La geotermia infatti è una delle possibili risorse, forse la più interessante, per garantire uno sviluppo sostenibile in quanto rappresenta una

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1 1. INTRODUZIONE La nostra società si trova ad affrontare due sfide fondamentali: da una parte, reperire ed assicurare le risorse energetiche per sostenere la crescita e lo sviluppo economico dei Paesi sviluppati e di quelli in via di sviluppo e, dall altra, frenare i processi di mutamento climatico generati dall attività umana garantendo la protezione dell ambiente e degli stessi esseri umani. Per trovare un equilibrio fra queste due esigenze, le singole Nazioni sono obbligate a realizzare una transizione verso un nuovo sistema energetico per uno sviluppo più sostenibile e obbligate ad un approccio all uso dell energia più razionale e che eviti gli sprechi. Sono stati infatti individuati cinque settori attraverso i quali conseguire i risparmi energetici: un azione sui trasporti, l introduzione di requisiti minimi nelle apparecchiature energetiche, la sensibilizzazione verso comportamenti virtuosi in tema di consumi, un maggiore ricorso a tecnologia ed innovazione e una maggiore attenzione all efficienza nell edilizia. Rispetto a quest ultimo settore, l aumento della domanda di energia riguarda soprattutto i settori residenziale e terziario ed è causato essenzialmente da fattori climatici e dalla richiesta di standard più elevati di confort ambientale. In particolare, tali consumi sono aumentati in maniera sostenuta con un incremento sia dei consumi di combustibili per il riscaldamento degli ambienti sia dei consumi elettrici per la climatizzazione estiva. Per ottenere sensibili ma importanti riduzioni del fabbisogno energetico, e quindi dei consumi, negli ultimi anni si è iniziato ad aumentare in maniera consistente il valore della resistenza termica di tutti i componenti strutturali e di tamponamento degli edifici, da quelli opachi come le pareti perimetrali, il tetto e i solai a terra, a quelli trasparenti come i vetri basso emissivi. Tuttavia questi risparmi risulterebbero quasi del tutto inutili se non venissero combinati con sistemi energetici più efficienti. La diminuzione del consumo permette quindi di investire il capitale risparmiato in sistemi che utilizzano fonti ad energia rinnovabile ma che necessitano di un rilevante investimento iniziale. Le soluzioni più diffuse sono il fotovoltaico e,nel campo del riscaldamento e raffreddamento dei locali, il ricorso al solare termico e ai sistemi radianti a pavimento/parete/soffitto abbinati ad una pompa di calore con sonde geotermiche. 1

2 La geotermia infatti è una delle possibili risorse, forse la più interessante, per garantire uno sviluppo sostenibile in quanto rappresenta una energia alternativa, pulita, gratuita, rinnovabile e disponibile ovunque. I motivi che inducono ad uno sfruttamento razionale della geotermia sono dunque parecchi; a questi si deve inoltre aggiungere il fatto che gli attuali sistemi di riscaldamento e di raffrescamento geotermici costituiscono l opzione tecnologica che massimizza il rapporto investimento/costi di gestione. L'energia geotermica è a tutti gli effetti ritenuta un'energia rinnovabile e pulita. Essa rispetta quindi le necessità di uno sviluppo sostenibile essendo in grado di soddisfare le esigenze delle generazioni odierne senza compromettere il futuro di quelle che seguiranno. Risulta pertanto interessante analizzare queste tecnologie e valutarne effettive potenzialità e limiti. Obiettivo del presente lavoro è quindi analizzare un impianto geotermico, dal punto di vista tecnico e della fattibilità, in un Paese come l Italia che presenta una realtà climatica particolarmente adatta a questa soluzione tecnologica. In particolare, nel caso in esame, ci si è occupati di un impianto con pompa di calore a sonde geotermiche verticali e si è calcolato, una volta note le caratteristiche geometriche, le proprietà termofisiche del terreno e le condizioni climatiche, il numero e la lunghezza delle sonde necessarie alla pompa di calore, dimensionata secondo la condizione di picco del carico termico richiesto dell edificio in esame. 2

