LA RISORSA GEOTERMICA: SVILUPPI, APPLICAZIONI E STATO DELLE RICERCHE SUL TERRITORIO EMILIANO. Fabio Carlo Molinari

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2 LA RISORSA GEOTERMICA: SVILUPPI, APPLICAZIONI E STATO DELLE RICERCHE SUL TERRITORIO EMILIANO Fabio Carlo Molinari

3 Premessa Negli ultimi anni in Italia si sta rapidamente affermando la tecnologia degli impianti geotermici di bassa temperatura basati sullo scambio termico tra l edificio ed il terreno (suolo, sottosuolo, acqua di falda). Obiettivo del Seminario L obiettivo del presente seminario è quello di inquadrare le potenzialità della geotermia nel territorio regionale ed evidenziare l importanza della valutazione geologica/idrogeologica per fissare, assieme alle altre figure professionali coinvolte, i criteri per una corretta pianificazione, progettazione e realizzazione dei sistemi geotermici a bassa temperatura. In questo contesto la ricerca svolge un ruolo molto importante.

4 Normativa di riferimento D.Lgs 10/02/10 Il 10/02/10 il Consiglio dei Ministri ha approvato il D.lgs. che modifica il quadro normativo sulle risorse geotermiche ad alta, media e bassa temperatura. Il decreto, previsto dal comma 28 dell art.27 della Legge 99/2009, abroga in toto la preesistente Legge 896/1986 sulla Disciplina della ricerca e della coltivazione delle risorse geotermiche. Vengono classificate le tre tipologie di geotermia, a seconda della temperatura dei fluidi: 1.Risorse geotermiche ad alta entalpia, caratterizzate da una temperatura del fluido reperito superiore a 150 C 2.Risorse geotermiche a media entalpia, caratterizzate da una temperatura del fluido reperito compresa tra 90 C e 150 C 3.Risorse geotermiche a bassa entalpia, caratterizzate da una temperatura del fluido reperito inferiore a 90 C A seconda della temperatura del fluido e della taglia dell impianto, viene stabilito che: Sono d interesse nazionale le risorse geotermiche ad alta entalpia che possono assicurare una potenza erogabile complessiva di almeno 20 MW termici, nonché tutte quelle rinvenute in aree marine Sono d interesse locale le risorse geotermiche a media e bassa entalpia di potenza inferiore a 20 MW termici Piccole utilizzazioni locali : consentono la realizzazione di impianti di potenza inferiore a 2 MW termici, ottenibili dal fluido geotermico alla temperatura convenzionale dei reflui di 15 C, ovvero ottenute mediante l esecuzione di pozzi di profondità fino a 400 metri per ricerca, estrazione ed utilizzazione di fluidi geotermici o acque calde ( ), anche per eventuale produzione di energia elettrica con impianti a ciclo binario ad emissione nulla ;

5 Risorse Geotermiche a Media/Alta Temperatura L utilizzo di temperature > di 90 C consente la produzione di energia elettrica con l impiego di fluidi geotermici

6 Risorse Geotermiche a Bassa/Media Temperatura L utilizzo di fluidi geotermici con temperature < 90 C/100 C C consente la produzione di energia termica sia con uso diretto che indiretto

7 Sistemi di Sfruttamento dell Energia Geotermica Sistema a circuito aperto (open loop) Utilizzo teleriscaldamento/raffrescamento Utilizzo complesso residenziale Un sistema geotermico oltre alle sonde/pozzi è costituito principalmente da: 1. POMPA DI CALORE 2. ACCUMULI PER RISCALDAMENTO E ACS

8 Sistema a circuito chiuso (closed loop) Rohre in Graben Verteiler im Haus Serienschaltung Sonde Orizzontali Sonde Verticali Sonde orizzontali Sonde verticali pali energetici m prodondità m profondità 8-45 m profondità

