CGT Centro di GeoTecnologie Università degli Studi di Siena Università degli Studi di Siena Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Centro di GeoTecnologie San Giovanni Valdarno 19 Dicembre 2008 L importanza dei parametri geologici per l ottimizzazione di sonde geotermiche applicate a pompe di calore: stime teoriche e casi di studio in Regione Toscana Relatore: Dott. Fabio Mantovani Correlatore: Dott. Tommaso Colonna Tesi di Laurea Specialistica di Alfia Pasquini
Sommario Problema energetico Geotermia e pompe di calore: alcune precisazioni Principi di funzionamento delle pompe di calore geotermiche Descrizione degli impianti Il contributo della geologia per l ottimizzazione delle sonde geotermiche Normativa Europea e Nazionale Schema di istanza di autorizzazione di impianto pompa di calore geotermica in Regione Toscana con i relativi miglioramenti Gli impianti operativi in Regione Toscana Toscana vs Svizzera Conclusioni e prospettive a
Problema energetico Il prezzo del barile di petrolio negli ultimi anni è aumentato, si è passati da ~ 17$ al barile del 1995 ai 147$ del luglio 2008.
La risorsa geotermica ed il suo sfruttamento L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore. Si sfrutta il GRADIENTE TERMICO terrestre; esso è mediamente: ΔT( z) C 0.03 Δz m Sulla base di questo dato si può realizzare una classificazione della risorsa*, in funzione della variazione della temperatura ΔT: geotermia adalta entalpia ΔT > 150 C geotermia amedia entalpia 90 < ΔT < 150 C geotermia abassa entalpia 20 < ΔT < 90 C * Muffler and Cataldi (1978)
La risorsa geotermica: sfruttamento del gradiente termico La risorsa geotermica che sfrutta il gradiente termico può essere impiegata per diversi scopi: Impiego Temperatura [ C] Risorsa geotermica Centrale elettrica T > 100 media - alta entalpia Terme e piscine T > 30 bassa entalpia Riscaldamento mediante pannelli radianti T > 35 bassa entalpia Processi alimentari T > 40 bassa entalpia Acqua calda per uso domestico T > 40 Diagramma di Lindal bassa entalpia Riscaldamento serre T > 35 bassa entalpia Allevamento animali T > 30 bassa entalpia Acquacoltura T > 20 bassa entalpia
Le pompe di calore geotermiche Le pompe di calore geotermiche non sfruttano direttamente il gradiente di temperatura. Sfruttano la caratteristica del terreno di avere una massa di grande capacità termica e di mantenere una temperatura quasi costante per tutto l'anno. 30 25 T (z,t) 20 15 10 5 0 00 30 30 30 60 60 60 90 90 90 120 120 120 150 150 150 Giorni Giorni Aria Aria Aria Suolo (z=3m) Suolo (z=3m) T benessere Suolo (z=12m) T benessere T benessere 180 180 180 210 210 210 240 240 240 270 270 270 300 300 300 330 330 330 360 360 360
Prestazioni energetiche di una pompa di calore La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione "COP, dato dal rapporto tra energia resa ed energia consumata. 30 COP = T 2 T2 T 1 Temperatura C 20 10 0 0 30 ΔT ΔT 60 90 120 Aria Tempo (giorni) -0.5 m -1.5 m -3.5 m 150 180 210 240 270 300 330 360 T 1 = T della sorgente con cui si scambia calore T 2 = T acqua nell impianto in casa T acqua C.O.P. 15 C +++ 12 C ++ 9 C +
Alla ricerca di un buon scambiatore di calore Parità di consumo energetico ~ 1kW T 1 C.O.P. Guadagno Suolo > 4 Aria < 3 30 25 Aria T (z,t) 20 15 10 5 0 Suolo 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Giorni
Principi di funzionamento di una pompa di calore geotermica 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, utilizzando energia elettrica. Q casa = casa = Q fluido + L pompa Temperatura della casa Temperatura fluido termovettore La pompa di calore non è una fonte di energia, bensì una forma di risparmio energetico.
