INTRODUZIONE ALLA GEOTERMIA

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1 Risparmio energetico: una soluzione possibile INTRODUZIONE ALLA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA V E N E R D I 5 M A R Z O 1 0 Francesco Tinti - Dipartimento DICAM - UNIBO

2 L utilizzo della geotermia a bassa entalpia fa riferimento allo sfruttamento del calore terrestre presente al livello superficiale della crosta, nei primi m di profondità. Il calore immagazzinato non è quasi mai sufficiente per applicazioni dirette di riscaldamento, per cui necessita di un aiuto termico, ad opera di pompe di calore e terminali di distribuzione a bassa temperatura. Questa tecnologia si va diffondendo in Italia dagli ultimi 5-6 anni. La geotermia per la climatizzazione degli edifici Sistema di distribuzione interno a bassa temperatura I geoscambiatori per il prelievo dell energia geotermica Sistema di distribuzione per l acqua calda sanitaria Centrale termica di trasferimento dell energia: la pompa di calore

3 Definizione: macchina che permette, fornendo lavoro dall esterno, di trasferire calore da un sistema a una certa temperatura a un sistema a temperatura superiore, in accordo con i principi della termodinamica. Analogia idraulica: come una pompa idraulica solleva acqua da un serbatoio a quota inferiore a uno a quota superiore, così la pompa di calore permette di innalzare il livello termico globale. L impianto a pompa di calore Centralina di controllo Contatori elettrici Ai pannelli radianti Pompa di circolazione Alle sonde geotermiche Serbatoio inerziale Pompa di calore

4 L aria è la sorgente di energia più comunemente utilizzata, nelle due tipologie: unità split (aria-aria) o gruppi frigoriferi (aria-acqua). Vantaggi: Disponibilità illimitata Facile installazione Svantaggi: T variabile, necessità di sbrinamento Basse efficienze, consumo elevato di energia elettrica Formazione di isola termica Incompatibilità architettonica ARIA Sorgenti di energia gratis COSTO CONTENUTO RENDIMENTI MEDI IMPATTI AMBIENTALI Q 1 = 5 kw t COP = 2 L = Q 1 /COP = 5/2 = 2,5 kw e Q 2 = 2,5 kw t (50% energia rinnovabile)

5 L acqua può essere un ottima sorgente di calore. Essa si trova in serbatoi idrici superficiali (laghi, fiumi, mare), o sotterranei (falde artesiane e freatiche). Lo scambiatore è a fascio tubiero. Vantaggi: Utilizzo di risorsa naturale Installazione poco onerosa Notevole energia scambiata Svantaggi: Disponibilità limitata Influenza della stagionalità per i serbatoi superficiali Difficoltà autorizzative (soprattutto per i pozzi) Sorgenti di energia gratis ACQUA COSTO INTERMEDIO RENDIMENTI MEDIO - ELEVATI PROBLEMI AUTORIZZATIVI Q 1 = 5 kw t COP = 3,5 L = Q 1 /COP = 5/3,5 = 1,4 kw e Q 2 = 3,6 kw t (72% energia rinnovabile)

6 Il terreno è il migliore serbatoio naturale di energia termica, in quanto, già a metri di profondità non risente delle variazioni stagionali. Lo sfruttamento della risorsa avviene tramite circuiti chiusi, verticali o orizzontali Vantaggi: Disponibilità illimitata Notevoli efficienze Minimi impatti termici Zero impatto visivo Svantaggi: Costo elevato di installazione dei geoscambiatori TERRA Sorgenti di energia gratis COSTO ELEVATO RENDIMENTI ELEVATI MINIMO IMPATTO AMBIENTALE Q 1 = 5 kw t COP = 4,5 L = Q 1 /COP = 5/5 = 1,1 kw e Q 2 = 3,9 kw t (78% energia rinnovabile)

