Cosa è la geotermia a bassa entalpia Sistema di climatizzazione con pompa di calore alimentato da sonde verticali installate nel terreno (a profondità fino a 200 metri) che permette di fornire agli edifici mediante un unico impianto - il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda sanitaria, sfruttando l energia presente nel sottosuolo. 2
Cosa è la geotermia a bassa entalpia Negli impianti geotermici avviene un prelievo di calore dal terreno per conduzione, mediante un fluido vettore che circola ad una temperatura minore rispetto al terreno circostante. La quantità di calore prelevato è funzione delle caratteristiche di conducibilità termica del terreno, della superficie totale di scambio, della differenza di temperatura tra fluido e terreno, della portata e della velocità di circolazione del fluido. 3
Di cosa si compone un impianto geotermico Pompa di calore geotermica (cuore della centrale geotermica) Sistemi di prelievo del calore (sonde geotermiche) Connessioni superficiali e collettori per collegare il sistema di prelievo alla centrale geotermica 4
Un sistema a elevata efficienza 5
Un sistema ecocompatibile Divisione per l Energia Elettrica e le Energie Rinnovabili del Canada Non esiste sistema di riscaldamento e condizionamento in grado di ridurre le emissioni di gas serra ed il conseguente impatto sul riscaldamento globale così efficace come le pompe di calore geotermiche. 6
La pompa di calore La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando differenti forme di energia, generalmente elettrica, e sfruttando le proprietà fisiche di un fluido refrigerante applicando il ciclo Kelvin. 7
Ciclo frigorifero q c Liquido 4 CONDENSATORE 3 4 3 T c P 1 2 Liquido + Vapore Vapore 1 T 0 COMPRESSORE EVAPORATORE 2 q 0 lavoro di compressione (utilizzo di energia elettrica) per far passare un fluido dallo stato gassoso al liquido compressione e cambiamento di stato producono calore, che è estratto dal ciclo (condensatore) successivamente il liquido è fatto espandere ed evaporare, sottraendo calore nel cambiamento di stato inverso (evaporatore) 8
Ciclo frigorifero: prestazioni Calore di Condensazione 1 4 2 3 EER P P F A 2 3 3 4 Calore di Evaporazione COP P P T A 4 1 3 4 EER 1 Lavoro di Compressione 9
La pompa di calore: componenti principali Compressore E il cuore della pompa di calore, determinandole in modo significativo l efficienza. Esistono diversi tipologie di compressori, in base al motore utilizzato (sincrono, asincrono) e in base al funzionamento (on-off, modulante tramite inverter). Scambiatori di calore Sono i cosiddetti evaporatore e condensatore. Quando la pompa di calore attua anche il recupero totale è presente un terzo scambiatore. Solitamente vengono utilizzati scambiatori a piastre saldobrasate in acciaio inox austenitico AISI 316 con connessioni in AISI 316L. 11
La pompa di calore: componenti principali Valvola di laminazione elettrica a controllo elettronico Opera con salti di pressione inferiori rispetto ad una valvola meccanica applicazioni geotermia Consente una regolazione più fine grazie all adozione di un motore elettrico passo-passo I transitori vengono gestiti in tempi ridotti per un raggiungimento del punto di equilibrio (a maggiore efficienza globale) più celere 12
La pompa di calore: doppia inversione di ciclo Valvola di inversione lato acqua Alcune pompe di calore reversibili, nel momento della commutazione da chiller a pompa di calore e viceversa, effettuano due inversioni di ciclo: una lato refrigerante e una lato acqua. Questo sistema permette di invertire la direzione del flusso dell acqua negli scambiatori, mantenendolo sempre in controcorrente rispetto al fluido frigorifero in tutte le modalità di funzionamento. Come è noto, lo scambio termico è più efficiente quando avviene in controcorrente piuttosto che in equi-corrente. 13