9 Il trasferimento di calore avviene facendo percorrere il circuito chiuso da appropriati fluidi frigorigeni che assumono lo stadio liquido o di vapore in funzione della temperatura e della pressione in cui si trovano

10 Attraverso le sonde presenti nel terreno o attraverso l acqua di falda, ambienti ideale di scambio termico ad una temperatura costante per tutto il periodo dell anno, è possibile estrarre, rispettivamente durante il periodo invernale ed estivo, calore e frigorie. Un impianto geotermico a pompa di calore permette quindi attraverso un unico sistema di poter fornire all abitazione sia il riscaldamento che il raffrescamento degli ambienti. Questo comporta una riduzione consistente non solo sui costi di riscaldamento degli ambienti ma anche di raffrescamento. In particolare il contesto climatico della pianura padana, con inverni freddi ed estati calde, l abbondante presenza di falde acquifere a poca profondità consentono di ottimizzare al massimo l utilizzo dell energia geotermica con: BASSI CONSUMI BASSO IMPATTO AMBIENTALE LUNGA DURATA POSSIBILITA DI RAFFRESCAMENTO RISCALDAMENTO e ACS SOSTITUZIONE DELL IMPIEGO DI ALTRE FORME DI ENERGIA

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12 Pianura Padana (Foreland Basin) Isoterme alla profondità di 500 m in pianura padana (ENEL-CNR, 1988)

13 Ricerca dei Serbatoi Geotermici Profondi in Emilia Romagna Banca Dati Geognostici per la Valutazione della Risorsa Geotermica I dati di pozzo permettono una prima valutazione dei serbatoi geotermici: Esempio di dati di pozzo (ENI-Agip) Porosità totale da log elettrico Pressione idraulica da densità di fango di perforazione Serbatoio geotermico Misure Temperatura

14 Cartografia Tematica e Sezioni Geologiche Regionali

15 SEZIONE 3 Vigarano M. Occhiobello Pieghe Ferraresi Dislocazione principale: Pliocene sup. - Pleistocene inf. Gradiente geotermico intervallo m: 6,8 C/100 m Gradiente geotermico intervallo m: 2,6 C/100 m Gradiente geotermico intervallo m: 3,1 C/100 m Gradiente geotermico intervallo m: 1,7 C/100 m

16 Attraverso l analisi delle banca dati e l interpretazione delle sezioni geologiche è stata realizzata una carta delle aree d'interesse per la ricerca di serbatoi geotermici. Si noti che le aree d interesse in Appennino sono localizzate in corrispondenza di finestre tettoniche mentre in pianura sono al top di antiformi sepolte area d interesse

17 ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELLA RISORSA GEOTERMICA STUDIO GEOTERMICO APPLICATO AL TELERISCALDAMENTO

18 Esempio di sezione geologica profonda (fino a 4000 m di profondità) basata sull interpretazione e correlazione di profili sismici e pozzi profondi G1 G2 G1 G3

19 Esempio di mappa delle isobate (profondità del tetto) del serbatoio geotermico

20 Esempio di mappa delle isopache (spessori) del serbatoio geotermico

21 Esempio di mappa delle temperature (isoterme) alla profondità di 800 m

22 Stima preliminare della potenza termica dei sistemi idrotermali P (Kcal/h) =Q (l/h) x? T (?C) Temperatura: ? C G1 Temperatura: 55?- 6 2? C G2 P o r t a t a : l / s P o r t a t a : l / s? t: 10?-15? C? t: 15?-20? C P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m a s s i m a : c i r c a 3 M W t P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m a s s i m a : c i r c a 2, 5 M W t P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m i n i m a : c i r c a 1, 3 M W t P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m i n i m a : c i r c a 1 M W t P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i e s t r a z i o n e : m P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i e s t r a z i o n e : m P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i r e i n i e z i o n e : m P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i r e i n i e z i o n e : m Temperatura: 75?- 8 0? C G3 P o r t a t a : l/s? t : 2 0?-2 5? C P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m a s s i m a : c i r c a 1 1, 5 M W t P o t e n z a t e r m i c a n o m i n a l e m i n i m a : c i r c a 7, 5 M W t P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i e s t r a z i o n e : m P r o f o n d i t à s t i m a t a p o z z o d i r e i n i e z i o n e : m

