MOTORE TERMICO ENORME LA TERRA, speciale energie rinnovabili

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1 Le sonde geotermiche sono tubazioni a ciclo chiuso nelle quali circola una soluzione di acqua e glicole. All interno di apposite perforazioni, esse vengono portate a profondità di metri nel terreno. LA TERRA, ENORME MOTORE TERMICO RINNOVABILE E SOSTENIBILE, LA FONTE ENERGETICA GEOTERMICA È ALLA BASE DI SISTEMI DI RAFFRESCAMENTO/RISCALDAMENTO ESTREMAMENTE VANTAGGIOSI IN TERMINI ECONOMICI E AMBIENTALI. A PATTO CHE LE SCELTE IMPIANTISTICHE SIANO BEN PONDERATE DARIO MARENGO*, ENRICO CAROSSO* L energia geotermica è il calore contenuto nella Terra, ma comunemente viene indicata come la porzione di calore che potrebbe essere estratta dall uomo al fine di utilizzarla per soddisfare i propri fabbisogni. Da sempre l uomo ha potuto constatare quale enorme fonte energetica, a volte distruttiva, altre volte benefica, possa essere il sottosuolo osservando fenomeni superficiali quali vulcani, geyser, fonti termali. Solo con le prime miniere ci si rese conto che la temperatura aumenta con la profondità, inducendo verso la metà del Settecento a effettuare misu- 60 VQ NUMERO NOVE - NOVEMBRE 2MILA8

2 re della temperatura con termometri. Dalla seconda metà dell Ottocento si iniziò a studiare con metodologia scientifica il regime termico della Terra fino a arrivare ad ottenere il suo bilancio termico, dimostrando che il flusso di calore totale emesso dalla superficie terrestre dovuto a conduzione, a convezione e a radiazione, conduce a un progressivo, anche se lentissimo, raffreddamento del pianeta. LA STRUTTURA DELLA TERRA Figura 1 L ENERGIA DELLA TERRA La Terra, che funziona come un enorme motore termico, è costituita da (figura 1): Crosta: spessore di circa km nelle aree continentali e 5 6 km in quelle oceaniche; Mantello: spessore di circa km; Nucleo: raggio di circa km. L involucro esterno del nostro pianeta, che comprende la crosta e parte del mantello, è formato da: Litosfera: si comporta come un corpo rigido e ha uno spessore variabile da meno di 80 km a più di 200 km. Astenosfera: si comporta come un fluido viscoso. È la parte più alta del mantello che, grazie alle differenti temperature, è soggetta a moti convettivi di pochi cm/anno di grandi masse di rocce allo stato fuso o semifuso. Il gradiente termico medio, che fornisce la variazione di temperatura in funzione della profondità, è di circa 2,5 3 [ C/100 m]: quindi fino alle profondità che considereremo trattando la geotermia (max 200 m), il valore della temperatura è di circa 15 C, paragonabile al valor medio annuale della temperatura esterna; mentre sarà di C a m, C a m e così via. Le risorse geotermiche, classificate in base all entalpia dei fluidi che trasferiscono calore dalle rocce profonde verso la superficie, sono suddivise in risorse a bassa, media e alta entalpia, dove l entalpia esprime l energia termica dei fluidi, che può essere considerata proporzionale alla temperatura. Varie sono le classificazioni dell entalpia in base alla temperatura, come riportato in tabella 1. Così, praticamente dovunque si possono ottenere vantaggi economici con la combinazione di sistemi di riscaldamento e di raffrescamento, come sostenuto da Gudmundsson: il fattore di carico di un sistema combinato riscaldamento/raffreddamento è più alto del fattore di carico di un sistema di solo riscaldamento e, di conseguenza, il prezzo RISORSE ENERGETICHE E TEMPERATURA unitario dell energia diminuisce. Il condizionamento di ambienti, sfruttando l energia geotermica, si è diffuso molto rapidamente e con successo a partire dagli anni Ottanta grazie all utilizzo delle pompe di calore, che permettono di estrarre il calore contenuto in fluidi a bassa temperatura spostando il calo- Classificazioni Risorse a bassa entalpia <90 <125 < Risorse a media entalpia / Risorse a alta entalpia >150 >225 >200 >150 (1) Muffler e Cataldi, 1978; (2) Hochstein, 1990; (3) Benderitter e Cormy, 1990; (4) Nicholson, 1993 (distinzione tra alta entalpia per generazione di energia elettrica e bassa entalpia). Tab. 1 Classificazione delle risorse energetiche in base alla temperatura ( C). VQ NUMERO NOVE - NOVEMBRE 2MILA8 61

