Tipologie e caratteristiche degli impianti di produzione ed utilizzo di energia geotermica

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1 Tipologie e caratteristiche degli impianti di produzione ed utilizzo di energia geotermica

2 GEOTERMIA freestockphotos.com Dal greco gê (Terra) e thermòs (calore)

3 IMPIANTI GEOTERMICI DI PROFONDITA

4 IMPIANTI GEOTERMICI DI PROFONDITA Sfruttano la geotermia in senso proprio, cioè l energia termica generata da processi fisici che hanno luogo all interno della terra. L energia termica resa disponibile da questi processi è di fatto inesauribile (equivalente a rinnovabile). Il flusso termico emanato dalla terra verso l esterno è mediamente pari a W/m 2.Ilgradiente geotermico è mediamente pari a: 3 C/100 m di profondità (30 C/km). L energia raccolta in profondità può essere sfruttata per diversi usi: - generazione termoelettrica - usi industriali (almeno 150 C) - teleriscaldamento ( C) - serricoltura (38-80 C) - acquicoltura (al massimo 38 C) - agricoltura (ad es. essiccazione i legname in Nuova Zelanda) - allevamento (ad es. di alligatori in USA, Giappone)

5 IMPIANTI GEOTERMICI DI SUPERFICIE La parola geotermia si addice in ogni caso a queste tipologie di impianti. Essi infatti sfruttano il principio che già a piccole profondità (pochi metri) il terreno è caratterizzato da temperature diverse rispetto a quelle dell aria aria. Sotto i m di profondità, la temperatura del terreno non risente più né delle stagioni né del clima, ma solamente dalle condizioni geologiche e geotermiche. Q i i i i i di i i i di i li i i i i i i i Questi impianti sono quindi integrati ai tradizionali sistemi impiantistici degli edifici e sfruttano il terreno per riscaldare o raffrescare, anche solo parzialmente, il fluido termovettore (aria e/o acqua) per la climatizzazione degli ambienti.

6 SORGENTI TERMICHE: TERRENO Il terreno è una sorgente termica ideale, poiché a circa m le oscillazioni stagionali di temperatura si smorzano ed il valore della temperatura si assesta ad un valore pari alla media annuale dell aria esterna.

7 VENTILAZIONE GEOTERMICA L aria calda è prelevata dall esterno durante la stagione estiva, attraversa un condotto sotterraneo, cede il suo calore al terreno, più fresco, ed è immessa in ambiente per raffrescare e ventilare. D inverno, invece, l aria fredda esterna acquisisce calore dal terreno. Un unico impianto per due finalità.

8 POMPE DI CALORE Tipologie i di pompe di calore Le principali pompe di calore ad uso residenziale in funzione della tipologia di alimentazione sono: Pompe di calore elettriche a compressione Pompe di calore ad assorbimento Pompe di calore alimentate

9 POMPE DI CALORE A COMPRESSIONE Le pompe di calore a compressione sono basate su di un ciclo termodinamico molto semplice: un ciclo frigorifero a compressione di vapori I componenti sono funzionalmente identici a quelli di un sistema di refrigerazione, ma sono utilizzati per ottenere un effetto utile opposto: riscaldare l edificio raffreddando una sorgente termica (l aria esterna, una riserva d acqua o il sottosuolo).

10 POMPE DI CALORE Pompa di calore elettrica 4 Qa 3 temperatura 4 Condensazione isobara 3 Espansione isoentalpica 1 L 2 L Compressione adiabatica entropia 1 Evaporazione 2 Qb isobara

11 POMPE DI CALORE I componenti che compongono una pompa di calore sono: 1) Evaporatore 2) Compressore 3) Condensatore 4) Valvola di laminazione

12 POMPA DI CALORE GEOTERMICA SISTEMA A TEMPERATURA T 1 COP = Q 1 /L= T 1 /(T 1 -T 0 ) Lavoro Pompa di calore ideale Tramite la fornitura di lavoro meccanico o elettrico si può rendere disponibile una quantità di calore a temperatura più alta, ad esempio quella utile per il riscaldamento SISTEMA A TEMPERATURA T 2

