GEOTERMIA. Milano, 2 febbraio A cura di Paolo Calcaterra. Dr. Paolo Calcaterra Consulente Energetico paolo.calcaterra@livecom.
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1 GEOTERMIA Milano, 2 febbraio 2013 A cura di Paolo Calcaterra paolo.calcaterra@livecom.it
2 SOMMARIO DELLA PRESENTAZIONE Principi generali e definizione di GEOTERMIA Il primo ed il secondo principio della Termodinamica Il secondo principio della Termodinamica Esempio di utilizzo dell'energia Primaria Geotermia applicata agli impianti di climatizzazione paolo.calcaterra@livecom.it MASTER IPSOA - Milano, 28 gennaio
3 Geotermia Definizioni e generalità 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 m. Il gradiente è l effetto misurabile del flusso di calore proveniente dal nucleo; (da: La geotermia ieri oggi e domani UGI-CNG, 2007) Anomalie geotermiche: legate a contesti geo-strutturali (fasce instabili con risalita di magma, vulcanismo). In queste aree critiche calde, il gradiente può essere fino a volte maggiore di quello medio, come ad esempio nella fascia tirrenica centromeridionale (Toscana-Lazio-Campania). paolo.calcaterra@livecom.it 3
4 Principi di geotermia 4
5 Principi di geotermia 5
6 Classificazione dei sistemi geotermici Alta entalpia (T > 150 C): Utilizzo: produzione energia elettrica Esempio: Larderello e monte Amiata Toscana Media Entalpia (150 C > 180 C): Utilizzo: teleriscaldamento ed usi diretti del calore Esempio: impianto geotermico città di Ferrara Bassa Entalpia (T < 80 C): Utilizzo: climatizzazione ed uso del calore mediante pompe di calore geotermiche paolo.calcaterra@livecom.it 6
7 Il potenziale geotermico in Italia Aree di interesse geotermico in Italia il funzione della temperatura delle rocce a 2 km di profondità (da: La geotermia ieri oggi e domani UGI-CNG, 2007) paolo.calcaterra@livecom.it 7
8 Il potenziale geotermico nel mondo e in Italia (da: La geotermia ieri oggi e domani UGI-CNG, 2007) paolo.calcaterra@livecom.it 8
9 IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Il calore (Q) fornito a un sistema è uguale alla somma della variazione di energia interna ( U) del sistema e del lavoro (W) compiuto dal sistema: Q = U + W paolo.calcaterra@livecom.it 9
10 IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA È impossibile che una macchina operante in un ciclo produca come solo effetto quello di sottrarre calore a un termostato (sorgente) e compiere una quantità equivalente di lavoro paolo.calcaterra@livecom.it 10
11 USO RAZIONANE DELL'ENERGIA PRIMARIA esempio del CARBONE Accademia di Architettura A. Romer, Mendrisio, 2000/2001 L'USO RAZIONALE DELL'ENERGIA PRIMARIA 1 kg di Carbone Combustione Cogenerazione Calore 8,3 kwh th Elettricità 4 kwh el Calore 4,3 kwh th Pompa di calore Calore 12 kwh th paolo.calcaterra@livecom.it 11
12 Ciclo di vita di un elemento di una catena energetica Prodotto dirette M a t e r i a l i E n e r g i a indirette paolo.calcaterra@livecom.it 12
13 g ( CO 2-eq ui v.) / k Wh -t h Analisi LCA ed emissioni di alcune fonti rinnovabili Olio EL Gas Nat. Legna Solare ter. Alimentata da mix Idroelettrico e rinnovabili Alimentata da Ciclo Combinato a gas Alimentata da rinnovabili es. fotovoltaico Pompa di Calore paolo.calcaterra@livecom.it 13
14 I SISTEMI DI CLIMATIZZAZIONE AD ENERGIA GEOTERMICA 14
15 Tipi di impianti e sottosuolo per il Geoscambio paolo.calcaterra@livecom.it 15
16 Un mercato ben consolidato in molti paesi Esempio della Svizzera: un mercato in continua crescita da molti anni. 2,1% 42,4 % 55.5 % Aria-acqua Salamoia-acqua Acqua-acqua partner paolo.calcaterra@livecom.it 16
17 Un mercato ben consolidato in molti paesi Esempio della Germania: Vendita pompe di calore per fonte energetica 17
18 Un mercato ben consolidato in molti paesi Esempio della Svizzera: prezzi in continua discesa! 50% in meno in 24 anni! 18
