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Slides del convegno sulla geotermia tenutosi a Pesaro nell'aprile 2010.

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Geotermia Geotermia Presentation Transcript

  • LA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI ENERGEO STUDIO ASSOCIATO dott. geol. Paolo Canavese
  • ENERGIA GEOTERMICA
    • Per energia geotermica si intende l'energia contenuta sotto forma di calore all'interno della Terra; si distinguono:
    • geotermia ad alta entalpia (T fluido > 150 °C) ;
    • geotermia a media entalpia (90 < T fluido < 150 °C);
    • geotermia a bassa entalpia (T fluido < 90 °C) (per applicazioni di climatizzazione generalmente T = 10-15 °C).
  • ENERGIA GEOTERMICA
    • L'energia geotermica presente nel sottosuolo a varie profondità trae origine:
    • da dinamiche interne al pianeta;
    • dall'irraggiamento solare;
    • dal ciclo idrogeologico;
  • ENERGIA GEOTERMICA
    • il calore endogeno della terra è generato dal naturale decadimento radioattivo di isotopi di Uranio, Torio e Potassio;
    • il gradiente geotermico naturale è mediamente di 2,5-3,0 °C/100 m variabile tra un minimo di 1°C/100 a 30 °C/100 m;
    • il flusso geotermico medio che si disperde dalla superficie verso lo spazio è di circa 0,03 W/m 2 ;
    • l'irraggiamento solare medio è pari a circa 150-200 W/m 2 alle nostre latitudini.
  • GEOTERMIA MEDIA E ALTA ENTALPIA CAMPI DI APPLICAZIONE
    • produzione di energia sotto forma di corrente elettrica e sfruttamento diretto del calore;
    • i primi tentativi di sfruttamento sono quelli del Principe Piero Ginori Conti nel 1904 a Lardarello (PI); la prima applicazione commerciale del 1913;
    • è applicabile in particolari contesti geologici laddove sono presenti anomalie termiche positive a profondità di alcune migliaia di m.
  • GEOTERMIA MEDIA E ALTA ENTALPIA PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA Paese Potenza Installata MWe Energia Elettrica GWh/a USA 2687,0 > 17917 Filippine 1969,7 > 9253 Indonesia 992,0 > 6085 Messico 953,0 6282 Italia 810,5 > 5340 Giappone 532,2 3467 Nuova Zelanda 471,6 > 2774 Islanda 421,2 > 1483 El Salvador 204,2 > 967 Costa Rica 162,5 1145 Kenia 128,8 1088 Nicaragua 87,4 > 271 Russia 79,0 85 Papua Nuova Guinea 56,0 > 17 Guatemala 53,0 > 212 Turchia 38,0 > 105 Cina 27,8 95 Portogallo 23,0 >90
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA C AMPI DI APPLICAZIONE
    • sfruttamento del calore del terreno, mediante pompe di calore, finalizzato alla climatizzazione invernale e estiva di edifici e strutture residenziali e produttive.
    • Applicabile in tutti i contesti geologici a seguito di una corretta progettazione dell'impianto di scambio geotermico .
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LA POMPA DI CALORE
    • temperatura del terreno indisturbato è costante nell'anno a profondità maggiori di 15 m dal p.c.;
    • lo sfruttamento dell'energia termica del terreno è possibile grazie ad una macchina che compie un lavoro; tale macchina si definisce: &quot;pompa di calore&quot;;
    • la pompa di calore compie un lavoro analogo ad una pompa per acqua che pompi acqua da un bacino basso (energia potenziale inferiore) ad un bacino alto (energia potenziale maggiore).
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LA POMPA DI CALORE te Temperatura °C Profondità m Luglio Ottobre Aprile Gennaio
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LA POMPA DI CALORE Bacino Basso Bacino Alto h1 h2 Flusso di massa (portata) Flusso naturale Pompa Pompa Corpo freddo Corpo caldo T1 T2 Flusso di calore Flusso naturale Pompa di calore Bacino Basso Bacino Alto h1 h2 Flusso di massa (portata) Flusso naturale Pompa Pompa Quota Temperatura Energia meccanica Energia meccanica
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI SFRUTTAMENTO
    • Metodi che prevedo il solo scambio di energia (closed loop):
      • sonde geotermiche verticali (prof. 50-200 m);
      • sonde geotermiche orizzontali (grandi areali);
      • fondazioni energetiche, ecc.