La pompa di calore: recupero totale Durante il periodo estivo il Calore di Condensazione viene dissipato nelle Sonde Geotermiche. q R RECUPERO TOTALE Perché sprecare energia? q c CONDENSATORE T c P Grazie ad un azione di Recupero Totale del Calore di Condensazione è possibile riscaldare una certa quantità d acqua, destinata ad uso sanitario o al riscaldamento acqua piscina q 0 T 0 EVAPORATORE COMPRESSORE 14
Il free cooling geotermico Qualora le condizioni al contorno lo consentano, è possibile effettuare il cosiddetto Free Cooling geotermico per soluzioni che operano con sistemi radianti in raffrescamento. Mediante controllo sul circuito delle sonde geotermiche e sul circuito utente (sistema radiante), un microprocessore dà consenso ad due valvole deviatrici a tre vie che fanno by-passare la pompa di calore (e quindi il compressore resta spento) e permettono di raffreddare il circuito utente mediante il semplice scambio termico con il fluido presente nelle sonde geotermiche, con ridottissimo consumo di energia elettrica (solo quello delle pompe di circolazione). 15
La pompa di calore: compressori BLDC a inverter I motori sincroni sono caratterizzati da una velocità di rotazione costante indipendente dal carico (o coppia resistente) ma legata alla frequenza della rete di alimentazione e dal numero di terne di espansioni polari presenti nel motore. I motori sincroni presentano: una parte fissa con cavità cilindrica chiamata STATORE una parte mobile, coassiale alla precedente, detta ROTORE, disposta nella cavità della suddetta e costituita da diversi poli magnetici alterni, creati da magneti permanenti; rotore e statore sono separati da un traferro in aria. 16
La pompa di calore: compressori BLDC a inverter VANTAGGI del sincrono BLDC sull asincrono Minore inerzia del motore (accelerazioni/decelerazioni più rapide) Minori dimensioni per caratteristiche del motore e per velocità di rotazione (minor peso e costo) Minor rumore acustico Riduzione della manutenzione Assenza di correnti di spunto (se confrontato con soluzioni a velocità fissa) Assenza di perdite per correnti nel rotore I punti relativi alla riduzione delle perdite di statore e di rotore diventano più importanti quando la velocità di rotazione è molto bassa: in questa situazione le perdite di rotore e quelle necessarie per creare il campo magnetico rotante (perdite induzione statore) assumono un peso rilevante nella potenza totale assorbita, mentre nei BLDC esse non sono presenti. 17
La pompa di calore: compressori BLDC a inverter VANTAGGI del sincrono BLDC sull asincrono Migliore smaltimento del calore (che viene generato sullo statore e non nel rotore): sarà quindi possibile raffreddare utilizzando il gas di scarico. Per tale motivo si chiamano anche «testa calda». Il lavoro di compressione dipende dalla T di aspirazione: se non si verifica ulteriore surriscaldamento, si ottiene una riduzione dell energia necessaria per comprimere i gas e un incremento del rendimento volumetrico. 18
La pompa di calore: compressori BLDC a inverter Gestione elettronica evoluta che consente di rispondere in maniera adeguata alle esigenze di parzializzazione della potenza termica/frigorifera erogata per un ottimale funzionamento ai carichi parziali (periodo di maggiore funzionamento della pompa di calore), sempre più oggetto di valutazione ed elemento discriminante nella scelta tecnica dei progettisti termotecnici. Per mantenere il punto di comfort desiderato un compressore a velocità fissa deve ripetere successive fermate e ripartenze. Esso funziona sempre alla potenza massima, con evidente maggiore dispendio di energia di un compressore a velocità variabile, che riduce il carico termico adattandolo all'effettivo fabbisogno del punto di comfort richiesto. Perciò è importante sottolineare come l'utilizzo di un compressore regolato da "inverter" consente di ottenere alte efficienze (COP), soprattutto con carichi termici ridotti. 19
