La componente geologica nei sistemi di geotermici per la climatizzazione

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1 La componente geologica nei sistemi di geotermici per la climatizzazione Padova 5 Dicembre 2012 GALGARO ANTONIO Università di Padova Dipartimento di Geoscienze CNR- IGG-Istituto di Geoscienze e Georisorse (U.O.S. di Padova)

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3 Assetto termico superficiale Contributi di origine radiogenica endogena e radiazione solare;

4 30 C VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA NEL SOTTOSUOLO Z= 0.5 m Z= 2.5 m Z= 2.5 m Z= 2.5 m 15 Z= 5.0 m 0 Time

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6 PRE-REQUISITI EDIFICIO-IMPIANTO SORGENTI DI ENERGIA «GRATUITE» ARIA ACQUA Falda Vantaggi Disponibilità illimitata Facile installazione Costi contenuti Svantaggi: Basse efficienze Rumori, Estetica TERRA (sottosuolo) Fiumi, laghi, mare Vantaggi Elevata efficenza Facile installazione Zero emissioni locali Costi intermedi Svantaggi: Disponibilità limitata Difficoltà autorizzative Vantaggi: Disponibilità ubiquitaria Notevoli efficienze Basso impatto termico Zero emissioni locali Svantaggi: Costo elevato campo sonde

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8 Sistemi di Geoscambio: clima e geologia Le condizioni climatiche e geologiche in Europa sono molto variabili 2-8 C 8-14 C Anche le condizioni economiche e le modalità costruttive sono molto diverse Raffrescamento dominante C C Fonte: Sanner - European Geothermal Energy Council

9 Sistemi di geoscambio: ruolo della componente geologica La situazione geologica costituisce la parte invariante della filiera di impianto, la progettazione termotecnica ed architettonica si deve quindi adeguare ad essa. E quindi necessario conoscere adeguatamente la situazione geologica con il massimo dettaglio possibile: Tipo di roccia o sedimento (influenza il metodo di perforazione) Caratteristiche termiche del sottosuolo (influenzano la progettazione ed il funzionamento) Assetto idrogeologico (influenza la progettazione, la perforazione ed il funzionamento) Temperatura del sottasuolo (influenza la progettazione dell impianto) l European Geothermal Energy Council

10 PARAMETRI GEOLOGICI SISTEMA DI GEOSCAMBIO Parametri di tipo geologico s.s.: Litostratigrafia Granulometria Densità Proprietà termiche dei terreni Caratteristiche geomorfologiche Parametri di tipo idrogeologico: Contesto generale del sistema irdogeologico Profondità della falda (livello di saturazione) Distribuzione areale dell acquifero Temperatura della falda Velocità di flusso Altri parametri che interagiscono con il sistema: Parametri di tipo idraulico e termodinamico: tipologia di edificio e profilo di carico termo-frigorifero Lunghezza, diametro edistanze e tipo di sonde utilizzate Disposizione del campo sonde rispetto alla direzione della falda Portata del fluido vettore all interno della sonda T tra ingresso e uscita del fluido alla sonda tipologia di fluido termovettore Come intervengono queste caratteristiche nel sistema di geoscambio?

11 LA TEMPERATURA DEL SOTTOSUOLO METODI DI MISURA PRINCIPALI METODI MISURA DELLA

12 MISURA DELLA CONDUTTIVITA TERMICA

13 VARIABILITA DELLA CONDUTTIVITA TERMICA

14 Variazioni della conducibilità con umidità e porosità Curva resistività termica umidità Criticità quando a una piccola diminuzione dell umidità corrisponde un impennata della resistenza termica! L umidità si sposta in presenza di gradienti di temperatura: verso la sonda, più fredda, in inverno (diminuzione della resistenza termica / congelamento), in alllontanamento dalla sonda in estate (aumento della resistenza termica)

15 VARIABILITA DELLA CONDUTTIVITA TERMICA Conducibilità termica satura [W/mK] Ghiaia 1.8 Argilla 1.7 Sabbia 2.4 Conducibilità termica media equivalente (W/mK)] Test di Risposta Termica Venezia, ENERGIE RINNOVABILI PER LA CLIMATIZZAZIONE GEOSCAMBIO IN PROVINCIA DI VENEZIA SOSTENIBILITÀ E REGOLAMENTAZIONE

16 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 λ measured [W/(m x K)] 3,5 4,0 λ measured [W/(m,K)]

17 Misure di conducibilità termica per litologia (dry) Consiglio Nazionale delle Ricerche Dipartimento Terra e Ambiente

18 quale valore di λ bisogna considerare? UNITÀ GEOLOGICA λ3 diverse Formazioni scala 1: mediana dei valori delle differenti Formazioni FORMAZIONI GEOLOGICHE λ2 mediana dei valori delle litologie descritte in ogni Formazione Diverse litologie (rocce, materiali sciolti) scala 1: o1: CAMPIONE λ1 litologia specifica a scala locale mediana dei valori misurati sullo stesso campione Consiglio Nazionale delle Ricerche Dipartimento Terra e Ambiente