3 L intuizione di Larderel Come spesso accade, l energia geotermica è stata utilizzata inizialmente senza conoscerne la vera natura e le potenzialità che, solo successivamente, con la conoscenza scientifica e con lo sviluppo della tecnologia, ha potuto essere sfruttata dall uomo. Un tipico esempio si è verificato a Larderello, in Toscana, dove era stata costruita una piccola industria chimica per la produzione del boro sfruttando le acque calde. In un secondo momento, François Jacques de Larderel ( ), ingegnere e imprenditore, nonché proprietario dell industria, ideò un sistema per sfruttare il vapore all interno del ciclo produttivo evitando di bruciare legname e di depauperare il patrimonio boschivo. Contemporaneamente si sfruttò l energia meccanica del vapore naturale per azionare pompe, muovere organi meccanici, riscaldare edifici e, nel 1904, per produrre energia elettrica. Quest ultima trasformazione di energia fu un successo mondiale, seguito dagli Stati Uniti al Giappone, al Messico, alla Nuova Zelanda a molte altre nazioni. La macchina per la posa delle canalizzazioni all interno delle quali verrà fatta scende in profondità la sonda geotermica. re stesso da un corpo a temperatura più fredda a uno a temperatura più elevata. Le pompe di calore richiedono energia elettrica per il loro funzionamento, ma, con un buon progetto, il bilancio energetico è positivo. L energia geotermica è: rinnovabile, in quanto la ricarica energetica avviene parallelamente al suo sfruttamento, essendo la rinnovabilità il fattore critico di una sorgente energetica; sostenibile, in quanto il metodo di sfruttamento della risorsa consente di rigenerarla in tempi paragonabili a quelli del suo sfruttamento. ALTA ENTALPIA: IL CALORE CHE PROVIENE DALLE PROFONDITÀ I sistemi in rocce calde secche HDR (Hot Dry Rocks) sono sistemi formati con generazione artificiale di un serbatoio geotermico, ottenuto fratturando le rocce calde nel sottosuolo, in cui viene iniettata, attraverso un pozzo, acqua fredda che, riscaldatasi per effetto delle rocce calde, viene fatta risalire per essere utilizzata. I sistemi di terza generazione, EGS (Enhanced Geothermal Systems), consistono nel generare a grande profondità nel sottosuolo un circuito chiuso nel quale si immette un fluido discendente in un pozzo, estraendolo bollente da un altro pozzo collegato al primo con opportuna canalizzazione. Tale tecnolo- gia consente di ottenere potenze delle centrali paragonabili alle attuali termoelettriche nel rispetto dell ambiente e dei costi unitari competitivi, se non inferiori, a quelli delle altre fonti primarie. L energia geotermica ad alta entalpia, entrando in gioco fluidi con T>150 C e contenuto entalpico superiore a kj/kg, trova applicazioni, come sopra indicato, per la generazione di energia elettrica, per alcuni usi industriali e per il teleriscaldamento. Un esempio di progetto di HDR è stato promosso dal Governo Federale Svizzero per la città di Basilea col nome di Deep Heat Mining (Estrazione del Calore Profondo) per l uso e la valorizzazione al massimo grado delle fonti di energia non convenzionali. Il progetto si è posto l obiettivo di dimostrare la fattibilità di produrre energia elettrica e calore su scala commerciale utilizzando pozzi che raggiungono la profondità di m. BASSA ENTALPIA: ALLA PORTATA DI TUTTI A seguito della diffusione sul mercato di pompe di calore efficienti e con costi di installazione interessanti, a partire dagli anni Ottanta si è resa disponibile la tecnologia per estrarre energia termica (caldo o freddo) dal terreno, da acquiferi poco profondi, da masse d acqua superficiali ecc. Tale tecnologia permette l utilizzo della fonte geotermica in modo capillare sul territorio, utilizzando come detto, pompe di calore e sonde geotermiche. Le pompe di calore sono macchine che spostano il calore in direzione opposta a quella in cui tenderebbe a dirigersi naturalmente, cioè da uno spazio o corpo più freddo verso uno più caldo. Utilizzando un analogia idraulica, come una comunissima pompa meccanica sposta del liquido da un contenitore a un altro posto più in alto, così si comporta la pompa di calore con l energia 62 VQ NUMERO NOVE - NOVEMBRE 2MILA8

