prepresidente Alessandro Bozzoli e Marco Cozzini UNITÀ DI RICERCA FBK - REET REET - 1 -

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1 prepresidente Alessandro Bozzoli e Marco Cozzini UNITÀ DI RICERCA FBK - REET REET - 1 -

2 Tematiche di Ricerca nel Settore Energia FBK opera nel campo della Ricerca sulle Tecnologie a Fonte Rinnovabile in una serie di settori tramite alcune unità di ricerca tra cui, per specializzazione specifica, opera l unità REET (Renewable Energies & Environmental Technologies). REET è attiva nei settori presentati a fianco. La ricerca sulle Energie Rinnovabili in FBK l unità REET Solare Termico e Termodinamico (CSP, motori Stirling) Solare CPV Raffrescamento Solare Accumulo Termico Biomasse Geotermia (a bassa e media Entalpia) Accumulo Elettrico (Fuel Cells) Interazioni BIO - Elettromagnetiche Resource Assessment (Smart Building e Smart Grid) REET - 2 -

3 E lo sfruttamento del calore del sottosuolo, Cos è la Geotermia? parte immagazzinato dall energia solare parte proveniente dall interno della Terra. REET - 3 -

4 Origine del calore Parte della sorgente di calore proviene dal sottosuolo, dal mantello terrestre. Se questo viene catturato a grande profondità si parla di Geotermia ad ALTA ENTALPIA, a minore profondità si parla di Geotermia a BASSA ENTALPIA. Parte del calore proviene quindi dalla radiazione solare. Circa il 46% dell energia solare viene assorbita dalla terra. REET - 4 -

5 profondità, m REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Caratteristiche (1) costanza stagionale della fonte di calore La temperatura a metri di profondità o nelle acque sotterranee non viene alterata dalla stagionalità, ma si mantiene costante con un gradiente positivo verso l interno, in ogni luogo del pianeta. La temperatura alla superficie terrestre varia stagionalmente. temperatura terreno, C REET - 5 -

6 Caratteristiche (2) costante disponibilità Inverno Estate Idrica Solare Eolica L energia Geotermica è disponibile 24 ore al giorno 365 giorni all anno. L energia Geotermica è priva di emissioni di CO 2 Geotermica Bedarf = richiesta energetica REET - 6 -

7 Caratteristiche (3) aumento della temperatura con la profondità Con l aumento della profondità la temperatura della terra aumenta. Vi è un gradiente variabile in funzione del potenziale geotermico del terreno, pari mediamente a 3 C ogni 100 metri di profondità. La mappatura del potenziale geotermico permette di ottenere la misura di tale gradiente puntualmente e in maniera precisa REET - 7 -

8 LA POMPA di CALORE è in GRADO di SFRUTTARE TALE GRADIENTE 1 kwh di energia elettrica Lo scambio di calore avviene mediante sonde geotermiche: tubi in polietilene infissi nel sottosuolo attraversati da un fluido vettore. REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Geotermia a bassa entalpia e pompa di calore (1) Il fluido, una volta riscaldato/raffreddato e ritornato in superficie, non è in grado di riscaldare/raffreddare sufficientemente l ambiente interno. È necessaria una pompa di calore. POMPA DI CALORE T1 SORGENTE DI CALORE p.e. sottosuolo T2 3-4 kwh di calore 2-3 kwh di calore gratuito REET - 8 -

9 Tipologie di sonde geotermiche Sonde verticali Costi maggiori Poco spazio necessario Elevata efficenza Sonde orizzontali Maggior spazio Meno costoso Piccoli edifici Temp. variabili Acque di superficie Prelievo e reiniezione Molto economico Normativa Inquinamento REET - 9 -