13 COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE Le prestazioni i di una pompa di calore sono di norma il COP per il riscaldamento l EER per il raffrescamento Tali indici sono riferiti a determinati valori delle temperature lato condensatore e lato evaporatore. SEER è l EER stagionale e viene calcolato sulla base delle temperature esterne della località considerata

14 IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Un impianto i geotermico è generalmente composto da una pompa di calore accoppiata con una sorgente termica. La funzione di un impianto geotermico è quella di produrre acqua calda o fredda a seconda dei casi Lo scambio termico fra sorgente e pompa di calore viene effettuato con molteplici mezzi: Sonde geotermiche verticali Acqua di falda Scambiatori orizzontali Geostrutture

15 IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Individuare sorgenti termiche alternative (all aria) aria) può produrre svariati vantaggi: Eliminazione brinamento Riduzione del rumore Batterie non sempre collocabili all esterno Un adeguata ata movimentazione ione dell aria può avere costi non trascurabili

16 IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Nel funzionamento invernale, la pompa di calore, sfruttando l operare di un compressore alimentato ad energia elettrica, sottrae calore al terreno trasferendolo, in uno o più passaggi alla sorgente calda: l ambiente indoor. Nel funzionamento estivo, invece, la GHP funziona seguendo un classico ciclo fi frigoriferoif trasferendo cioè parte dell energia termica sottratta agli ambienti indoor (che sono così raffrescati) al terreno. I cicli periodici di carico e scarico permettono lo sfruttamento combinato degli stoccaggi sotterranei per il riscaldamento e la climatizzazione.

17 POMPA DI CALORE GEOTERMICA SISTEMA A TEMPERATURA T 1 Lavoro Pompa di calore T 1 >T 0 pompa dislivello SISTEMA A TEMPERATURA T 2

18 IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Il terreno non è una sorgente! Differenze di durata dei periodi di riscaldamento e di raffrescamento possono causare sensibilissime riduzioni dell efficienza degli impianti geotermici. In generale, le pompe di calore geotermiche consentono di ottenere efficientemente acqua per riscaldamento a basse temperature (<40 50 C) adeguate per impianti a pannelli radianti.

19 IMPIANTI GEOTERMICI A POMPA DI CALORE Le pompe di calore geotermiche sono quasi sempre costituite da due circuiti: - primario, circuito geotermico vero e proprio - secondario, circuito della tradizionale rete impiantistica (acqua calda per riscaldamento e/o usi sanitari)

20 Il circuito primario può essere: IMPIANTI GEOTERMICI Ad acqua di falda (circuito it aperto) Nel circuito primario scorre direttamente acqua prelevata dalla falda, che viene condotta in superficie allo scambiatore tramite una pompa e viene quindi reiniettata nella falda ristabilendo l equilibrio geotecnico. A miscela acqua-glicole (circuito chiuso) Viene realizzato un circuito primario a serpentina (orizzontale) o a U (verticale), normalmente utilizzando tubi in plastica. All interno del primario scorre un fluido evolvente a base di glicole che scambia energia termica direttamente con il terreno. La potenza termica scambiata per metro lineare di scambiatore può essere assunto in prima approssimazione pari a 50 W/m (terreni normalmente rocciosi con sedimenti naturali) Esempio: pompa di calore terra/acqua (primario terra) da 30 kw sonda Esempio: pompa di calore terra/acqua (primario terra) da 30 kw, sonda verticale (500 m), serpentina (900 m), diametro tubazione 32 mm

21 POMPE DI CALORE GEOTERMICHE Con sorgente acqua o terreno: A circuito aperto (open loop): 1. Ad acqua di falda 2. Ad acqua superficiale A circuito chiuso (closed loop): 1. Con scambiatori i verticali 2. Con scambiatori orizzontali 3. Altre tipologie (a spirale, ecc.) 4. Ad espansione diretta 5. Geostrutture e pali energetici