4 termica. Le pompe di calore geotermiche hanno un elevata efficienza in quanto, utilizzando le sonde come elemento di scambio di energia termica con il terreno, lavorano a una temperatura vicina a quella dell ambiente di arrivo, cioè con un modesto salto termico. Le sonde geotermiche sono tubazioni a ciclo chiuso nelle quali circola una soluzione di acqua e glicole. Esse consentono di utilizzare il terreno come serbatoio energetico nel quale, utilizzando la pompa di calore come strumento, depositare in estate del calore e prelevarne in inverno. L energia termica così ricavata può essere utilizzata per riscaldare o raffrescare gli ambienti e per produrre acqua calda. LE TIPOLOGIE IMPIANTISTICHE Impianti a circuito aperto In questo tipo di impianti (figura 2), lo scambiatore della pompa di calore cambia nel tempo e non è quindi possibile il suo utilizzo come accumulatore di energia. Il tipico esempio è quello di acqua prelevata da un pozzo profondo; dopo il prelievo e il relativo scambio per mezzo della pompa di calore, il fluido viene restituito all ambiente (un altro pozzo, un corso d acqua etc) a una temperatura più alta o più bassa a seconda che sia stato utilizzato per raffrescamento o per riscaldamento, in un punto diverso dal prelievo. Per questi sistemi, che grazie alle temperature del fluido di scambio possono raggiungere efficienze molto elevate, devono però essere valutate con estrema attenzione le influenze sull ambiente locale; ad esempio il prelievo di acqua da un pozzo profondo e la sua restituzione in un corso d acqua superficiale può avere nel lungo periodo influenze pesanti sul livello delle falde profonde generando fenomeni di subsidenza superficiale. Impianti a circuito chiuso In questo tipo di impianti, lo scambiatore della pompa di calore non cambia nel tempo e quindi è possibile il suo utilizzo come accumulatore di energia. Quando il mezzo di scambio è il terreno, sono possibili diverse tipologie di impianto. Negli impianti geotermici con sonde orizzontali (figura 3) il campo sonde è posizionato a profondità non superiori a 1,50 m. La loro installazione è molto semplice (e quindi poco costosa) e non necessita di attrezzature particolari ma richiede molto spazio e crea vincoli all utilizzo delle aree sulle quali viene installato il campo sonde. Vista la bassa profondità di installazione, le sonde sono influenzate dalle condizioni climatiche esterne e dall irraggiamento solare, con diminuzione del rendimento globale. Negli impianti geotermici con sonde verticali (figura 4) il campo sonde è costituito da tubazioni posizionate all interno di perforazioni profonde m. La loro installazio-

5 GLI IMPIANTI A CIRCUITO APERTO Figura 2 IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO: SONDE ORIZZONTALI Figura 3 ne richiede l utilizzo di attrezzature specifiche che la rendono maggiormente costosa. I vantaggi del loro utilizzo consistono principalmente in una maggior efficienza complessiva (soprattutto quando sono utilizzate sia per riscaldamento sia per raffrescamento), nell utilizzo di aree superficiali molto limitate e nell inesistenza di vincoli all utilizzo futuro delle aree stesse. Gli impianti geotermici con sonde superficiali in trincea (figura 5) sono una soluzione di compromesso tra le due precedenti. In questo caso le sonde sono installate all interno di trincee poco profonde (max 2 m) in fasci di 6/8 sonde. La loro installazione è molto semplice e non richiede l utilizzo di attrezzature specifiche. L utilizzo delle superfici è molto che per essere correttamente valutati necessitano di un approccio multidisciplinare complesso. Tali scelte hanno un influenza diretta sul COP (Coefficient of Performance, vedere box), cioè hanno un importanza fondamentale nel determinare l efficienza globale dell impianto stesso. Pompa di calore Sul mercato oggi sono disponibili macchine specificamente studiate per l utilizzo con sonde geotermiche con COP dell apparecchiatura molto elevati. Occorre comunque far notare come la scelta del tipo di pompa di calore non debba basarsi esclusivamente su una valutazione bruta del suo COP svincolato dal contesto generale, quanto sul corretto interfacciamento con il tipo di sonde previpiù limitato delle sonde superficiali ma vincola comunque gli utilizzi delle aree stesse. La loro profondità di installazione fa sì che risentano comunque delle influenze delle condizioni ambientali esterne (sia pure in minor misura rispetto a quelle superficiali); tuttavia lo sfasamento temporale con cui tali influenze avvengono, se opportunamente considerato in fase di progetto, può essere utilizzato per migliorarne l efficienza stagionale. COME SCEGLIERE I COMPONENTI D IMPIANTO Le possibili scelte in materia di componenti dell impianto sono tra loro diversissime e, per ottenere buoni risultati, devono tenere in conto molti parametri tra loro interagenti 64 VQ NUMERO NOVE - NOVEMBRE 2MILA8