Sistemi di prelievo del calore Le sonde geotermiche sono degli scambiatori di calore verticali con lunghezze tipiche da 50 a oltre 200 m. Le serpentine nel terreno sono degli scambiatori di calore posizionati orizzontalmente a 1-2 m di profondità in terreni sciolti. I sistemi a pozzi di prelievo e reimmissione utilizzano le acque sotterranee o superficiali, che vengono raffreddate/riscaldate. I pali energetici sono degli scambiatori di calore integrati negli elementi di fondazione di costruzioni palificate e hanno una profondità tipica di alcuni metri. 22
Sistemi di prelievo del calore: sonde geotermiche Le sonde geotermiche sono costituite da uno (o due) circuiti chiusi formati da tubi in polietilene di diametro 32-40 mm inseriti all interno di una perforazione di diametro 140-152 mm e di profondità generalmente comprese tra 50 e 200 m. L intercapedine tra foro e tubazione è riempita mediante miscele di cemento, bentonite e sabbia silicea (che devono garantire buone caratteristiche di conducibilità termica e di impermeabilità). 23
Sistemi di prelievo del calore: sonde geotermiche All interno delle sonde circola un LIQUIDO GLICOLATO che PRELEVA/CEDE il CALORE dal/al terreno e lo cede/preleva alla/dalla pompa di calore, o meglio al/dal fluido refrigerante 24
Temperatura nel sottosuolo Oltre 100 m di profondità, la temperatura media del sottosuolo risulta aumentare (in assenza di anomalie) di circa 3 C ogni 100 m (gradiente di temperatura) A 100 m di profondità registriamo temperature medie comprese tra 12 e 16 C (con piccole variazioni legate ad anomalie locali) 25
Potenza/Energia nel sottosuolo 26
Posizionamento sonde geotermiche 27
Connessioni superficiali e collettori 28
Il sistema geotermico 29
Scenario Normativo DIRETTIVE TECNICHE TEDESCHE VDI 4640 DOCUMENTI SVIZZERI SIA D036 E D0179 NORME TECNICHE ASHRAE NEGLI USA In Italia al momento non esiste una normativa nazionale relativa alla geotermia a bassa entalpia: il Gruppo di Lavoro 608 ( Impianti geotermici a bassa temperatura con pompa di calore ) del CTI (Comitato Termotecnico Italiano) ha consegnato ad UNI 3 progetti di norma ( Progettazione, Installazione e Aspetti ambientali ) che dovrebbero essere convertiti in norme UNI il prossimo anno 30
Scenario - segue Legislativo Il D.L. 28/2011, all Art. 11 e nel relativo Allegato 3, ha introdotto l obbligo, al fine di ottenere il rilascio del titolo edilizio per nuovi edifici o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, che gli impianti di produzione di energia termica debbano essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l'acqua calda sanitaria e del 20% della somma dei consumi previsti per l'acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento quando la richiesta del pertinente titolo edilizio é presentata dal 31 maggio 2012 al 31 dicembre 2013 (tale % sarà portata al 50% dal 1 gennaio 2017) Il panorama normativo italiano riguardante l autorizzazione alla realizzazione di sonde geotermiche a circuito chiuso è piuttosto diversificato ma, in generale, si sta indirizzando alla massima semplificazione, come già avviene in Lombardia, dove è sufficiente una semplice registrazione informatica per sonde di profondità inferiori ai 150 metri (DGR 11383 del 10/02/2010). In molte altre Regioni è sufficiente l utilizzo della S.C.I.A. 31
Piano di pay-back Esempio di pay-back relativo alla realizzazione di un impianto geotermico a bassa entalpia per la climatizzazione estiva ed invernale di un complesso residenziale e commerciale per una superficie totale riscaldata di circa 1.200 mq. Dati di progetto 32
Piano di pay-back - segue Costi di gestione 33
Piano di pay-back - segue Costi di gestione - segue 34
