : 14 sonde orizzontali 21 sonde verticali 1 open loop Potenza media di riscaldamento: ~ 35 kw (per impianto) [~ 1.1 MW tot] Potenza media di raffreddamento: ~ 25 kw (per impianto) [~.9 MW tot] Circa 8% degli impianti prevedono rinfrescamento

19 Numero di impianti per potenza installata in Regione Toscana Numero impianti Potenze di riscaldamento Potenze di raffreddamento <2 kw 2<x<4kW >4kW Non definito Potenze (kw)

20 Numero di impianti per potenza installata in Regione Toscana: alcuni dettagli Potenza installata (kw) Potenza riscaldamento (KW) Potenza raffreddamento (KW) <P ris > = 42 kw sonde prof. 1 m Pot. Riscald. 19 kw Pot. Raffred. 125 kw Sonde verticali Impianti a sonde verticali 7 sonde lungh. tot. 7 m Pot. Riscald. 8 kw Pot. Raffred. 7 kw P otenza installata (kw ) <P ris > = 23 kw Potenza riscaldamento (KW) Potenza raffreddamento (KW) Sonde orizzontali Impianti a sonde orizzontali

21 Numero complessivo delle relazioni Stato della costruzione Non definito Ristrutturazione Nuova costruzione Ristrutturazione o nuova costruzione? ~ 5 % ristrutturazioni ~ 5 % nuove costruzioni Numero impianti Ristrutturazione Nuova costruzione Verticale Orizzontale Open Loop Tipologia impianto

22 Toscana vs Svizzera!!! Sup. Svizzera ~ 2 * Sup. Toscana ca. ~ 5 % ristrutturazioni Svizzera ~ 5 % nuove costruzioni Regione Toscana Numero impianti <2kW 5-1 kw 1-3 kw Pontenza degli impianti (kw) 1

23 Conclusioni e prospettive La conoscenza dei parametri geologici del territorio è fondamentale per l ottimizzazione delle performance delle sonde geotermiche e per la tutela ambientale: integrazione tra dati cartografici geopedologici, idrogeologici e geotecnici misure di parametri geotermici, geofisici e geotecnici in situ ed in laboratorio modellazione numerica e simulazioni attraverso aree test Il monitoraggio delle strutture esistenti è essenziale: permette di realizzare studi sull invecchiamento delle strutture e sulla loro efficacia si ha un controllo delle tecnologie impiegate

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25 Gradiente e pozzi geotermici: il caso della Toscana Larderello + Travale-Radicondoli: ~ 225 pozzi ; 27 unità ; ~ 72 MWe Bagnore e Piancastagnaio: ~ 16 pozzi ; 5 unità ; ~ 9 MWe Temperatura [ C] ΔT ( z ) C.15 m Δz Profondità [m] ΔT ( z ) C.3 m Δz Potenza installata tot.: ~ 81 MWe