6 IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO: SONDE VERTICALI Figura 4 IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO: SONDE SUPERFICIALI IN TRINCEA Figura 5 ste a monte e sul tipo di impianto di distribuzione di energia a valle della macchina stessa. Occorre poi valutare, specie nel caso di utilizzo combinato riscaldamento e produzione acqua calda sanitaria la capacità della macchina di riutilizzare parte del calore speso nel lavoro di compressione/ decompressione per aumentare la quantità di energia utilizzabile dall impianto di distribuzione. Sonde geotermiche La scelta della tipologia di sonde geotermiche dipende da molti fattori, i principali dei quali sono: geologia del sito; utilizzo delle aree di installazione del campo sonde; condizioni climatiche locali; potenze complessive in gioco. A titolo esemplificativo, quando le potenze in gioco oltrepassano una certa soglia,

7 Come si calcola l efficienza cumulo troppo piccolo porta a periodi di lavoro della pompa di calore di durata limitata e frequenza elevata con conseguenze negative sui consumi elettrici e sulla durata dell apparecchiatura. Per contro, un serbatoio troppo grande a causa delle inevitabili dispersioni di energia nell ambiente, può provocare conseguenze negative sul corretto utilizzo del caldo/freddo prodotto dalla pompa di calore. Impianto di distribuzione Di fondamentale importanza è anche la scelta dell impianto di distribuzione a valle dell accumulatore di energia. Impianti che necessitano di flui- Il COP globale del sistema è dato dal rapporto tra energia prodotta ed energia utilizzata per produrla, secondo la relazione: COP = Q 1 /L = T 1 /(T 1 -T 0 ), dove: Q 1 = Q 0 + L T 1 Temperatura a fine ciclo T 0 Temperatura sorgente fredda. È evidente come l efficienza globale sia inversamente proporzionale alla differenza tra la temperatura di ad alta temperatura (termosifoni tradizionali etc) di- della sorgente e la temperatura dell utilizzatore. minuiscono sensibilmente i benefici ottenibili dall utilizzo di un impianto geotermico facendo lavorare la pompa di calore in modo dispendioso da un punto di vista energetico con diminuzione del rendimento complessivo. le superfici necessarie per sonde superficiali diventano molto grandi e risultano quindi più interessanti le sonde di profondità. Nel caso in cui le condizioni geologiche del sito ne sconsiglino l utilizzo (difficoltà realizzative per presenza di ammassi rocciosi o bassi rendimenti per presenza di stratigrafia sabbiose asciutte), una buona soluzione possono essere le sonde superficiali in trincea. Accumulatori di energia La scelta corretta dell accumulatore energetico (serbatoio di fluido caldo e freddo) è fondamentale nel determinare il rendimento globale dell impianto. Infatti un serbatoio di ac- Particolare di un impianto per la produzione di energia geotermica: in primo piano sulla sinistra, l accumulatore di energia (serbatoio contenente un fluido); in fondo a destra, la pompa di calore. I VANTAGGI FISCALI Il decreto del 7 aprile 2008 emesso dal Ministro delle Finanze in accordo col Ministro dello Sviluppo Economico, contenente le Disposizioni in materia di detrazione per le spese di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente ai sensi dell art. 1, comma 349, della legge 27 dicembre 2006, n 296, al comma 6 definisce per le pompe di calore due parametri fondamentali per l accesso agli sgravi fiscali previsti: COP: Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore (COP), si intende il rapporto tra il calore fornito e l elettricità o il gas consumati, per una fonte e per una uscita determinate così come definito dalla decisione della Commissione europea dell 8 Novembre 2007, che stabilisce i criteri ecologici per l assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica alle pompe di calore elettriche, a gas o ad assorbimento funzionanti a gas. EER: Per indice di efficienza energetica di una pompa di calore (EER), si intende il rapporto tra la produzione del freddo e l elettricità o il gas consumati, per una fonte e per una uscita determinate così come definito dalla medesima decisione della Commissione europea dell 8 Novembre In seguito alle precisazioni pubblicate, le pompe di calore geotermiche a bassa entalpia vengono a pieno titolo inserite nell ambito delle energie rinnovabili, potendo dunque accedere ai contributi previsti dalla precedente finanziaria e usufruire delle detrazioni di imposta pari al 55%. *C.C.R. Ingegneria Srl Torino 66 VQ NUMERO NOVE - NOVEMBRE 2MILA8