Closed loop Gli impianti Open loop Sonde geotermiche orizzontali Sonde geotermiche verticali Impianti a circuito aperto Le Profondità Necessità sonde geotermiche di di un posa punto da 1 sono di a 2 degli memungimento scambiatori delle di calore acque di verticali falda e di con un lunghezze punto di tipiche La piantumazione è da reimmissione 50 a oltre 200 m sconsigliata soprattutto per Diametro Distanza tra di perforazione il pozzo di alberi a radici profonde 130 emungimento 150 mm. e di reimmissione: Distanza minima > 10-15 tra di 50-80 due m in perforazioni cm direzione tra le tubazioni del 8 flusso 10 m. di falda
Quale contributo può dare la geologia nel migliorare le performance di una sonda geotermica per l impianto di una pompa di calore?
Studio della conducibilità termica del terreno Lo scambio termico sondaterreno è fondamentale. La conduzione del calore in un mezzo omogeneo ed isotropo lungo una direzione (z): Φ Q W = K T z 2 app m La conducibilità termica Κ app dipende da: porosità umidità relativa densità Basta S., Minchio F., 2008 Roccia Rocce magmatiche Graniti Gabbri Basalti Porfidi Ossidiane Pomici Rocce sedimentarie Calcari Arenarie Travertini Gessi Ghiaia asciutta Ghiaia bagnata Sabbia asciutta Sabbia bagnata Limi e argille asciutti Limi e argille bagnate Rocce metamorfiche Gneiss Marmo Ardesia Conducibilità termica media λ [W / K m] 3.5 1.8 1.7 1.9 1.3 0.4 2.8 2.2 2.4 2.5 0.4 1.6 0.5 2.3 0.6 1.8 2.9 2.2 2.4 Resa [W / m] 80-90 40-50 40-50 40-50 30-40 20-30 60-70 50-60 50-60 50-60 20-40 40-50 30-50 50-60 30-50 40-50 60-70 50-60 50-60
Non tutti i siti hanno la stessa resa termica: carta preliminare delle rese termiche su base litologica
Il profilo di temperatura del terreno Durante l anno la temperatura media del terreno al variare della profondità z può essere descritta dalla relazione: T media del terreno A 1 z T( z,t) = T + sin t π ω + ϕ 2 z d 365D T e Moto armonico dell onda Ampiezza della 365D T variazione d = annua π della T d = damping depth Temperatura [ C] 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 z = 0 m z = 2 m z = 5 m z = 10 m Litologia Diff. T. [m 2 /d] 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 Argilla 0.06 Giorni Sabbia 0.79 Arenaria 1.03
Temperatura ( C) 35 30 25 20 15 10 5 0 Temperatura [ C] Gennaio Il profilo di temperatura del terreno <T> Firenze Febbraio 16.0 14.0 Marzo 12.0 T media Considerando 3 litologie T minima diverse. T max Aprile Maggio Z=10 m Giugno Luglio Agosto Mesi (anno 2007) Settembre Ottobre Novembre 10.0 Argille 25.0 25.0 25.0 Sabbie 8.0 20.0 20.0 Arenarie 20.0 Supponendo 6.0 che a 15.0 15.0 0 50 100 150 200 250 300 350 Firenze ci fossero 10.0 10.0 Giorni solo arenarie. 5.0 5.0 Temperatura [ C] [ C] Temperatura [ C] Dicembre T di Firenze dell anno 2007 z z = = 00 mm z = z = 0 m 2 m z = 2 m z = 5 m z = z = 5 10 m m 0.0 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 250 300 300 350 350 Giorni Argilla: ΔT ~ 2 C Sabbia e Arenaria: ΔT ~ 5 C
Stabilità termica del suolo La stabilità termica dipende dal contenuto in umidità. Sotto una soglia critica, ad un piccola variazione di umidità corrisponde una grande variazione di resistività termica: Resistività termica [m K / W] Il suolo diventa isolante: non scambia più calore! ρ density, w, Φ ( ) mod. di Kersten mod. di De Vries mod. Walsh e Decker Tipo di terreno Umidità critica[%] Argilla 16 22 Limo 12 16 Ghiaia < 12 % c