3 2. CENNI SULLA GEOTERMIA Il termine geotermia indica una serie di tecnologie che hanno in comune lo sfruttamento del sottosuolo e delle sue risorse per fini energetici. L espressione energia geotermica è generalmente impiegata, nell uso comune, per indicare quella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo e sfruttata dall uomo. In passato i vulcani, le sorgenti termali, le fumarole ed altri fenomeni superficiali di questo genere hanno certamente fatto immaginare ai nostri progenitori che alcune parti dell interno della Terra sono calde. Soltanto tra il sedicesimo ed il diciassettesimo secolo, tuttavia, quando furono scavate le prime miniere profonde qualche centinaio di metri, ci si rese conto, da semplici sensazioni fisiche, che la temperatura del sottosuolo aumenta con la profondità. Inizialmente, verso la metà del 700, furono eseguite solo semplici misurazioni con termometri, ma già dal 1870 il regime termico della terra è stato studiato con metodi scientifici moderni. Soltanto nel ventesimo secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal calore radiogenico, è stato possibile comprendere pienamente fenomeni come il bilancio termico della Terra e ricostruire la storia termica del nostro pianeta. Tutti i moderni modelli termici della Terra, infatti, devono tener conto del calore prodotto in continuazione dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell uranio (U 238, U 235 ), del torio (Th 232 ) e del potassio (K 40 ), presenti nell interno del globo terrestre. Altre fonti di calore si aggiungono in proporzioni non esattamente definite a quella radiogenica, come il calore primordiale del pianeta. Comunque, teorie e modelli termici realistici non sono stati disponibili sino agli anni 80, quando è stato dimostrato che il nostro pianeta si sta lentamente raffreddando dal momento che non c è equilibrio tra il calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nell interno della Terra ed il calore disperso dalla sua superficie verso lo spazio. Per dare un idea della grandezza dei fenomeni di cui si parla, si può fare riferimento al Bilancio termico di Stacey e Loper (1988), nel quale il flusso di calore totale dalla superficie terrestre è valutato 42x10 12 W (considerando conduzione, convezione e radiazione). Di questa grandezza, 8x10 12 W provengono dalla crosta terrestre, che rappresenta soltanto il 2% del volume totale della Terra, ma è ricca di isotopi radioattivi, 3

4 32,3x10 12 W derivano dal mantello, che è l 82% del volume totale della Terra, e 1,7x10 12 W provengono dal nucleo, che costituisce il 16% del volume totale del pianeta e non contiene isotopi radioattivi (schema in Figura 1). Poiché il calore radiogenico del mantello è stimato in 22x10 12 W, il flusso netto di questa parte della Terra è 10,3x10 12 W. Il raffreddamento del pianeta, comunque, è molto lento. La temperatura del mantello (Figura 1) è scesa, al più, di C in tre miliardi di anni e, alla sua base, è di circa 4000 C. È stato stimato che il calore totale contenuto nella Terra, assumendo una temperatura superficiale media di 15 C, sia dell ordine di 12,6x10 24 MJ e che quello contenuto nella crosta sia dell ordine di 5,4 x MJ. Figura 1 Schema della struttura interna della Terra: crosta, mantello e nucleo. La differenza di temperatura tra le zone profonde, più calde, e quelle superficiali, più fredde, dà origine ad un flusso di calore dall interno verso l esterno della Terra. Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 W per metro quadrato nelle superfici continentali e di 0,101 W per metro quadro in quelle oceaniche. In senso stretto quando si parla di geotermia, ci si riferisce a sottosuoli caldi ovvero situazioni in cui la temperatura del suolo è superiore ai 40 C. Si è visto che l origine di questo calore è in relazione con la natura interna del nostro pianeta e con i processi fisici che in esso hanno luogo. Tale calore è dunque presente in quantità enorme, praticamente inesauribile, e soltanto una parte di esso può essere sfruttata. 4

