LA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA. Nuove opportunità per uno sviluppo sostenibile il ruolo del geologo. Patti 15 marzo 2013 Sala Comunale ex Tribunale

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1 CONVEGNO LA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Nuove opportunità per uno sviluppo sostenibile il ruolo del geologo Patti 15 marzo 2013 Sala Comunale ex Tribunale Barcellona Pozzo di Gotto 16 marzo 2013 Auditorium di S. Vito

2 Indice degli argomenti 1. Geotermia: introduzione 2. Geotermia a bassa entalpia Impianti 3. Cenni di pianificazione (ruolo del geologo) 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale 5. Progettazione geotermica di campi sonde verticali 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali 7. Sperimentazione e ricerca in atto

3 1. Geotermia: introduzione Geotermia: scienza che si occupa dello studio e dello sfruttamento del calore esistente all interno della Terra Flusso geotermico: quantità di calore che giunge in superficie dall interno del pianeta (nucleo e mantello), per poi irradiarsi verso la superficie (crosta terrestre) e quindi verso l atmosfera. q =0,065 W/m Gradiente geotermico: determina l'aumento di temperatura con la profondità. Dipendente dalle proprietà termiche del terreno. In media: 3 C/100, Il gradiente è l effetto misurabile del flusso di calore proveniente dal nucleo Anomalie geotermiche, legate a contesti geostrutturali (fasce instabili con risalita di magma, vulcanismo ecc..). In queste aree critiche calde, il gradiente può essere fino a volte maggiore di quello medio, come ad esempio nella fascia tirrenica centro-meridionale (Toscana-Lazio-Campania) Carta delle potenzialità geotermiche di media e alta temperatura in Italia. (Della Vedova et al.)

4 1. Geotermia: introduzione Manifestazioni geotermiche naturali Soffioni boraciferi e geiser (Monte Amiata, Toscana) Fenomeni vulcanici e magmatici (foto: eruzione Etna) Fenomeni idrotermali (cascate acque calde sulfuree Saturnia)

5 1. Geotermia: introduzione Principali applicazioni geotermiche Alta temperatura (T > 150 ) Produzione energia elettrica Zone: Versante Tirrenico (Toscana in particolare). L Italia (Eni-Enel) è riferimento nel mondo di questa applicazione. Medio-bassa temperatura (90 > T > 30 ) Media temperatura (150 > T > 90 ) Teleriscaldamento e produzione energia elettrica con nuove tecnologie Zone: in varie regioni italiane (vedi carta potenzialità geotermiche). Oltre 100 permessi di ricerca negli ultimi due anni Bassa/bassissima temperatura (T < 30 ) Uso diretto del calore (riscaldamento e termalismo) Uso indiretto del calore (con pompe di calore) Zone: diffusissimo in Italia Da considerare come opportunità integrativa ai sistemi a pompe di calore In molti casi Zone: applicabile ovunque con rare eccezioni definite da condizioni geologiche particolari. Sistemi openloop e closed-loop

6 1. Geotermia: introduzione Il ruolo culturale e di indirizzo del geologo: la confusione e l ignoranza riferita alla materia geotermica è grande in numerose categorie di persone, compresi professionisti e progettisti!!! il geologo è chiamato a indicare ciò di cui si parla, ciò che è fattibile nelle diverse aree, ciò che si deve approfondire Il ruolo rassicurante del geologo: quando si parla di perforazioni geotermiche si diffondono sempre paure e timori, talvolta chiaramente irragionevoli: il geologo è chiamato a favorire un approccio razionale e scientifico, che parte da una adeguata conoscenza geologica preliminare alle decisioni da prendere

7 2. Geotermia a bassa entalpia - Impianti La climatizzazione con pompa di calore Pre-requisito: edifici ben coibentati e di classe energetica elevata Pompa di calore: macchina frigorifera che trasferisce calore da una sorgente fredda ad un corpo a temperatura maggiore Impianto di distribuzione: preferibilmente a bassa temperatura (meglio se con elevata inerzia termica) Produzione di acqua calda sanitaria; con accumuli inerziali per ridurre le potenze della PdC Raffrescamento: di tipo naturale o free cooling con semplice circolazione nei due circuiti, o active cooling con inversione del ciclo PdC