23 ESEMPI DI IMPIANTI DI TELERISCALDAMENTO GEOTERMICO IN EUROPA

24 ESEMPI DI IMPIANTI DI TELERISCALDAMENTO GEOTERMICO IN EMILIA-ROMAGNA

25 Potenza termica nominale: 4 MWt Disponibilità di utilizzazione continua Volumetria riscaldata: m 3 BAGNO DI ROMAGNA Uso Termico e Uso Termale

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27 Ricerca dei serbatoi geotermici superficiali (0-200 m) in Emilia Romagna SISTEMI INFORMATIVI TERRITORIALI (BANCA DATI)

28 MODELLO CONCETTUALE DEL FLUSSO IDRICO NELL ACQUIFERO DI PIANURA Piano di Tutela delle Acque 2005 Appennino Settenrionale Sud Gruppi acquiferi (A rosso, B azzurro e C giallo) Acquifero freatico monostrato Area di ricarica principale Acque molto recenti Velocità del flusso molta alta Acquiferi multifalda confinati o semiconfinati Acque antiche Velocità del flusso bassa e molto bassa Acquifero freatico superficiale Nord Fiume Po ricarica locale s.l. A2 A1 A aquifer mt A4 A3 group COMPLESSI IDROGEOLOGICI CORPI IDRICI circa 10 km - 500

29 Valutazioni Geologico/Idrogeologiche di dettaglio I fattori che determinano la quantità di scambio di calore sono strettamente legati alle caratteristiche proprie dei vari tipi di terreno/roccia e alle caratteristiche idrogeologiche del sottosuolo. Per un progetto specifico il geologo ha il compito di analizzare i dati a disposizione ed eventualmente di programmare nuove acquisizioni geognostiche al fine di implementare l elaborazione di sezioni idrostratigrafiche e mappe tematiche Pozzi/Sondaggi Sezioni Geologiche Mappe Tematiche (Geologiche, Idrogeologiche ecc.)

30 Metodologia per il Calcolo della Potenza Termica POZZI Acquiferi = Serbatoio Termico Dinamico Conoscenza Parametri Idrogeologici: Piezometria e Gradiente Piezometrico Variazione Stagionale Superficie Piezometrica Permeabilità e Trasmissività dell Acquifero Temperatura media ed escursioni termiche stagionali Calcolo della Potenza Termica Potenza(Kcal/h)= Portata(Kg/h) x?t ( C) Doppietto pozzi SONDE GEOTERMICHE Tabelle e monogrammi (tratti da: VDI 4640 UNI EN 15450) Sonde a? Q H Q /? H a? P p Piezometria Flusso Idrico Flusso di Calore Flusso di Calore (Verticale)

31 Sonde Geotermiche - Dimensionamento Altre valutazioni: Presenza e profondità della falda acquifera Tipo di falda acquifera (freatica, pressione) Escursione stagionale della superficie piezometrica Gradiente e permeabilità della falda e quindi stima della velocità di flusso Output Successione stratigrafica ml Resa (W/m) parziale (W) Limi e argille asciutti Limi e argille bagnate Ghiaia asciutta Ghiaia bagnata Sabbia bagnata Sonde geotermiche 100ml totale (W) totale (KW) ,15

32 Doppietto Pozzi - Dimensionamento Pianta Per impianti geotermici di media e grossa potenza (> 100 KWt) è opportuna un attenta valutazione idrogeologica, attraverso l utilizzo di algoritmi, per la stima dell abbassamento/innalzamento piezometrico in prossimità dei pozzi di adduzione/restituzione al fine di prevenire un interferenza dei coni piezometrici e quindi una corto circuitazione del sistema. Sezione

