Università degli Studi di Perugia. Ing. Andrea Nicolini. Energia geotermica

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1 Università degli Studi di Perugia Ing. Andrea Nicolini Energia geotermica

2 ENERGIA GEOTERMICA: è la quantità di calore resa disponibile dal sottosuolo terrestre Vantaggi - non presenta intermittenza - è caratterizzata da elevata densità di potenza - è semplice da sfruttare GRADIENTE TERMICO: 2,5-3 C ogni 100 m Q = 62 H (KJ/m2) H in m (terreno roccioso)

3 SORGENTI GEOTERMICHE IDROTERMICHE GEOPRESSURIZZATE PETROTERMICHE Presenza di acqua e/o vapore in sacche sotterranee riscaldate da rocce ignee ad elevata temperatura e rappresentano gli unici sistemi geotermici utilizzati nel mondo su scala industriale. A seconda dello stato fisico in cui si trova il fluido caldo é possibile distinguere tali sistemi in Sistemi a vapore dominante e Sistemi ad acqua dominante Giacimenti endogeni profondi ( m) a temperatura relativamente bassa (circa 160 C) ed a pressioni che talvolta superano i 1000 bar. Tali giacimenti sono caratterizzati da una elevata salinità (4-10%) e talvolta risultano saturi di gas naturali (in prevalenza metano) che ne rendono particolarmente attraente l utilizzo, malgrado le pressoché proibitive difficoltà di individuazione e successivo sfruttamento. Banchi di rocce secche (anidre) che si trovano a modesta profondità e sono mantenute ad elevata temperatura dal magma incandescente che le circonda.. Per far affiorare l ingente quantità di calore disponibile, occorre iniettare acqua (o altro fluido termovettore) in un condotto e poi farla risalire (calda) in un altro. Purtroppo il banco è quasi sempre da grandi strutture monolitiche che rendono difficile l iniezione dell acqua inoltre, data la ridotta conduttività termica delle rocce stesse, è necessario garantire superfici di scambio le più estese possibili (Q= k.s ΔTmi) ed a ciò si provvede fessurando la pietra (o meglio, allargando microfessure preesistenti) iniettando dell acqua ad elevata pressione (circa 200 bar, tecnica russa) oppure prevedendo l esplosione sotterranea di piccole cariche nucleari (tecnica americana).

4 SORGENTI IDROTERMICHE 1. Sistemi a vapore dominante Il fluido assume la forma di vapore surriscaldato a circa 200 C econuna pressione attorno agli 8bar.Queste caratteristiche rendono facilmente sfruttabile il vapore per una espansione nella turbina di un impianto tradizionale e relativamente poco costoso. La maggior difficoltà è rappresentata dalla massiccia presenza di gas incondensabili che determinano l eccessivo innalzamento della pressione di scarico dalla macchina; trattandosi poi (a Larderello) di gas contenenti anche acido borico, la cui azione risulta corrosiva sulle superfici metalliche, è necessario effettuare un accurato degasaggio, che richiede un certo consumo di vapore vivo, oppure, se lasciato defluire in turbina, richiede l adozione di materiali sofisticati e costosi; 2. Sistemi ad acqua dominante in cui il fluido si trova, in profondità, allo stato liquido e ad una temperatura che arriva anche ad essere dell ordine di 300 C. L acqua contenuta nelle sacche può risalire in superficie, alla bocca del pozzo di perforazione, spontaneamente (in virtù dell elevata pressione vigente nella sacca) oppure mediante l ausilio di pompe. In entrambi i casi la diminuzione produce una parziale vaporizzazione del liquido, di conseguenza in superficie si raccoglie una miscela di acqua e vapore e l utilizzazione di quest ultimo può avvenire solo a seguito di un processo di separazione delle due fasi.

5 IMPIEGHI ACQUE GEOTERMICHE IN FUNZIONE DI T T [ C] ENERGIA ELETTRICA REFRIGERAZIONE TELERISCALDAMENTO SERRICOLTURA RISCALDAMENTO USI TERMALI ACQUACOLTURA USI ALIMENTARI SISTEMI DI RISCALDAMENTO DELLE SERRE GEOTERMICHE. Riscaldamento a convezione naturale: (a) tubi sospesi, (b) pancali riscaldati (c) tubi posizionati in basso d) Riscaldamento del terreno Riscaldamento ad aria forzata: e) convettori laterali f) ventilatori sospesi g) convettori posizionati in alto, h) convettori posizionati in basso.