8 2.Geotermia a bassa entalpia - Impianti Tipologie di geoscambiatore Collettori orizzontali Acqua di falda ( Open loop ) Scambiatori composti da tubazioni poste in aree appositamente dedicate (meglio se non pavimentate) a 1-2 metri in sbancamenti o trincee. Bassa efficienza soprattutto in estate Pali energetici o geostrutture Sistemi costituiti da circuiti chiusi immersi all interno di strutture di fondazione (pali/diaframmi ecc ). Generalmente molto economici e convenienti, nel caso di tali fondazioni Sistemi costituiti da uno o più pozzi di presa e (generalmente) uno di reimmissione in falda. Sistemi molto efficienti e competitivi soprattutto in impianti di grandi dimensioni Sonde geotermiche verticali Sistemi costituiti da circuiti chiusi (uno o due per foro) inseriti all interno di perforazioni profonde da 80 a 150 metri. Sistema molto efficiente, ma molto costoso. Fattibile ovunque con poche limitazioni

9 2.Geotermia a bassa entalpia Funzionamento Riscaldamento (invernale) In modalità riscaldamento il fluido di circolazione scende attraverso la sonda di mandata ad una temperatura inferiore a quella del terreno e risale ad una temperatura di 3-5 superiore, dopo avere estratto calore dal terreno per conduzione. La pompa di calore trasferisce il calore estratto dal terreno all impianto di distribuzione con acqua in mandata ad una temperatura di 3235 e ritorno dall impianto a 3-5 in meno. In tal modo cede calore all ambiente Raffrescamento (estivo) In modalità raffrescamento il ciclo è invertito e l acqua che circola nelle sonde geotermiche si raffredda per effetto della temperatura minore del terreno. Mediante un semplice scambiatore di calore si ha un raffrescamento naturale (o free cooling) che permette di abbassare lievemente la temperatura in ambiente. Qualora tale raffrescamento naturale non sia sufficiente il ciclo della pompa di calore si inverte e il compressore permette di mandare acqua refrigerata a bassa temperatura all impianto. In tal caso è necessario deumidificare l ambiente

10 3. Cenni di pianificazione (ruolo del geologo) Piani e carte geoenergetiche Propensione/vocazione geotermica: potenziale di resa termica dei terreni superficiali; disponibilità di risorse per impianti open loop potenziale di resa dei terreni profondi ( mt.) Interazione con altre risorse ed usi del sottosuolo: acquiferi e opere di captazione (pozzi potabili), compreso aree di ricarica e di rispetto risorse termali e relative concessioni, compreso aree di rispetto Rischi ambientali e potenziali impatti: situazioni geologiche particolari (terreni anidri, fenomeni carsici, falde in pressione, presenza di sacche metanifere) siti contaminati o potenzialmente contaminati esistenza di strutture e infrastrutture interrate o di loro previsione futura

11 3. Es. in progress Regione Emilia-Romagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

12 3. Es. in progress Regione EmiliaRomagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

13 3. Es. in progress Regione Emilia-Romagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

14 3. Es. in progress Regione Emilia-Romagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

15 3. Es. in progress Regione EmiliaRomagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

16 3. Es. in progress Regione Emilia-Romagna (da presentazione dott. Molinari Servizio Geologico RER, Ferrara 21/09/12)

17 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale Modello geologico-idrogeologico Geomorfologia: ambito di riferimento, caratteristiche e peculiarietà Geologia: formazioni geologiche presenti e loro disposizione geometrica Litostratigrafia: descrizione litotipi presenti e loro caratteristiche Idrogeologia; descrizione acquiferi e loro caratteristiche Carta geologica e sezione di riferimento Geostrutturale: indicazione di constesto strutturale di riferimento

18 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale Modello geoenergetico Propension e allo scambio termico del primo sottosuolo Modello geologico Indicazioni su potenziale energetico della falda Potenziale di scambio in terreni profondi Oltre alla valutazione sul potenziale di scambio termico dei terreni superficiali, della falda e dei terreni profondi è opportuno considerare la presenza di eventuali anomalie termiche nell area, anche mediante acquisizione dati e informazioni sulla temperatura delle acque sotterranee

19 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale Caratterizzazione termica del sottosuolo (il trasferimento di calore nel terreno si ha principalmente per conduzione ed avvezione) Fattori geologici che influenzano la CONDUZIONE Fattori idrogeologici che influenzano la AVVEZIONE composizione mineralogica del terreno Velocità di flusso della falda densità e indice dei vuoti trasmissività (Il numero di Peclet) grado di saturazione