5 Le applicazioni termiche per lo sfruttamento di questi fenomeni naturali sono innumerevoli. Dalle più antiche in cui i fluidi caldi venivano e vengono tuttora utilizzati per fini termali, ai moderni impianti di teleriscaldamento cittadini, ad applicazioni in serricolture, pescicolture, o usi industriali. Tuttavia le applicazioni più interessanti e tecnologicamente sviluppate sono la produzione di energia elettrica, il teleriscaldamento e la geotermia a bassa entalpia La produzione di energia elettrica Le tecnologie utilizzate in questo campo sono diverse; dipendono sostanzialmente dalla profondità d esercizio del sistema e dalla quantità di calore estraibile dal terreno. Le prime centrali geotermiche (Larderello, Toscana, 1904) vengono definite a vapore dominante : si sfrutta la pressione esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi sotterranei per azionare una turbina Rankine accoppiata ad un generatore. L'enorme pressione del sottosuolo spinge i vapori degli acquiferi fino a un'altezza che varia dai 20 ai 70 metri. Questi soffioni di vapore vengono incanalati per alimentare direttamente turbine per la produzione di energia elettrica. Nel caso in cui un acquifero sottoposto a pressioni e temperature elevate, produca acqua calda e non vapore, si parla di acquifero "ad acqua dominante". Tali acquiferi vengono sfruttati per alimentare centrali elettriche così dette a flash o a separazione. In queste centrali, l'acqua, la cui temperatura varia da circa 200 C a 350 C, arriva in superficie tramite dei pozzi e, poiché passa rapidamente dalle elevatissime pressioni del sottosuolo alla pressione atmosferica, genera una quota di vapore, utilizzato direttamente in centrale, e una quota di liquido che è reiniettato in profondità. Per serbatoi di acqua sotterranea che producono acqua a temperature più moderate (tra i 110 C e i 200 C), si utilizza una tecnologia detta "ciclo binario". In questi sistemi il fluido caldo viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un secondo fluido, con temperatura di evaporazione inferiore a 100 C. Il fluido secondario si espande in turbina, condensa e viene riavviato allo scambiatore in un circuito chiuso, senza scambi con l'esterno. L'acqua calda, dopo aver attraversato lo scambiatore di calore, torna al pozzo di restituzione per essere reimmessa nell'acquifero. 5

6 Per la massimizzazione della resa energetica degli acquiferi è preferibile il sistema che prevede la reimmissione dei liquidi nel serbatoio geotermico una volta sfruttato il loro potere calorifico. Ecco così che nasce una tecnologia definita HDR (Hard Dry Rock). Dopo aver effettuato una prima perforazione a grande profondità si crea un serbatoio geotermico sotterraneo, allargando idraulicamente i sistemi di fratture naturali. Nel serbatoio geotermico così creato, l'acqua si riscalda per poi salire in superficie tramite una o più perforazioni di produzione. Uno scambiatore di calore trasferisce l'energia ad un secondo circuito alimentante un turbogeneratore per produrre elettricità. Gran parte del calore residuo, può essere iniettato in una rete di riscaldamento a distanza come utilizzo secondario. Un pozzo d'iniezione completa il circuito chiuso e restituisce l'acqua raffreddata al serbatoio Il teleriscaldamento Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura ( C). Consiste nell'utilizzare acqua calda che sgorga direttamente dal sottosuolo per scaldare, tramite opportuni scambiatori di calore, l'acqua circolante nei terminali (radiatori, ventilconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. Il maggiore impianto di teleriscaldamento funzionante in Italia si trova a Ferrara La bassa entalpia Non tutti i sottosuoli presentano caratteristiche tali da poter essere sfruttati per mezzo delle tecnologie precedentemente menzionate. Nella maggioranza dei casi il sottosuolo ha una temperatura pressoché costante che in Italia oscilla fra i 12 C ed 14 C, escludendo quelle zone interessate da situazioni riconducibili a fenomeni di anomalie idrogeologiche. In generale, questa temperatura si mantiene costante a partire da 10 metri fino a 100 metri di profondità. Fino a 10 metri di profondità il terreno invece risente delle escursioni termiche giorno/notte ed estate/inverno e la sua temperatura varia come mostrato in Figura 2. 6