6 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO A CONTROPRESSIONE Più semplici e meno costosi Consumo di vapore (alla stessa pressione di ingresso) per kilowattora prodotto è circa il doppio di quello di un impianto a condensazione (20 30 kg/vapore per KWh) Utilizzati anche quando il vapore ha un contenuto elevato di gas incondensabili ( 12% in peso) Costruite ed installate molto rapidamente e messe in servizio mesi dopo la data dell ordine o poco più. Questi impianti sono generalmente di piccole dimensioni (2,5 5 MWe) Utili come impianti pilota, come impianti temporanei collegati a pozzi isolati di portata modesta, e per produrre elettricità da pozzi sperimentali durante lo sviluppo di un campo geotermico

7 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO A CONDENSAZIONE Richiedono più impiantistica ausiliaria, più complesse di quelle a contropressione È necessario un tempo almeno doppio per la loro costruzione ed installazione Consumo specifico delle unità a condensazione è la metà di quello delle unità a contropressione (15 16 kg vapore per KWh) molto diffusi impianti a condensazione della potenza di MWe, ma recentemente sono state costruite ed installate anche unità da 110 MWe.

8 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO BINARIO Utilizzano un fluido secondario di lavoro, di solito un fluido organico (come n pentano), che ha un basso punto di ebollizione elevata pressione di vapore a bassa temperatura rispetto al vapore acqueo il fluido geotermico cede calore al fluido secondario attraverso uno scambiatore di calore, nel quale questo fluido si riscalda e poi vaporizza; il vapore prodotto aziona una normale turbina a flusso assiale collegata ad un generatore, è poi raffreddato, passando allo stato liquido, ed il ciclo comincia di nuovo Il fluido secondario lavora in un ciclo Rankine convenzionale

9 IMPIEGHI DIRETTI DEL CALORE Schema semplificato del sistema di riscaldamento geotermico di un complesso di edifici in Islanda [Fonte: Cos è l energia geotermica di Mary H. Dickson and Mario Fanelli, CNR]

10 SONDE GEOTERMICHE Per sonde geotermiche si intendono i dispositivi che, per fini energetici, permettono di scambiare calore con una porzione significativa, al disotto di un metro di profondità dalla superficie terrestre, di suolo, acqua di falda sotterranea, mare o acque superficiali di laghi e fiumi. Per captare calore ad alta temperatura le sonde geotermiche possono sfruttare fenomeni naturali del sottosuolo come ad esempio i geyser, in cui liquidi sotterranei ad elevata pressione e temperatura, tipici dell Islanda ma anche presenti a Larderello in Toscana, consentono di alimentare, con fluido geotermico ad alta temperatura superiore a 150 C, centrali termoelettriche. In tal caso le sorgenti geotermiche si definiscono ad alta entalpia. Si parla invece di sorgente geotermica a media o bassa entalpia quando rispettivamente le temperature sono comprese fra 90 C e 150 C o inferiori a 90 C.

11 IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI GEOTERMICI Emissioni in atmosfera I fluidi geotermici (vapore o acqua calda) di solito contengono gas, come anidride carbonica (CO 2 ), idrogeno solforato (H 2 S), ammoniaca(nh 3 ), metano (CH 4 ), e piccole quantità di altri gas, ed anche sostanze in soluzione, la cui concentrazione generalmente aumenta con l aumentare della temperatura. Rumorosità impianti Il rumore può essere causato ad esempio dallo scorrimento del vapore nelle tubazioni, dallo scarico occasionale dei pozzi, dai ventilatori delle torri di raffreddamento, dagli eiettori del vapore etc Abbassamento livello del suolo (fenomeno di Subsidenza) Fenomeno causato dall estrazione di grandi quantità di fluido geotermico da suolo. Su lunghi periodi l abbassamento della superficie può essere sensibile, dell ordine di alcune diecine di centimetri ed anche di metri, e deve essere monitorato sistematicamente per evitare danni alle strutture geotermiche ed agli edifici civili circostanti. In molti casi la subsidenza può essere prevenuta o ridotta reiniettando nel serbatoio i fluidi scaricati dagli impianti geotermici. Temperatura acque di scarico Le acque di scarico degli impianti geotermici hanno una temperatura generalmente superiore a quella dell ambiente circostante e costituiscono potenziali inquinanti termici Acque di scarico I fluidi geotermici già sfruttati, se hanno elevate concentrazioni di sostanze chimiche, come boro, fluoruri o arsenico, dovrebbero essere trattati, reiniettati nel serbatoio o entrambe le cose. I fluidi geotermici a temperatura medio-bassa, sfruttati nella maggior parte degli usi diretti, generalmente contengono piccole quantità di sostanze chimiche e raramente le acque di scarico creano problemi importanti.