20 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale Rischio essiccame nto per terreni superficiali Aree potenzialm ente contaminat e Rischi geologici e impatti potenziali Interazione con strutture di fondazione Modello geologico Aree soggette a subsidenza, dissesto, faglie attive, carsismo Aree di ricarica/ris petto, falde in pressione, acquiferi multifalda La valutazione dei rischi geologici e dei possibili impatti ambientali derivanti dalla realizzazione di un impianto geotermico devono comprendere anche l esame dei vincoli di piani urbanistici di vario livello. La valutazione deve essere riassunta in una analisi di rischio che consideri anche gli impatti potenziali di un opera tradizionale o alternativa a quella in esame

21 4. Relazione di fattibilità geologico-ambientale IPOTESI PROGETTO TERMICO POTENZA DI PICCO TERMICO (IN CALDO E IN FREDDO) EQUILIBRIO FABBISOGNI ENERGETICI (CALDO/FREDDO) MODELLO GEOLOGICO PRESENZA E INTEGRAZIONI CON ALTRE FONTI ENERGETICHE CARATTERIZZ AZIONE ENERGETICA DEL SOTTOSUOLO CARATTERIZZ AZIONE TERMICA DEL SOTTOSUOLO RISCHI GEOLOGICI E IMPATTI POTENZIALI AMBIENTALI INDICAZIONE SULLA TIPOLOGIA DI IMPIANTO E/O GIUDIZIO DI FATTIBILITA GEOLOGICO-AMBIENTALE

22 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Tabelle di riferimento (VDI/UNI-CTI)

23 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Metodi semplificati di determinazione conducibilità su basi stratigrafiche

24 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Metodi semplificati (ASHRAEE/UNI-CTI) Si tratta di un metodo analitico complesso,ma preciso che parte dal modello della sorgente cilindrica. Punti fondamentali del metodo: Non si tratta di un regime stazionario, ma variabile; Si utilizzano una serie di impulsi di flusso di calore in ingresso allo scambiatore; La resistenza termica del terreno è in funzione del tempo, corrispondente a ciascun impulso di calore; Si considerano tre intervalli di tempo: periodo di 10 anni periodo di un mese breve periodo, preferibilmente 4 o 6 ore Gli impulsi termici hanno come riferimento tre diversi intervalli di tempo: dieci anni, un mese, quattro ore. Vengono utilizzati fattori di forma funzione del numero di Fourier; Si considera la resistenza dello scambiatore (sonda geotermica); Si considerano le interfacce tra fluido e tubo e terreno o materiale di riempimento. Si arrivano a calcolare due lunghezze: una per il riscaldamento e una per il raffrescamento, si considera la maggiore

25 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Le formule per il calcolo della lunghezza complessiva delle sonde geotermiche sono le seguenti: q R + ( q 3,41W ) ( R + PLF R + R F ) LC = a ga lc (t ( t g Lh = c wi b m + t wo ) / 2 t p ) gm gd sc q a R ga + ( qlh 3,41Wh ) ( Rb + PLFm R gm + R gd Fsc ) (t ( t g wi + t wo ) / 2 t p ) Dove: Fsc = fattore di perdita di corto circuito PLFm = fattore di parzializzazione mensile calore tg = temperatura del terreno indisturbata two = temperatura del fluido geotermico all uscita della pompa di qa = flusso di calore netto annuale trasferito al terreno twi = temperatura del fluido geotermico in entrata alla pompa di calore Qjc = picco termico di raffrescamento Wc = potenza elettrica in ingresso in corrisp. del carico di raffrescamento di progetto Qlh = picco termico di riscaldamento Wh = potenza elettrica in ingresso in corrisp. del carico di riscaldamento di progetto Rb = resistenza termica dello scambiatore Rga = resistenza termica del terreno, impulso annuale Rgm = resistenza termica del terreno, impulso mensile Rgd tp = resistenza termica del terreno, impulso giornaliero = variazione della temperatura dovuta alla presenza di più scambiatori

26 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Il test di resa termica del terreno Il GRT oppure anche TRT (Thermal Response Test), permette di conoscere la conducibilità termica dei terreni λ [W/(m K)] e la resistenza termica del pozzo Rb [K/(W/m)] Il test si svolge tramite l inserimento in sonda (in cui circola il fluido termovettore) di calore a potenza costante, con successiva misura delle variazioni di temperatura in mandata e ritorno. Nota bene: con il Test di Resa si hanno due approssimazioni: 1. il dato che si ottiene è una conducibilità equivalente (conduzione e avvezione) 2. il dato che si ottiene è un dato MEDIO che non tiene in considerazione la stratigrafia