Stress termico in prossimità della sonda Sonda SUSTAINABILITY ASPECTS OF GEOTHERMAL HEAT PUMPS L. Rybach and W. J. Eugster - Twenty-SeventhWorkshop on Geothermal Reservoir Engineering - Stanford University, Stanford, California, 2002
Normativa Europea e Nazionale Europa Svizzera Germania Italia Regionale Provinciale Toscana Lombardia Bergamo Bolzano Bologna
Schema di istanza di autorizzazione impianto pompa di calore - sonda geotermica Regione Toscana
Schema di istanza di autorizzazione impianto pompa di calore - sonda geotermica Regione Toscana Dall analisi delle schede forniteci dalla Regione Toscana è emerso che: - Gli allegati non sono sempre presenti; - Non esiste uno standard da seguire per la compilazione degli allegati: le informazioni contenute sono diverse a seconda dell azienda che se ne occupa; - Le relazioni geologiche non descrivono la geologia della zona interessata all installazione degli impianti ma, bensì la geologia a livello quasi regionale
Proposta di miglioramento della scheda di istanza di autorizzazione
Le sonde geotermiche in Toscana* 36 impianti dichiarati : 14 sonde orizzontali 21 sonde verticali 1 open loop Potenza media di riscaldamento: ~ 35 kw (per impianto) [~ 1.1 MW tot] Potenza media di raffreddamento: ~ 25 kw (per impianto) [~ 0.9 MW tot] Circa 80% degli impianti prevedono rinfrescamento * Fonte: Regione Toscana Dati giugno 2008
Numero di impianti per potenza installata in Regione Toscana Potenza Potenza installata installata (kw) (kw) 90 80 200 70 175 60 150 50 125 40 100 30 2075 1050 025 0 <P ris > = 42 kw <P ris > = 23 kw 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Impianti a sonde verticali Potenza riscaldamento (KW) Potenza Potenza riscaldamento raffreddamento (KW) (KW) Potenza raffreddamento (KW) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Impianti a sonde orizzontali Sonde orizzontali verticali 40 7 sonde prof. lungh. 100 tot. m700 m Pot. Pot. Riscald. 190 80 kw kw Pot. Pot. Raffred. 125 70 kw kw Realizzazione Piano di recupero di un edificio un complesso industriale edilizio in zona Ex S. convento Agostino nel e scuole delle suore comune Stimmatine di Pistoiaa Figline Valdarno
Toscana vs Svizzera!!! Sup. Svizzera ~ 2 * Sup. Toscana 100000 10000 16000 ca. ~ 50 % ristrutturazioni Svizzera ~ 50 % nuove costruzioni Regione Toscana Numero impianti 1000 100 15 213 Scala Logaritmica!!! 43 10 5 1 <20kW 50-100 kw 100-300 kw Pontenza degli impianti (kw) 1
Conclusioni e prospettive Il profilo delle temperature del suolo, influenzato dalla diffusività termica, condiziona il funzionamento delle sonde orizzontali caratterizzazione geopedologica a scopi geotermici lo studio della conducibilità termica è un parametro che varia da roccia a roccia rendendo le litologie più o meno adatte allo scambio di calore cartografia delle rese termiche al variare del contenuto di umidità, superato il punto critico, un suolo, che si ritiene un buon conduttore, può diventare improvvisamente un isolante impendendo lo scambio di calore prove di laboratorio ed in situ Le schede di autorizzazione giunte in Regione Toscana rivelano eterogeneità di report geologici: si è cercato di creare una scheda standard opportunamente tarata sulle esigenze di questi impianti verso una normativa nazionale
Grazie per l attenzione