12 ENERGIA GEOTERMICA GEOTERMIA CLASSICA sfrutta anomalie geologiche o vulcanologiche (ad esempio produzione di energia elettrica da centrali geotermiche come quella di Larderello).

13 ENERGIA GEOTERMICA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA sfrutta il sottosuolo come accumulo termico dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne durante la stagione estiva.

14 ENERGIA GEOTERMICA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA La temperatura del terreno varia da una zona climatica all altra nei primi m di profondità, nei quali il calore e le temperature sono pressoché costanti e influenzate da vari fattori, quali i fattori climatici e, solo in parte dal calore geotermico generato dal nucleo terrestre. Superata questa prima fascia si trova la fascia di crosta terrestre nella quale la temperatura aumenta e non è influenzata da fattori climatici e varia di circa 1 C ogni 33 m di profondità (gradiente geotermico).

15 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA Componenti principali di un impianto per lo sfruttamento dell energia geotermica a bassa entalpia sono: FASCI TUBIERI opportunamente interrati per scambiare calore con il terreno POMPA DI CALORE SISTEMA DI SCAMBIO DI CALORE con l ambiente interno (bocchette d aria, pannelli radianti,.)

16 ENERGIA GEOTERMICA POMPE DI CALORE GEOTERMICHE

17 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA APPLICAZIONI DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE climatizzazione estiva ed invernale di edifici produzione di acqua calda sanitaria produzione di caldo/freddo per i cicli produttivi industriali ed alimentari VANTAGGI Utilizzo di una sola macchina per riscaldare e raffrescare Basso impatto ambientale (bassa quantità di emissioni inquinanti: quelle emesse per la produzione di energia elettrica) Bassi costi di gestione e manutenzione

18 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA APPLICAZIONI DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Poiché la temperatura della sorgente rimane pressoché costante, più è bassa la temperatura di utilizzo del calore da parte dell utenza termica e minore sarà il lavoro meccanico da compiere per trasferire il calore. La pompa di calore deve operare in abbinamento a sistemi terminali di erogazione del calore operanti a bassa temperatura: Pannelli radianti a pavimento, o parete o soffitto Radiatori di grandi dimensioni a bassa temperatura Ventilconvettori a bassa temperatura con batterie di scambio sovradimensionate

19 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE GEOTERMICHE 1) PCG a circuito aperto (sistemi che sfruttano direttamente l acqua sotterranea o superficiale per lo scambio termico con la pompa di calore) Sistemi a circuito aperto costituito da pozzi per il prelievo dell acqua di falda Sistemi che sfruttano direttamente l acqua superficiale (laghi, lagune, aree costiere) 2) PCG a circuito chiuso (sfruttano indirettamente il calore contenuto nel terreno o nei corpi idrici tramite uno scambio con un fluido termovettore circolante in tubi o sonde) Sonde geotermiche verticali Sonde geotermiche orizzontali Pali energetici

20 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A CIRCUITO APERTO Costituito da pozzi per il prelievo dell acqua di falda che scorre nel sottosuolo, che costituisce la fonte di calore (sorgente). 1) POZZO DI PRELIEVO, eseguito a monte del senso di scorrimento della falda in modo da garantire l estrazione di acqua sempre fresca 2) POZZO DI DRENAGGIO, eseguito a valle rispetto al primo nel senso di scorrimento della falda ad una distanza di almeno m al fine di evitare la formazione del ricircolo dell acqua con conseguente saturazione termica Per il buon funzionamento del sistema risulta fondamentale la portata d acqua emungibile dal pozzo (più è costante maggiore è l efficienza del sistema e minori sono i rischi di guasti alla PC)