27 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Progettazione e dimensionamento del campo sonde Si utilizza un modello a simulazione numerica (EED) 25 g b c d e f b c d e f g b c d e f g b c d e f g b c d e f g ACS Riscaldamento standard Raffreddamento standard Carico termico totale Carico termico terreno Carico termico di base [MWh] 5 Il dimensionamento è basato su dati analitici del carico termico dell edificio (base mensile) GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV 34 DIC GEN g b c d e f b c d e f g b c d e f g b c d e f g 32 Temperatura del fluido massima-minima annuale [ C] Si deve effettuare la valutazione dell equilibrio T sul lungo periodo (25 anni), almeno per grandi impianti Picco minimo Picco massimo Carico di base minimo Carico di base massimo Anno

28 5. Progettazione geotermica campi sonde verticali Valutazione impatto termico nel sottosuolo

29 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Grandi cantieri Perforazione a ricircolo d acqua Perforazione ad aria compressa Spazi ristretti (urbani) Differenti tipologie e contesti di perforazione

30 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Cantiere iniziato con perforazione ad aria e terminato con perforazione ad acqua causa interferenza con pozzo abitazione adiacente

31 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Fasi di lavorazione: posa della sonda

32 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Le verifiche di corretta cementazione sono fondamentali ai fini di garantire la tutela degli aspetti ambientali Il test di tenuta, eseguito subito dopo l installazione della sonda, da garanzie in merito alla corretta funzionalità del campo sonde nel tempo. Si svolge secondo differenti modalità che devono tenere in considerazione il comportamento elastico del polietilene

33 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Flussaggio su ogni singolo circuito Abaco perdita di carico sonda ø 32 mm secondo GSP Le verifiche di flusso in sonda permettono di definire la rispondenza delle perdite di carico di progetto a quelle reali (verifica profondità/diametri/schiacciamenti)

34 6. Direzione lavori e collaudi geosonde verticali Fasi di lavorazione: connessioni orizzontali A valle del collettore delle sonde geotermiche è possibile effettuare un test di tenuta dell intero campo sonde geotermiche, utilizzato come collaudo di tale parte di lavorazione

35 Cervia Complesso residenziale di pregio

36 Cervia Complesso residenziale di pregio EDIFICIO Demolizione e ricostruzione Classe energetica: A Sup. climatizzata: circa mq totali. IMPIANTO GEOTERMICO N. Unità servite: 27 misti resid./comm. Tipologia: 20 sonde verticali profondità 105 m Realizzazione: Giu - Lug 11 Potenza termica: 90 kwt Costo campo sonde: Incidenza per unità: circa Circa 24 ton/anno CO2 evitate Circa 18 TEP/anno da fonte rinnovabile

37 Cervia Complesso residenziale di pregio Sintema Emiliano-Romagnolo Superiore: AES8 Subsintema di Ravenna AES7 Subsintema di Villa Verrucchio AES6 Subsintema di Bazzano Sezione geologica costruita lungo la Valle del Fiume Savio e nella pianura antistante fino alla costa Adriatica (tratta da Note Illustrative della carta Geologica d Italia alla Scala Geologica foglio Forlì-Cervia, modificata). Estratto carta geologica Servizio Geologico Regione Emilia-Romagna

38 Staufen

39 Staufen

40 Urbino Biblioteca universitaria (campo sonde sperimentale) L Università di URBINO ha avviato da tempo studi e ricerche volte ad evidenziare l influenza degli elementi geologici sui meccanismi di scambio termico dei terreni Nel giugno 2010 è stata realizzato un campo sonde sperimentale presso il Campus Dario Fo di Urbino che consente l acquisizione dati in fase di esercizio dell impianto Fulcro delle indagini è la misura della temperatura a diverse profondità tramite termofreatimetro