19 Ricavare calore dall'ambiente Anche il freddo più estremo è relativamente caldo! Il nostro ambiente è pieno di energia, e solo allo zero assoluto di -273 C non è più possibile ricavare nulla. Le pompe di calore assorbono calore e/o lo cedono, indipendentemente dalla stagione e dal luogo e lo rendono utilizzabile per la climatizzazione degli edifici. paolo.calcaterra@livecom.it 19
20 COMPONENTI DEI SISTEMI AD ENERGIA GEOTERMICA A BASSA TEMPERATURA Le componenti di un impianto ad energia geotermica a bassa temperatura sono sostanzialmente tre: una o più pompe di calore normalmente collocate all'interno dell'edificio, un insieme di tubi opportunamente interrati per scambiare calore con il terreno un sistema di scambio di calore con l'ambiente interno (pannelli radianti, radiatori, ecc.). paolo.calcaterra@livecom.it 20
21 1 kwh di energia elettrica POMPA DI CALORE 4 kwh di calore Sorgente di calore (terreno) 3 kwh di calore gratuito!! paolo.calcaterra@livecom.it 21
22 5,5 bar 17 bar 0 C 36 C +4 C 35 C - 1 C - 4 C 32 C 27 C 5,5 bar - 4 C 17 bar 25 C 1 Evaporatore: fa evaporare totalmente il fluido refrigerante che evapora anche a temperature sotto zero, ed assorbe quindi calore dalle basse temperature 2 Compressore: comprime il gas aumentandone la temperatura 3 Condensatore: condensazione del gas e cessione del calore mediante uno scambiatore all'impianto di riscaldamento 4 Espansione: il fluido che ha ceduto calore, dopo un'espansione è nuovamente in grado di prelevare calore dalla sorgente paolo.calcaterra@livecom.it 22
23 23
24 ,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 COP Numero di pompe di calore testate al centro PdC di Töss Confronto del coeffciente di prestazione (COP) in pompe di calore nel periodo partner
25 Differenza tra PDC ad aria e geotermica paolo.calcaterra@livecom.it 25
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27 Impianti a sonde geotermiche verticali partner paolo.calcaterra@livecom.it 27
28 Impianti a sonde geotermiche verticali Funzionamento estivo Funzionamento invernale paolo.calcaterra@livecom.it 28
29 Impianti a sonde geotermiche verticali paolo.calcaterra@livecom.it 29
30 Impianti a sonde geotermiche verticali paolo.calcaterra@livecom.it 30
31 Impianti a pali energetici partner paolo.calcaterra@livecom.it 31
32 Impianti a pali energetici paolo.calcaterra@livecom.it 32
33 Impianti a scambio con acqua di falda paolo.calcaterra@livecom.it 33
34 Impianti a scambio con acqua di falda paolo.calcaterra@livecom.it 34
35 Impianti a scambiatori orizzontali paolo.calcaterra@livecom.it 35
36 Impianti a scambiatori orizzontali Stendimenti di tipo: lineare, Accoppiati, ecc.. Stendimenti di tipo: spirale, Pettine, Supercompatti, ecc.. paolo.calcaterra@livecom.it 36
37 Impianti a scambiatori orizzontali paolo.calcaterra@livecom.it 37
38 Impianti a scambiatori orizzontali paolo.calcaterra@livecom.it 38
39 Come si progetta un impianto geotermico a pompa di calore per un fabbricato? paolo.calcaterra@livecom.it 39
40 Occorre conoscere la potenza necessaria per: - riscaldamento - raffrescamento - acqua calda sanitaria paolo.calcaterra@livecom.it 40
41 Occorre conoscere la geologia e i Parametri Termici del terreno paolo.calcaterra@livecom.it 41
42 Conoscenza geologico-stratigrafica Dei primi m: 42
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47 Tecniche di perforazione: Perforazione ad aria (in terreni competenti): problematiche di vibrazioni, obbligo del preventer; Perforazione ad acque perse (in materiali sciolti e fini): necessita del rivestimento completo del foro per garantire stabilitˆ al pozzo e per evitare la fuoriuscita di fluidi di strato; Perforazione a fanghi bentonitici (in materiali sciolti e fini): limitazioni di tipo ambientale - adeguato smaltimento reflui. Resa termica inferiore paolo.calcaterra@livecom.it 47
48 Materiale: - Polietilene Alta Densitˆ HDPE (o PEAD) PE100 Pn 16. Bassi costi, range temperature - 60 /+70, normale resistenza agli urti - Polietilene Reticolato PEXA (o Peax), Pn 12,5. Elevati costi, range temperature maggiori (fino a 90 ), minore resistenza agli urti - Polietilene Alta Resistenza (Pe-RC). Costi medio-bassi, range temperature come PEHD, elevata resistenza agli urti Tipologia di sonde: - simplex (singola U - 1 andata/ritorno) - duplex (doppia U) - coassiali (semplici o complessi) - diametri più frequenti dn 32 e 40 mm. Sonde Sonde SIMPLEX DUPLEX paolo.calcaterra@livecom.it 48