21 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE VERTICALI La tipologia più collaudata e utilizzata. L impianto è costituito da una serie di tubi (le sonde) in polietilene reticolato inseriti in dei fori di profondità trivellati in cui viene fatto circolare un fluido termo-vettore: una soluzione a base salina contenente glicole. Il numero delle sonde e la profondità di trivellazione dipendono dal fabbisogno di potenza termica e dalla risposta termica del terreno. La distanza minima tra due sonde è dell ordine di alcuni metri al fine di evitare disturbi termici reciproci. Al fine di consentire lo scambio termico tra la sonda e il terreno circostante e impedire l inquinamento della falda il foro viene sigillato con bentonite. 1) Si possono installare impianti di notevole potenza anche su terreni di piccole dimensioni 2) Costi dell impianto molto elevati, dovuti soprattutto ai costi di trivellazione

22 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE ORIZZONTALI Scambio termico a profondità contenute. L impianto è costituito da una serie di tubi disposti orizzontalmente con sviluppo ad anello e raccordati tra loro tramite un collettore da suolo e collegati alla pompa di calore. La profondità di posa delle tubazioni varia in funzione delle caratteristiche climatiche del sito e può oscillare tra 1.5 e 2 metri; in ogni caso deve essere di almeno cm al di sotto dello strato gelivo del terreno. Il campo geotermico deve essere realizzato su terreno ben esposto al soleggiamento, privo di piantumazioni, di elementi ombreggianti al fine di permetterne la rigenerazione termica. 1) Costi dell impianto inferiori rispetto al sistema con sonde verticali 2) Occupazione di grandi porzioni di terreno ad uso esclusivo dell impianto soprattutto nel caso di grandi richieste di potenze termiche e frigorifere

23 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE ORIZZONTALI Negli impianti in cui la pompa di calore fornisce o sottrae l energia all edificio per la climatizzazione estiva ed invernale le sonde orizzontali potrebbero essere installate sotto l edificio: in questo caso il terreno resta in equilibrio termico poiché il calore viene sottratto in inverno e restituito in estate. Negli impianti con funzionamento o solo in riscaldamento o solo in raffrescamento l equilibrio termico del terreno viene alterato e poiché non risente degli apporti esterni lentamente si degrada energeticamente riducendo l efficienza della pompa di calore e del sistema in generale.

24 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO SU STAGNO O LAGO Specifici scambiatori vengono posati sul fondo di stagni o laghi naturali o artificiali: si sfrutta in questo caso l'inerzia termica dell'acqua del lago. Anche in questo caso si utilizza un circuito chiuso costituito da fasci tubieri preassemblati.

25 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA IMPIANTI A PALI ENERGETICI Nei casi in cui si renda necessaria una palificazione strutturale delle fondazioni dell'edificio, è possibile realizzare un sistema a pali energetici. Sostanzialmente si tratta di annegare all'interno dei getti strutturali le sonde geotermiche di profondità.

26 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO Dimensione della pompa di calore in funzione del fabbisogno di potenza termica (kw) Estensione della superficie del campo geotermico o profondità di trivellazione in funzione del fabbisogno di potenza termica e della risposta termica del terreno Al fine di ridurre il costo dell impianto è opportuno affiancare questa soluzione tecnologica ad edifici di elevata classe energetica. Un edificio ben coibentato ha bisogno di potenze specifiche per unità di superficie realizzata molto basse.

27 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO Il dimensionamento delle sonde geotermiche dovrà basarsi su dati, quali: Fabbisogno di potenza termica (kw) Fabbisogno di energia termica (kwh/anno) Dati di progetto (ore di funzionamento pompa di calore/anno, tipologia del generatore, progetto impiantistico) Caratteristiche stratigrafiche del terreno al fine di stabilire la potenza di estrazione

28 ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO Prima di procedere nel progetto del sistema con sonde profonde occorre verificare Il rischio potenziale di inquinamento della falda freatica durante la perforazione ed il reinterro del foro da parte di additivi utilizzati Rischio correlato alla messa in comunicazione di acquiferi superficiali con quelli profondi Rischio di interferenza tra le sonde o campo di sonde con l assetto idrogeologico locale in relazione agli usi e alle utenze censite al momento della posa in opera della sonda in un intorno significativo Rischio correlato alla dinamica dei versanti: valutazione del rischio di danneggiamento della sonda post operam in aree franose

29 Geotermoelettrico in Italia Fonte: GSE, 2013

30 Geotermoelettrico in Italia Fonte: GSE, 2013

31 Geotermoelettrico in Italia

32 Geotermoelettrico in Italia

33 Geotermoelettrico in Europa e previsioni al 2018

34 Geotermoelettrico in Europa

35 Geotermico teleriscaldamento in Europa

36 Geotermico a bassa entalpia in Europa

37 Potenza geotermoelettrico nel Mondo