7 I geoscambiatori sono circuiti chiusi inseriti nel terreno in quantità e profondità dipendenti dalle proprietà termiche dei terreni e dalle richieste di energia termica dell edificio e quindi della pompa di calore. All interno del circuito chiuso circola il fluido termovettore esterno, che si riscalda nel percorso, cede il proprio calore all evaporatore, e quindi riprende il ciclo. Maggiore è la differenza di temperatura generata, maggiore è l energia termica ceduta. Sala Santa Caterina via Romanello 2 Forli 5 marzo 2010 Differenti tipologie di geoscambiatori SONDE VERTICALI Richiesta di poco spazio Massimo prelievo/immissione di calore nel terreno COLLETTORI ORIZZONTALI Richiesta di ampio spazio Limitata influenza della variabilità stagionale PALI ENERGETICI Ipotizzabile con fondazioni profonde Progettazione termica/strutturale

8 Una sonda geotermica verticale consiste di un circuito chiuso, composto da uno o più tubi ad U, del diametro variabile tra 32 e 40 mm. Tale circuito, in polietilene o polietilene reticolato, viene inserito nel terreno a seguito di una perforazione, riempita di malta bentonitica, di profondità variabile a seconda dei criteri progettuali. All interno della sonda scorre il fluido termovettore. Sala Santa Caterina via Romanello 2 Forli 5 marzo 2010 Sonda geotermica verticale: meccanismi di scambio termico Convezione tra terreno e scambiatore Avvezione dovuta al flusso dell acqua di falda nel terreno Convezione all interno del collettore Irraggiamento negli strati superficiali

9 Un campo sonde geotermiche comprende una zona di territorio interessata da un numero definito di sonde geotermiche verticali, in quantità tale da soddisfare i fabbisogni termici richiesti dalla pompa di calore. Il numero, la geometria e la tipologia delle sonde verticali sono definite di volta in volta sulla base delle potenze richieste e delle caratteristiche idrogeologiche dei terreni Sala Santa Caterina via Romanello 2 Forli 5 marzo 2010 Un campo sonde geotermiche: una definizione Pompa di calore Progetto di campo sonde geotermiche, Scanzorosciate (BG) (fonte: Geo-Net s.r.l.) SGV

10 La perforazione, di diametro compreso tra 127 e 152 mm, ricorda quella per pozzi per acqua e le diverse tecniche si adattano al tipo di terreno incontrato. In linea generale, per terreni duri si predilige la rotopercussione ad aria, con rivestimento in acciaio, e per terreni sciolti si opta per la rotazione con ricircolo di acqua. L iniezione della malta bentonitica avviene dal basso per occludere i vuoti. Sala Santa Caterina via Romanello 2 Forli 5 marzo 2010 Punta U-bend Contrap -peso Sonda geotermica verticale: installazione nel terreno (fonte: Geo-Net s.r.l.)

11 Il monitoraggio degli impianti è di fondamentale importanza, sia in fase di collaudo, per la conferma delle ipotesi di progetto, sia sul lungo periodo per la verifica del mantenimento dell efficienza iniziale. All aumentare della potenza della pompa di calore, e quindi dell energia estratta dal sottosuolo, aumenta infatti il rischio di modifica termica dello stesso. Sonde di temperatura nel circuito idraulico e all interno dei pozzi Flussimetri per il controllo di portate e pressioni Contatori elettrici per la verifica dei consumi Il monitoraggio degli impianti (fonte: B.R.T. di Berti Francesco)

12 STEP 1: analisi geologica preliminare e progetto campo sonde per capannone industriale con simulazioni termiche Un iter progettuale: Campo sonde Urbino STEP 2: realizzazione SGV di prova, rilevazione stratigrafia e prelievo campioni di roccia STEP 3: Preparazione materiale dalle carote, analisi termiche di laboratorio sui provini Materiale Bisciaro Marne calcaree Conducibilità termica (provino secco) 1.3 W/mK 0.67 W/mK (fonte: Gulini Termoidraulica s.r.l.)