33 Efficienza Energetica dell Impianto di Adduzione/Restituzione dell Energia Geotermica Sonde orizzontali Sonde verticali scambio terreno Pozzi scambio acqua Efficienza (COP) In generale l utilizzo dell acqua di falda permette temperature più elevate della sorgente di calore, uno scambio termico di migliore qualità e ridotte perdite di carico permettendo di aumentare il COP di circa 1-1,5 unità rispetto a una sonda geotermica orizzontale/verticale e di risparmiare annualmente in questa maniera circa 20% di energia elettrica, pur soddisfacendo le stesse esigenze. Vale dunque la pena porsi ogni volta la domanda: esiste una falda acquifera sfruttabile a poca profondità?

34 Esempi di alta efficienza dell utilizzo dell energia geotermica Progetto di un nuovo Complesso Residenziale Busseto (PR) Produzione Termica con Geotermia a Circuito Aperto Doppietto Pozzi : Stima Produzione Annua di Energia Termica : 1 pozzo di estrazione prof. 30 m Ipotizzando un utilizzo della risorsa per 2500 ore/anno 1 pozzo di reiniezione prof. 30 m si stima una produzione di circa 125 MWht di cui circa Portata massima : 3 l/s 98 MWht provengono gratuitamente dall energia Dt: 4 C termica della falda acquifera Potenza Termica: 50 Kwt Impianto Geotermico: Non emissione in atmosfera di 9 ton CO2 2 Pompe di Calore da 25 KWt (COP medio=4,5)

35 STRUTTURA ALBERGHIERA E CENTRO BENESSERE Parma Produzione termica con geotermia open loop Pozzi geotermici: 2 pozzi di estrazione prof. 40 m 2 pozzi di reiniezione prof. 40 m Portata massima : 20 l/s per pozzo Portata media: 10 l/s Dt: 4 C Potenza termica: 400 Kwt Impianto Geotermico con COP medio=4,0. Stima Produzione Annua di Energia Termica : Ipotizzando un utilizzo della risorsa per 2500 ore/anno si stima una produzione di circa 1000 MWht di cui circa 750 MWht provengono gratuitamente dall energia termica della falda acquifera Non emissione in atmosfera di 67 ton CO2

36 IMPIANTO GEOTERMICO AD USO EDIFICI RESIDENZIALI Milano Produzione termica con geotermia open loop DESCRIZIONE SINTETICA L intervento è costituito da 2 edifici residenziali per un totale di 192 alloggi. Pozzi geotermici: 2 pozzi di estrazione prof. 40 m 2 pozzi di reiniezione prof. 40 m Portata massima : 35 l/s per pozzo?t = 3 C COP medio = 4 Potenza termica: 800 Kwt Stima Produzione Annua di Energia Termica : Ipotizzando un utilizzo della risorsa per 2500 ore/anno si stima una produzione di circa 2000 MWht di cui circa 1500 MWht provengono gratuitamente dall energia termica della falda acquifera Non emissione in atmosfera di 140 ton CO2

37 Conclusioni La Pianura Padana è un bacino sedimentario ideale per l utilizzo dell energia geotermica a bassa temperatura (<90 C). In pochi anni il mercato si è accorto di questa possibilità e compito del geologo/idrogeologo, è quello di indirizzare al meglio, la gestione e l utilizzo della risorsa. Compito dell Università è quello di fare ricerca applicata in questo campo. La professionalità geologico/idrogeologica e l interfacciamento con ingegneri e architetti è di fondamentale importanza per lo sviluppo dell applicazione geotermica, la gestione della risorsa e il miglioramento dell ambiente. Si auspica che le leggi/normative diano sempre maggior peso agli aspetti geologici ed ecologici sia in fase di autorizzazione che di concessione all utilizzo delle risorse geotermiche a bassa temperatura, anche per i sistemi a circuito chiuso (sonde geotermiche) che attualmente non hanno una regolamentazione precisa.

38 GRAZIE PER L ATTENZIONE