22 IMPIANTI GEOTERMICI A CICLO APERTO

23 IMPIANTI GEOTERMICI A CICLO APERTO In modalità a circuito aperto, a causa delle interferenze con i fluidi di falda, si possono verificare contaminazioni biologiche anche pericolose. Occorre quindi molta cautela nel realizzare queste tipologie di impianto. E spesso necessario effettuare sondaggi e perizie geologiche preliminari alla presentazione del progetto per il rilascio delle autorizzazioni a ioni dagli uffici competenti.

24 IMPIANTI GEOTERMICI A CICLO CHIUSO

25 IMPIANTI GEOTERMICI A CICLO CHIUSO: SCAMBIATORI Si utilizzano scambiatori in materiale plastico, HPDE (polietilene ad alta densità) e PEX (polietilene reticolato, raccomandato ove vi siano accumuli termici a più alta temperatura).

26 IMPIANTI GEOTERMICI VERTICALI: SCAMBIATORI Le sonde verticali sono costituite da tubi in materiale plastico alloggiati in perforazioni i di cm di diametro e profonde cm,

27 IMPIANTI GEOTERMICI VERTICALI: SCAMBIATORI

28 IMPIANTI GEOTERMICI ORIZZONTALI Sono scambiatori di calore interrati orizzontalmente. Le serpentine geotermiche sono sviluppate su un piano orizzontale situato ad una profondità al massimo di 3 m (ma è sempre consigliabile effettuare sbancamenti non inferiori ad 1 m). Le temperature del terreno, in prossimità della superficie, risentono inoltre della variazione delle stagioni.

29 IMPIANTI GEOTERMICI ORIZZONTALI Lo sbancamento del terreno. è evidentemente costoso poiché comporta la movimentazione di notevoli quantità di terreno. Per ridurre i costi è preferibile, anziché effettuare uno sbancamento, realizzare una trincea in cui collocare gli scambiatori. Questo tipo di impianto è particolarmente utilizzato per applicazioni inferiori i i ai 30 kw (al max 50 kw) in ragione della superficie i troppo elevata che sarebbe altrimenti necessaria. Il dimensionamento oltre che dipendere dal tipo di terreno, risente delle condizioni climatiche esterne.

30 GEOSTRUTTURE Le fondazioni sotterranee o su pali, equipaggiate di scambiatori termici per la produzione d'energia, sono note come "sistemi di pali energetici". La particolarità è la doppia applicazione, interessante sul piano ecologico ed economico, d'elementi in calcestruzzo a contatto col suolo: utili, da una parte, come fondamenta, permettono, dall'altra altra, la produzione d'energia sotto forma di caldo e freddo. 1) Pali energetici 2) Condotti di connessione ai pali 3) Collettori di connessione ai pali 4) Condotto principale 5) Centrale di produzione del freddo

31 CASI DI STUDIO VILLETTA MONOFAMILIARE Impianto a pavimento con pompa p di calore geotermica Venezia: fabbisogno termico kwh/anno, potenza 9,4 kw Roma: fabbisogno termico 8500 kwh/anno, potenza 9,1 kw Fonte: AICARR Geotermia e pompe di calore

32 CASI DI STUDIO Fonte: AICARR Geotermia e pompe di calore Esiste in generale una elevata variabilità di rendimento, che dipended da caso a caso ed è principalmente dovuta al fatto che l efficienza dello scambio termico delle sonde può variare notevolmente, anche nel tempo, a seconda delle condizioni geologiche che si incontrano in opera.

33 DIFFUSIONE NEL MONDO Negli Stati Uniti troviamo il numero più elevato di installazioni i i Svizzera 1 impianto ogni 2 km 2 La Svezia ha il maggior numero di installazioni i i in Europa, seguita da Austria e Germania