    • Metodi che prevedono scambi di materia e energia (open loop):
      • pozzi per acqua;
      • prelievi di acqua da corpi idrici superficiali.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI SFRUTTAMENTO
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
    • Le sonde geotermiche verticali si installano all'interno di perforazioni con prof. generalmente comprese tra 50 e 200 m di diametro 150 mm;
    • all'interno del perforo sono generalmente installate tubazioni in PEAD a formare un anello singolo (single loop) o doppio (dual loop);
    • le tubazioni poste in opera costituisco il circuito radiante all'interno delle quali scorre una soluzione acqua-antigelo (generalmente glicole propilenico).
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
    • I metodi di perforazione:
    • rotazione a circolazione diretta di fango;
    • perforazione ad aria.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
    • resa più elevata (W/m) se paragonate a scambiatori di tipo superficiale;
    • limitate necessità di spazi se se paragonate a scambiatori di tipo superficiale;
    • prive di manutenzione e di difettosità se correttamente realizzate e collaudate;
    • durata minima valutabile in 50 anni, stimata in 100 anni;
    • rischi di danneggiamento successivi alla realizzazione limitati se paragonati a scambiatori di tipo superficiale.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • Il sistema geotermico consente il massimo risparmio di energia primaria (e quindi di emissioni di CO 2 ) se paragonato agli altri sistemi di climatizzazione:
    • in termini ambientali è sempre più conveniente se paragonato a fonti tradizionali o a sistemi con pompa di calore ad aria; in alcuni casi può essere più conveniente l'utilizzo di sistemi di cogenerazione;
    • in termini economici la valutazione va effettuata caso per caso confrontando le diverse possibilità.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • verifica di fattibilità tecnica ed economica;
    • verifica di eventuali vincoli normativi;
    • verifica delle necessità dell'utenza;
    • caratterizzazione geologica e idrogeologica del sito;
    • condizioni di scambio sonde-terreno e fluido termovettore;
    • scelta della pompa di calore e dello schema di centrale termica;
    • valutazione delle potenzialità di scambio con il terreno e dimensionamento del campo sonde (numero, profondità, posizione);
    • dimensionamento del sistema di distribuzione orizzontale;
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • VERIFICA DI FATTIBILITA' TECNICA:
    • verifica della tipologia di impianto radiante all'interno dell'edificio; sono preferibili soluzioni a pavimento radiante o fancoil;
    • verifica dello spazio sufficiente per l'installazione delle sonde geotermiche (in caso di spazio insufficiente è sempre possibile la progettazione di impianti misti);
    • verifica dell'accessibilità ai siti con i mezzi d'opera;
    • verifica di limitazioni o impedimenti di natura geologica (aree in frana, aree carsiche, rocce dure alla perforazione o alternanze di litotipi molto dissimili, fenomeni di artesianesimo).
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • VERIFICA DI FATTIBILITA' NORMATIVA:
    • verifica di vincoli ostativi o limitativi: interferenza con acque di falda destinate ad uso idropotabile - fasce di rispetto pozzi idropotabili;
    • verifica dell'iter autorizzativo previsto dall'ente competente, eventualmente concordandolo se ancora non stabilito a livello di normativa o regolamento.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • VALUTAZIONE NECESSITA' DELL'UTENZA:
    • tipologia del fluido termovettore (aria o acqua);
    • potenza termica/frigorifera massima di picco;
    • temperatura di mandata del fluido all'impianto di distribuzione;
    • salto termico del fluido termovettore;
    • variazioni del fabbisogno energetico nei cicli tipici di funzionamento (annuale, mensile, giornaliero);
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E IDROGEOLOGICA:
    • verifica di elementi ostativi noti in prima battuta (aree in frana, ecc);
    • definizione dell'assetto geologico e idrogeologico (natura dei terreni alle profondità di interesse, presenza di falde, temperatura naturale del terreno e delle acque di falda, ecc.);
    • valutazione dei rischi di contaminazione della/e falda/e.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E IDROGEOLOGICA:
    • metodologia di indagine semplificata per impianti con potenza termica < 30 kWt; dimensionamento basato su base tabellare a partire dalla stratigrafia e assetto idrogeologico ipotizzato;
    • indagini preliminari (carotaggi e sonde di prova, realizzazione di test specifici) per impianti con potenza > 30 kWt.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E IDROGEOLOGICA:
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E IDROGEOLOGICA:
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CONDIZIONI DI SCAMBIO TERMICO:
    • sistema geotermico conveniente da un punto di vista energetico, rispetto ad un sistema ad aria, se le temperature dei fluidi termovettori sono mantenute nel range 0-35 °C;
    • in base alle temperature di progetto si procede nella scelta della soluzione antigelo; per temperature di progetto superiori al minimo di 4 °C è possibile operare con sola acqua ; il liquido antigelo è generalmente costituito da una soluzione acqua-glicole propilenico (generalmente al 25%).