Piano di pay-back - segue Tempo di ammortamento E importante sottolineare che tale risultato è stato conseguito senza tener conto di alcuna forma di incentivazione. Al momento, nel caso di passaggio da impianto tradizionale esistente ad impianto geotermico a bassa entalpia (ristrutturazione), viene concessa la detrazione fiscale del 55% in 10 anni. 35
Modello di investimento Risparmio = Ricavo Al momento è possibile ipotizzare unicamente un investimento nell ottica del risparmio conseguente all adozione di un impianto geotermico a bassa entalpia in alternativa (o, ancora meglio, vista la possibile detrazione fiscale, in sostituzione) di un impianto di condizionamento tradizionale, composto da caldaia per riscaldamento e chiller per raffrescamento. Ad oggi tale risparmio in Italia, dove gli oneri fiscali appesantiscono maggiormente il costo del kwh elettrico rispetto al mc di metano, può essere valutato tra il 45-60% dei costi di esercizio derivanti dall utilizzo di un impianto tradizionale. 36
Modello di investimento - segue Renewable Heat Incentive - RHI Un cenno al conto energia per le rinnovabili termiche entrato in vigore in Gran Bretagna (RHI - dedicato a industrie e attività commerciali) può comunque essere utile per comprendere i parametri di valutazione della prossima (speriamo) redditività di un impianto geotermico a bassa entalpia in Italia. In pratica ora in Gran Bretagna coloro che hanno installato un impianto alimentato a rinnovabili termiche dopo il 15 luglio 2009 si vedrà pagato un premio per ogni kwh che l'impianto produce. Tecnologie come le caldaie a biomassa, il solare termico e le pompe di calore, ad esempio, si vedranno corrisposto un premio rispettivamente di 0.079, 0.085 e 0.045 sterline per kwh prodotto, ossia 0.092, 0.099 e 0.052 euro/kwh. 37
Modello di investimento - segue Risparmio + Ricavo Riprendendo il piano di pay-back visto in precedenza, oltre al risparmio conseguito con l impianto geotermico, si avrebbe un ricavo da conto energia (per la sola produzione di energia termica, e non per l energia frigorifera) pari a: 110.000 kwh/anno * 0,052 /kwh = 5.720,00 /anno per 20 anni che si tradurrebbe in una riduzione del tempo di pay-back a circa 4,5 anni. A questo punto il modello di investimento diverrebbe assimilabile a quelli utilizzati per le fonti di energia rinnovabili elettriche dove, però, la componente positiva dovuta al risparmio risulta più elevata rispetto a quella dovuta al ricavo in conto energia. 38
Criteri di valutazione di un impianto geotermico Progettazione e realizzazione a regola d arte Al fine di valutare la producibilità di energia termica di un impianto geotermico (e quindi la sua redditività nell ottica dell investimento) e garantirla nel tempo è necessario porre massima attenzione ai seguenti aspetti: Dimensionamento del bacino geotermico (campo sonde) Realizzazione a regola d arte delle sonde geotermiche Corretta esecuzione delle connessioni superficiali Scelta delle pompe di calore Un bacino geotermico non correttamente dimensionato oppure mal realizzato può saturarsi nel tempo e quindi non permettere più l estrazione dell energia geotermica dal sottosuolo. 39
Conclusioni Geotermia: sensibilità ecologica e reddittività L investimento in un impianto geotermico a bassa entalpia, già oggi, senza forme di incentivazione statali, ha un tempo di pay-back accettabile, compreso fra 6 e 9 anni L eventuale via libera al primo conto energia per le rinnovabili termiche in Italia renderebbe l investimento in un impianto geotermico ancora più redditizio Un impianto geotermico presenta particolarità tecniche piuttosto complesse, quindi, al fine di assicurare la buona riuscita dell investimento, è fondamentale porre massima attenzione alla fase di progettazione e di esecuzione 40
Conclusioni Geotermia: sensibilità ecologica e reddittività La geotermia è una valida alternativa e consente il vero risparmio energetico, se alla base c è un attenta progettazione, basata sulle più attuali tecnologie. 41