10 Sonde Geotermiche Verticali REET

11 È di fondamentale importanza determinare lo stato del sottosuolo, in particolare è rilevante conoscere: le caratteristiche del sottosuolo, alle profondità ritenute tecnicamente utili; le condizioni di falda acquatica: presenza ed eventuale distribuzione; la distribuzione spaziale ed eventualmente temporale della conducibilità idraulica; modalità dei moti di filtrazione; Fattore fondamentale: il sottosuolo (1) La mappatura la distribuzione spaziale ed eventualmente temporale della conducibilità termica del terreno; la distribuzione spaziale ed eventualmente temporale della capacità termica del terreno. REET

12 Fattore fondamentale: il sottosuolo(4) Influenza del sottosuolo sulle SGV TIPO DI TERRENO POTENZA SPECIFICA ESTRAIBILE SUOLO SABBIOSO ASCIUTTO TERRENO ROCCIOSO TERRENO SABBIOSO SATURO Esempio: edificio di 120 m kw fabbisogno riscaldamento 5.0 kw fabbisogno raffrescamento 100 m lunghezza totale della sonda geotermica REET

13 La carta geotermica è un integrazione delle informazioni utili per la pianificazione di un impianto geotermico. REET - Renewable Energies and Environmental Technologies La mappatura del sottosuolo (1) La carta geotermica I parametri termofisici misurati di alcune litologie, mediante response test danno un indicazione sul comportamento di estrazione dell energia termica. REET

14 La mappatura del sottosuolo (2) Test di risposta termica locale REET

15 La mappatura del sottosuolo (3) Vantaggi delle carte geotermiche Strumenti cartografici digitali, flessibili e di rapida consultazione Strumento di pianificazione territoriale Assegnazione del valore commerciale aggiunto al territorio REET

16 La mappatura del sottosuolo (4) Esempio di mappa interattiva REET

17 Il Progetto il sistema di monitoraggio Schema funzionale OBIETTIVO Realizzazione di un impianto geotermico fornito di un sistema completo di monitoraggio e controllo delle prestazioni L impianto è stato installato presso la sede di ITEA a Trento, in via Romano Guardini, 22 REET

18 100 m 2 m 20 m Schema generale di progetto REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Il Progetto il sistema di monitoraggio N 7 sonde geotermiche Profondità circa 140 mt Rendimento del sottosuolo 50 W/m Potenza installata circa 50 kwt Livello terreno 1. Compressore 2. Condensatore 3. Valvola di espansione 4. Evaporatore 5. Pompa di circolazione 6. Sonda verticale 7. Boiler 8. Foro 9. Pompa di calore Foro = 20 cm Impianto di riscaldamento / raffrescamento Tratti orizzontali isolati Circuito della Pompa di calore Circuito dello scambiatore di calore geotermico 11 cm Foro = 11 cm L impianto geotermico è collegato ad un sistema preesistente basato su distribuzione del calore a ventil convettori con temperature di mandata dell ordine di C. REET

19 Posizionamento della sensoristica Utilizzo di una sonda geotermica di profondità. Acquisizione dati in modo continuativo per tre anni. Bilancio energetico accurato sia termico che elettrico. REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Il Progetto il sistema di monitoraggio Distanziatori Sensori Pt100 Grandezze monitorate: temperature delle sonde lungo tutto il tratto verticale; Portate di fluido lato sonde interrate e lato impianto (nell edificio); Temperature dei fluidi (sonde, impianto, interno PdC); Consumi elettrici di pompe, compressore e ventole. REET

20 Monitoraggio presso ITEA SpA Sensoristica per analisi prestazioni Aspetti di Principale Interesse: analisi delle prestazioni energetiche evoluzione della temperatura del terreno nel tempo Sonda campione REET

21 Sistema di Misura Sensori e gestione dati Contatori energia elettrica Misuratori di portata Sensori di temperatura (Pt100) REET

22 Sistema di Misura Sensori e gestione dati Gestione Dati: elettronica di acquisizione dati comunicazione dati per analisi da remoto Chassis e moduli National Instruments LabVIEW REET