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • CONDIZIONI DI SCAMBIO TERMICO:
    Fattore Metanolo Etanolo Glicole Propilenico Acetato di potassio Acetato di calcio magnesio UREA Glicole Etilenico Costi operativi XXX XXX XX XX XX XX XXX Corrosione XX XX XXX XX XX X XXX Perdite XXX XX XX X X X - Rischi salute X XX XXX XXX XXX XXX XX Infiamm. X X XXX XXX XXX XXX XXX Rischi ambientali XX XX XXX XX XX XXX XX Possibile divieto d'uso X XX XXX XX XX XX XX xxx Nessun problema xx Non prevedibili problemi x Potenziali problemi
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • SCELTA DELLO SCHEMA DI CENTRALE TERMICA E DELLA POMPA DI CALORE :
    • valutazione necessità: riscaldamento, raffrescamento, produzione di ACS e periodi di tali necessità durante l'anno;
    • scelta della pompa di calore sulla base delle potenze richieste e dei dati tecnici dei modelli in commercio ( il campo geotermico dovrà essere progettato a valle della scelta della pompa di calore ).
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • DIMENSIONAMENTO DEL CAMPO SONDE :
    • impianti di potenza < 30 kWt: metodi tabellari basati sulla ricostruzione dell'assetto geologico e idrogeologico del sito;
    • impianti di potenza > 30 kWt: calcoli basati su modellazioni teoriche (software specifici); dati di input al modello derivati da fabbisogni energetici utenza, COP pompa di calore, geometria del campo sonde, test preliminari ecc.
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • DIMENSIONAMENTO DEL CAMPO SONDE :
    Tipo di sottosuolo W/m 1800 h W/m 2400 h Valori generali indicativi Sottosuolo e sedimenti poveri secchi 25 20 Sottosuolo roccioso e sedimenti saturi d'acqua 60 50 Roccia consolidata con elevata conducibilità termica 84 70 Ghiaia e sabbia secche < 25 < 20 Ghiaia e sabbia sature d'acqua 65-80 55-65 Ghiaia e sabbia con un notevole flusso di acqua di falda 80-100 80-100 Argilla 35-50 30-40 Calcare 55-70 45-60 Arenaria 65-80 55-65 Rocce magmatiche silicee 65-85 55-70 Rocce magmatiche basiche 40-65 35-55 Gneiss 70-85 60-70
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • DIMENSIONAMENTO DEL CAMPO SONDE :
    • test specifico (Test Risposta Termica) per la valutazione della resa termica lineare della sonda, caratterizzazione della conducibilità termica dei terreni e della resistenza termica della sonda geotermica;
  • GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA TECNICHE DI PROGETTAZIONE
    • DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE ORIZZONTALE :
    • Sono possibili diversi schemi di collegamento delle sonde in funzione della dimensione dell'impianto:
    • distribuzione a stella (unico collettore in centrale), molto diffusa; flussi bilanciabili grazie a valvole di bilanciamento;
    • distribuzione a dorsale a ritorno diretto o inverso (intrinsecamente bilanciata); adatta a campi geotermici molto estesi;
    • distribuzione in serie; poco diffusa, adatta a sistemi poco profondi quali le fondazioni energetiche.