41 Urbino Biblioteca universitaria (campo sonde sperimentale) EDIFICIO Biblioteca universitaria Classe energetica: D Sup. climatizzata: circa 500 mq totali. CAMPO SONDE SPERIMENTALE 9 sonde geotermiche verticali (m. 100) Due piezometri di monitoraggio 100/20 m. Prove comparate (termometrie in foro e GRT) Potenza impianto: 50 kwt; Data realizzazione: 2010 Sperimentazione ancora in atto da parte dell Università di Urbino Scienze della Terra Avviato a dicembre 13 un progetto di ricerca GEO-NET/Università di Urbino (metodi di caratterizzazione termica dei terreni)

42 Urbino Biblioteca universitaria (campo sonde sperimentale)

43 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

44 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

45 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

46 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

47 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

48 Urbino Biblioteca universitaria (Tratte da prof. Menichetti GeothermForum Ferrara 2012)

49 7. Sperimentazione e ricerca in atto Misura del terreno indisturbato Temperatura media Gradiente geotermico locale Anomalie termiche (falde acquifere) Zona di influenza superficiale Misura terreno alterato da TRT Zone a maggiore dispersione termica Determinazione della conducibilità termica degli strati Tempo di ritorno allo stato termico naturale del terreno

50 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Il caso studio riguarda un campo sonde realizzato nella prima periferia di Bologna, in Via Del Gomito. Campo Sonde Bologna Nel sito oggetto di studio sono state realizzate 14 sonde geotermiche verticali, ciascuna lunga 104 m, con l installazione di due pompe di calore da 42 kw, per il riscaldamento e raffrescamento di un complesso abitativo (30 unità abitative).

51 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Attreverso le carte, sezioni geologiche ed idrogeologiche messe a disposizione dal Servizio Geologico E-R si procede allo studio e dimensionamento preliminare dell impianto. In questo caso il campo sonde insiste su 3 diversi subsintemi/complessi acquiferi Sezione Geologica Carta geologica 1: Sezione idrostratigrafica (complessi acquiferi)

52 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Indagini Geologiche: Inquadramento litostratigrafico Sondaggio a carotaggio continuo Campionamenti e stratigrafia Analisi dei cuttings di perforazione Indagini Idrogeologiche: Inquadramento idrostratigrafico Misurazione della conducibilità idraulica Monitoraggio livello della falda tramite piezometro 13,4 Indagini Termiche: Misure termometriche del terreno indisturbato ed alterato Misure termiche dell acqua di falda Esecuzione del GRT (Ground response test) 13,6 13,8 14,0 14,2 14,4 14,6 14,8 15,0 15,2 15,4 15,6 15,8 16,0 16,2 16,4 16, /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/2012

53 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Dall analisi dei cuttings di perforazione in correlazione ad un carotaggio eseguito in loco è stato possibile realizzare una sezione geologica particolare. Caratterizzazione dell acquifero intercettato

54 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Misure termofreatimetriche immediatamente successive al GRT Il log termico in sonda evidenzia l andamento discreto della conducibilità termica equivalente in funzione della stratigrafia Sono prime evidenze qualitative che il geologo (e solo lui) può ricondurre a fattori geologici che influiscono sulla determinazione della capacità di scambio del terreno

55 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Misure termofreatimetriche in tempi successivi (a seguito di cementazione) Si osserva un lento ritorno alla temperatura del terreno indisturbato

56 7. Sperimentazione e ricerca in atto (caso studio Bologna, via del Gomito) Misure termofreatimetriche in piezometro adiacente la sonda geotermica sottoposta al Test di Resa Termica Come si può osservare dal profilo termico, non si rileva una particolare alterazione della temperatura della falda a seguito dell esecuzione del GRT della durata di 72 ore, realizzato a circa 3m di distanza.

57 7. Sperimentazione e ricerca in atto le indagini termofreatimetriche associate ai Test di Resa Termica (o a sonde cementate, o a differenti condizioni termiche) consentono di ottenere informazioni sulla conducibilità equivalente dei singoli strati; solo la comparazione di tali dati con la ricostruzione dell assetto stratigrafico permette di ottenere; le indagini termiche sui terreni devono essere finalizzati a fornire informazioni utili al progettista geotermico per un corretto dimensionamento (e posizionamento) della sonde; nuovi studi in atto (due borse di studio UniUrb/Geo-Net) sono finalizzate a definire il contributo dei due differenti meccanismi di scambio termico (conduzione/avvezione), mediante un modello matematico che consenta di passare dalle evidenze qualitative alla quantificazione

58 Grazie per l attenzione Gabriele geol. Cesari Commissione Geotermia CNG g.cesari@geo-net.it