49 Differenti tipologie di scambiatori geotermici (sonde geotermiche) 49
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51 Materiali utilizzabili: Cementi idonei premiscelati con elevata conducibilità termica (1,7-2,0 W/m K) Bentonite (ATTENZIONE: bassa conducibilità!!!) Cemento ecc Cementazione dal basso: Tubo di iniezione (o anche più di uno) pompa di iniezione con miscelatore annesso 51
52 Accorgimenti importanti Es: messa in posto sonde Es: Tecniche di perforazione e prevenzione Es: prove di pressione paolo.calcaterra@livecom.it 52
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56 Test di riposta termica del terreno 56
57 Esempio Svizzero di zonazione territoriale per la geotermia a bassa temperatura. paolo.calcaterra@livecom.it 57
58 Esempio:Carta Geoenergetica della Lombardia 58
59 Schema semplificato di possibile impianto 59
60 Schema semplificato di possibile impianto 60
61 Confronto tipologie di impianti di climatizzazione Impianto tradizionale completo 1- Riscaldamento: caldaia (o stufa, ecc.) canne fumarie e comignoli locale caldaia a norma 2- Acqua calda sanitaria: - pannelli solari termici (o altre fonti rinnovabili) 3- Raffrescamento condizionatore Impianto geotermico completo (un UNICO IMPIANTO!) Riscaldamento + Acqua calda sanitaria + Raffrescamento: un unico impianto formato da pompa di calore e scambiatori nel terreno. (deumidificatore opzionale, consigliato per active cooling ) paolo.calcaterra@livecom.it 61
62 Confronto economico per differenti tipologie di impianti (es su abitazione tipo di 150 mq) Tipo di impianto Costi installazione - macchinari Costi di gestione Pay- back time (anni) Ricavo annuo dopo il pay-back time VAN (20 anni) Caldaia a condensazione e gruppo split , ,00 Tipologia di riferimento Caldaia a condensazione, gruppo split e collettori solari per ACS , , , ,84 Caldaia a condensazione, gruppo split e collettori solari per ACS e per l integrazione al riscaldamento ,00 763,00 17,1 496, ,06 Pompa di calore geotermica con collettori solari per ACS ,00 566,00 10,6 693, ,50 Pompa di calore geotermica ,00 650,00 5,8 609, ,83 Pompa di calore geotermica con fotovoltaico ,00 0,00 9, , ,44 paolo.calcaterra@livecom.it 62
63 Complessivamente i sistemi geotermici offrono i seguenti vantaggi: Per il CLIENTE FINALE - Costi ridotti per riscaldamento, acqua calda ed anche raffrescamento (fino 50% in meno) - Incremento del valore della proprietà immobile - Basso costo di ciclo di vita - Riduzione dei picchi di domanda di potenza impiegata - Installabile praticamente in ogni luogo del mondo - Ambiente più pulito e più sicuro paolo.calcaterra@livecom.it 63
64 Per i COMUNI, le REGIONI, lo STATO - Promossa la conservazione del territorio - Riduzione del consumo di combustibili fossili - Drastico incremento dell efficienza energetica dell edificio Per il FORNITORE DI ENERGIA ELETTRICA - Riduzione dei picchi di domanda di potenza - Aumento della base di clientela Per l ECOLOGIA - Nessun inquinamento diretto nell'ambiente ( anche considerando quello indiretto i ( mondo valori sono in assoluto i più bassi al - Nessun combustibile o acqua di scarto - Ridottissimo consumo delle risorse naturali paolo.calcaterra@livecom.it 64
65 Una importante affermazione della Divisione per l'energia Elettrica e le Energie Rinnovabili del Canada dichiara: Non esiste sistema di riscaldamento e condizionamento in grado di ridurre le emissioni di gas serra ed il conseguente impatto sul riscaldamento globale così efficace come le pompe di calore geotermiche (Fonte Dip. Energia Canada). paolo.calcaterra@livecom.it 65
66 Grazie per l attenzione Paolo Calcaterra Consulente energetico paolo.calcaterra@livecom.it tel.: cel.: paolo.calcaterra@livecom.it 66
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