13 STEP 4: test di risposta termica per la verifica delle ipotesi progettuali Un iter progettuale: Campo sonde Urbino (segue) STEP 5: Affinamento della progettazione con i dati termici ricavati da indagini di laboratorio e desunti dal test STEP 6: realizzazione campo sonde con sistema di monitoraggio integrato (fonte: Geo-Net s.r.l.) Risultati test Conducibilità termica 1.96 W/mK Resistenza termica K/(W/m) Temperatura del sottosuolo 15.5 C

14 Le pompe di calore geotermiche sono sistemi di climatizzazione a ridotto impatto ambientale, in quanto: Non avviene alcun processo di combustione, quindi non si hanno emissioni in loco Sfruttano un 60-70% di energia rinnovabile, l energia dal terreno Essendo reversibili, con un unico impianto si soddisfano le esigenze di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria I vantaggi ambientali ed energetici Abbattimento delle emissioni (CO 2, NO X, Pm10): In loco: zero emissioni Globali: Abbattimento 60-70% se con alimentazione da rete zero emissioni se con alimentazione da impianto fotovoltaico (es. 2-3 kw) Riduzione del 50% delle TEP consumate Riduzione della dipendenza da importazioni estere

15 L investimento per la realizzazione di un impianto geotermico è sicuramente impegnativo, e superiore all investimento necessario per un sistema tradizionale. Il maggior investimento si ripaga grazie ai ridotti consumi dell impianto negli anni. Il pay-back period è in genere di 7-10 anni, cifra che può essere ridotta se si usufruiscono dei diversi incentivi attualmente presenti I vantaggi economici Pompa di calore Caldaia + refrigeratore Differenza Investimento Costo annuale Con sgravio fiscale 55% sulle ristrutturazioni

16 Attualmente a livello europeo non esiste una normativa tecnica sulle modalità di progettazione dei campi sonde geotermiche., mentre esistono standard e direttive sull impiantistica interna e l installazione delle pompe di calore. Alcuni stati, dove i sistemi geotermici si sono affermati da più tempo, hanno emanato proprie normative per la progettazione ed installazione delle sonde Il quadro normativo internazionale ISO /2 (2001): Water source heat pumps testing and rating for performance CEN (2007): Heating systems in building: design of heat pump heating systems Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources AWP T1-5 (Svizzera): Heat pump heating systems with borehole heat exchangers, ground collectors, groundwater VDI 4640 (Germania): Thermal use of the underground

17 In ambito nazionale è in corso di definizione una normativa standard di riferimento per l esecuzione delle perforazioni e la progettazione del sistema. E recentissima la legge 99/2009, in cui all interno dell articolo 27 (misure per la sicurezza e il potenziamento del settore energetico) vengono evidenziate la procedura di D.I.A: per sonde geotermiche verticali e l intenzione di adottare una normativa nazionale sulle procedure di autorizzazione. Il quadro normativo italiano Legge 99/2009: Disposizioni sullo sviluppo e l internazionalizzazione delle imprese, nonché in materia di energia UNI EN (2008): Progettazione degli impianti di riscaldamento a pompa di calore Legge 464/84: Norme per agevolare l acquisizione ( ) di elementi di conoscenza relativi alla struttura geologica e geofisica del sottosuolo nazionale

18 Non essendo presente una regolamentazione statale, le varie amministrazioni pubbliche hanno adottato proprie procedure, che spaziano da sistemi di verifica (Pr. di Milano), a comunicazioni di inizio scavo (Pr. di Bologna). In tutti i casi, alla documentazione è richiesto di allegare il progetto del campo sonde. Sono attualmente in corso procedure di omogeneizzazione a livello regionale (Lombardia, modifica all art. 10 della L.R. 24/2006) Il quadro normativo locale e le iniziative regionali

19 A livello nazionale, è tutt ora in vigore quanto emanato dalla Legge Finanziaria 2008, e cioè la detrazione del 55% per impianti geotermici a bassa entalpia; sono previsti inoltre incentivi finanziari per reti di teleriscaldamento alimentate ad energia geotermica. In ambito regionale, in Emilia Romagna è in vigore l obbligo del 50% dell ACS da fonte rinnovabile per le nuove costruzioni. I sistemi di incentivazione attuali Legge 24 dicembre 2007, n. 244 (legge finanziaria 2008): Disposizioni per la formazione del bilancio annuale e pluriennale dello Stato Delibera di giunta regionale 156/2008: approvazione atto di indirizzo e coordinamento sui requisiti di rendimento energetico e sulle procedure di certificazione energetica degli edifici Delibera 348/2007 dell Autorità per l energia elettrica e il gas: Condizioni economiche per l erogazione del servizio di connessione

20 GRAZIE PER L ATTENZIONE