23 Analisi Dati Bilanci energetici e termici Inverno/riscaldamento Calcolo del COP: Q risc PdC L PdC inverno/riscaldamento: COP risc = Q risc /L PdC estate/raffrescamento: COP raff = EER = Q raff /L PdC Q geo Estate/raffrescamento Q raffr PdC L PdC Q geo REET

24 T [ C] T [ C] Q v [m 3 /h] REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Analisi Dati Bilanci energetici e termici Analisi dei Cicli Operativi: accensione/spegnimento pompe idrauliche mandata/ritorno PdC, lato sonde e lato impianto calcolo potenze termiche e confronto con potenze elettriche misurate COP risc 2.7 (PdC) COP raffr t [s] Set point: 47.5 C t [s] PG M14 R14 M13 R13 t [s] REET

25 Analisi Dati Bilanci energetici e termici Variazione Temperature: dell ordine di -1 C al termine della prima stagione invernale dell ordine di +0 C al termine della prima stagione estiva (completa rigenerazione termica) Andamento atteso solo riscaldamento Dati in corso di validazione (controlli di funzionalità nei sensori alle maggiori profondità) L. Rybach et al., Geothermics 39, (2010) REET

26 Ringrazio per l attenzione! Alessandro Bozzoli e Marco Cozzini UNITÀ DI RICERCA FBK - REET REET

27 Geotermia a bassa entalpia e pompa di calore (2) La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta. Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene in natura ed è dovuto al fatto che viene fornita energia elettrica alla macchina che "pompa calore". Il principio di funzionamento che sta alla base della pompa di calore è un ciclo termodinamico inverso, analogo a quello che sta alla base di un comune frigorifero. L efficienza di una pompa di calore è rappresentata dal COefficiente di Prestazione, COP, rapporto tra l energia termica resa al corpo da riscaldare e l energia elettrica consumata perché possa avvenire il trasporto di calore medesimo. REET

28 RENDIMENTO DELLE POMPE DI CALORE REET - Renewable Energies and Environmental Technologies Geotermia a bassa entalpia e pompa di calore (3) Il COP di una pompa di calore dipende da diversi fattori. Varia fra valori di 4 a 3 nei casi più svantaggiosi Uno dei più importanti è la temperatura all uscita del condensatore che permette il riscaldamento/raffresca mento degli ambienti indoor. Maggiore la temperatura richiesta dagli impianti domestici e minore è il COP. REET

29 Pompa di calore - principio REET

30 Geotermia e cicli stagionali PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO - RISCALDAMENTO D inverno la temperatura del sottosuolo permette di creare nella pompa di calore un salto termico positivo che favorisce il riscaldamento del fluido termico all uscita della pompa di calore e quindi degli ambienti dove lo stesso viene inviato REET

31 Geotermia e cicli stagionali PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO - RAFFRESCAMENTO D estate la temperatura del sottosuolo permette di ottenere un salto di temperatura negativo che raffredda il fluido all ingresso del condensatore. Questo si raffredda con conseguente abbassamento di temperatura negli ambienti indoor REET

32 Sonde geotermiche orizzontali REET

33 Scambiatori interrati in platea di fondazione REET

34 Specchi d acqua come scambiatori REET

35 Sonde geotermiche verticali REET

36 Possibili temi di SVILUPPO La mappatura del territorio Trentino Analisi del Sottosuolo (*): caratterizzazione del comportamento idrogeologico e termico condizioni di falda mappatura del potenziale geotermico (*) L attività verrà svolta in collaborazione con l Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Geoscienze e la Provincia Autonoma di Trento, Dipartimento Protezione Civile e Tutela del Territorio, Servizio Geologico e l Agenzia Provinciale per l Energia. REET

37 Il Progetto il sistema di monitoraggio Grandezze monitorate: temperature delle sonde lungo tutto il tratto verticale; Portate di fluido lato sonde interrate e lato impianto (nell edificio); Temperature dei fluidi (sonde, impianto, interno PdC); Temperature dell accumulo d acqua; Pressione fluido della PdC; Consumi elettrici di pompe, compressore e ventole. REET