19 10 m Misura della conduttività termica vd Temperature [ C]:

20 RUOLO DELLE ACQUE SOTTERRANEE Direzione e velocità di falda

21 RUOLO DELLE ACQUE SOTTERRANEE Misura della velocità di falda Il primo passo nell applicazione del test con tracciante - raccogliere la maggior quantità possibile di informazioni idrogeologiche concernenti l area di studio. I principali fattori idrogeologici che devono essere caratterizzati: -litologia: materiali a grana fine, in modo particolare l argilla, hanno una elevata capacità di assorbimento rispetto a quelli a grana grossa; questo fattore deve essere considerato quando si valuta la mobilità potenziale di un tracciante; -regime di flusso: la scelta di come eseguire il test dipende dalla matrice solida, in quanto il flusso varia a seconda che l acqua fluisca in mezzi porosi o fratture. -direzione del flusso: la conoscenza della direzione del flusso è essenziale nel test in cui vengono utilizzati due o più pozzi per l allineamento del sistema; -tempo di attraversamento: la conoscenza del tempo di attraversamento è richiesta per la determinare la distanza tra i pozzi; -dispersione: in un test con due pozzi alcune stime preliminari di questo parametro possono essere richieste per determinare la quantità di tracciante

22 -Presenza di fondo del tracciante: se il tracciante è naturalmente presente in falda, la sua concentrazione di fondo deve essere bassa. -Grado di diluizione è funzione della modalità di iniezione, della dispersione, della porosità e della conducibilità idraulica; -Mobilità: un tracciante conservativo, usato per la determinazione dei parametri dell acquifero, come direzione del flusso e velocità, dovrebbe essere stabile, solubile in acqua, avere una densità e viscosità simile a quella dell acqua e non essere soggetto a precipitazione ed adsorbimento. -Tossicità: al fine di evitare la contaminazione della falda, andrebbero utilizzati traccianti non tossici; se un tracciante può essere tossico ad una certa concentrazione devono essere considerati i limiti imposti per legge considerando il grado di diluizione che si desidera e la presenza di sorgenti idriche ad uso potabile.

23 I traccianti più utilizzati possono essere raggruppati in sei categorie: ioni; coloranti; gas; isotopi; temperatura dell acqua; traccianti particellari. (da Fileccia A.).

24 TEST DI TRACCIAMENTO A fronte dei dati situ-specifici si è optato per le seguenti impostazioni di prova: tracciante = NaCl, volume soluzione = 2 mc, EC = us/cm, Portata di iniezione = 1.1 l/s, Tempo di iniezione = 30 min, Tempo di monitoraggio = 10 gg, Distanza min iniezione- controllo = 5 m, Distanza max iniezione controllo = 10 m. S29 - S23 - S21 in linea con la direzione di deflusso presunta Groundwater direction Per il monitoraggio delle concentrazioni presso i punti di misura (piezometri spia) sono stati impiegate sonde conduttivimetriche ad acquisizione automatica, poste in misura entro i fori di sondaggio a differenti profondità e distanze dal centro di tracciamento. S19 S Distanza in m (c.ca) S21 Iniection point S23 S30 S29 Distanze: S29 - S23 = 5m S23 - S21 = 5m S22 - S30 = 5m S19 - S22 = 5m

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26 SISTEMI DI SCAMBIO TERMICO IN AREA URBANA Venezia Rovigo Dott. Geol. Zambon F. Pisa Treviso Sinergeo Eneren

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28 OPEN LOOP

29 Corto circuito termico nei sistemi Open Loop THERMAL FEEDBACK DOPO 1 GIORNO DHI Italian Conference

30 CASE HISTORY: THERMAL FEEDBACK DOPO 4 GIORNI Galgaro and Cultrera, in progress DHI Italian Conference Torino,12 Ottobre 2011

31 CASE HISTORY: THERMAL FEEDBACK DOPO 80 GIORNI Galgaro and Cultrera, in progress DHI Italian Conference Torino,12 Ottobre 2011

32 Sistemi Open Loop PREVENIRE IL CORTO CIRCUITO TERMICO STIMA DEL FABBISOGNO ENERGETICO MODELLO GEOLOGICO ED IDROGEOLOGICO PRELIMINARE: RACCOLTA DATI BIBLIOGRAFICA INDAGNI LIMITROFE STIMA DELLA TRASMISSIVITA E DEL GRADIENTE IDRAULICO

33 Corto circuito termico nei sistemi Open Loop PROGETTAZIONE GEOTERMICA RIMODULAZIONE DEI CARICHI TERMICI INCREMENTARE LA DISTANZA TRA I POZZI MODIFICARE QUOTA DI PRELIEVO/RESTITUZIONE INVERSIONE POZZO DI PRODUZIONE CON QUELLO DI RESTITUZIONE

34 Sistemi Open Loop MODULAZIONE DEI PROFILI DI CARICO

35 SISTEMA GEOTERMICO AD ACCUMULO TERMICO (ATES) PARLAMENTO TEDESCO - BERLINO Biofuel CHP: heat, el. power cold ATES ca. 60 m below ground Rupel clay (Aquitard) warm ATES >300 m below ground Paul-Löbe- Building Reichstagbuilding Marie-Elisabeth- Lüders-Bldg. piping shown in fig. 6 Jakob-Kaiser- Heat storage Cold storage Building

36 SISTEMI GEOTERMICI A CIRCUITO APERTO, PROBLEMI??? Possibile sottrazione di solido con intasamento in restituzione e problemi alle pompe, subsidenza; Possibile chimismo problematico per circuito idraulico e filtri Interazioni con pozzi limitrofi; alterazioni nella dinamica delle falde, specie a fronte di prelievi e scarichi di rilevante entità o in numero elevato.

37 Flusso decisionale SOLUZIONE GEOTERMICA OPEN LOOP Pozzo esistente e nuovo YES Buona disponibilità Test portata e chimismo NO Roccia YES Valutare possibilità di pozzo coassiale NO Disponibilità spazi Terreno idoneo Sonde orizzontali NO Buone condizioni Uso acque superficiali NO Idoneità uso sonde verticali YES YES YES Valutazione potenzialità sorgente Ground response test Carico sbilanciato/eccessivo Altra soluzione Sistema ibrido YES Sviluppo progettazione

38 CARTOGRAFIA AD INDIRIZZO GEOTERMICO: Potenziale geotermico -Aree di tutela -STRUMENTI CARTOGRAFICI DIGITALI, FLESSIBILI E DI RAPIDA CONSULTAZIONE -STRUMENTO DI PIANIFICAZIONE TERRITORIALE E DI PROGETTAZIONE -ASSEGNAZIONE DI UN VALORE COMMERCIALE AGGIUNTO AL TERRITORIO -SUPPORTO ALLA REDAZIONE DI NORMATIVE DEDICATE

39 Università di Padova Dipartimento di Geoscienze

40 LA CARTOGRAFIA DI BASSA ENTALPIA Progetto VIGOR Potenziale di geoscambio

41 carte tematiche a scala regionale: (a) temperatura media annua dell aria; (b) flusso geotermico superficiale; (c) conducibilità termica su base litologica; (d) zonazioneclimatica;(e)areedivincoloidrogeologico;(f)numerodiabitanti/km 2 Consiglio Nazionale delle Ricerche Dipartimento Terra e Ambiente

42 IL CIRCUITO APERTO: LE 4 REGIONI DI CONVERGENZA Permeabilità elevata, fessurazione elevata, fessurazione e carsismo elevata, porosità elevata, porosità e fessurazione media a elevata, fessurazione media a elevata, porosità media a elevata, porosità e fessurazione media a elevata, porosità, fessurazione e carsismo media a scarsa, fessurazione media a scarsa, porosità media a scarsa, porosità e carsismo media a scarsa, porosità e fessurazione media, porosità media, porosità e fessurazione scarsa a impermeabile, porosità e fessurazione impermeabile, porosità impermeabile, porosità Progetto VIGOR Consiglio Nazionale delle Ricerche IGG - Dipartimento Terra e Ambiente Base Cartografica: Carta geologica d Italia, scala 1: (modificata)

43 La carta del potenziale di geoscambio deriva dalla combinazione delle tematiche indicanti la velocità della falda, il flusso geotermico, la temperatura media annua e le aree di salvaguardia. La carta del potenziale geotermico di bassa entalpia può essere uno strumento utile per capire dove pianificare la costruzione di impianti che scambiano calore col terreno. Si definisce potenziale di geoscambio l attitudine del terreno a scambiare calore. È una definizione qualitativa che non dà nessun valore di riferimento ma si limita ad indicare aree di indice alto, medio, basso e molto basso. Progetto VIGOR Consiglio Nazionale delle Ricerche IGG - Dipartimento Terra e Ambiente

44 Villa Aeolia (VI): un esempio di sistema geotermico naturale (1560)

45 In estate ed in inverno, nel sottosuolo la temperatura costante consente di mantenere temperature confortevoli Non è necessario vivere nel sottosuolo, ma scambiare calore con la superficie!!!!