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Energia Geotermica

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  • 1. 20081016 Geotermia [1] L’energia geotermica è contenuta, sotto Energia Geotermica forma di calore, all’interno della terra e deriva dal decadimento di sostanze radioattive; Giovedì 16 ottobre 2008 Il calore si diffonde all’interno della crosta verso la superficie con gradiente geotermico pari a circa 30° C/km; Franco Pecchio In corrispondenza delle dorsali quesil valore arriva a 300° C/km 2 20081016 20081016 I fenomeni geotermici Geotermia [2] Elevato potenziale energetico nella crosta terrestre: A partire da 10 m di profondità, la temperatura del terreno risulta pressoché costante tutto l’anno. Oltre tale profondità, il gradiente geotermico medio aumenta di circa 3 ° ogni 100 m. C Mediamente a 100 ÷ 150 m di profondità si hanno temperature comprese tra 13 e 17° C; Condizioni che sono costanti tutto l’anno e indipendenti dalle condizioni climatiche esterne, 3 4 1
  • 2. 20081016 20081016 Geotermia [3] A seconda dell’entalpia del fluido geotermico Dove T2 e T1 sono le sono associabili diversi usi per lo temperature alle profondità D1 e D2 dalla superficie terrestre sfruttamento energetico: (o, più tecnicamente, dal nucleo terrestre) T<38° acquicoltura, allevamento, scioglimento C ghiaccio sul manto stradale, 38°<T<80° coltura in serre, agricoltura C 80°<T<100° teleriscaldamento, calore C industriale T>150° essicamento industriale, ind. estrattiva C 5 6 20081016 20081016 Geotermia Geotermia [4] in Italia 7 8 Mappa del flusso di calore Mappa delle potenzialità geotermiche 2
  • 3. 20081016 20081016 Il futuro... Potenziale Italia Gli usi termici (diretti) in Italia sono ancora largamente sottosfruttati. Nel 2006 erano installati 650 MWt per una produzione corrispondente di 190.000 tep. Tale produzione può decuplicare al 2020 con 6000 MWt installati ed una produzione stimata di 1800.000 tep corrispondenti al fabbisogno termico di 800.000 appartamenti. 9 10 20081016 20081016 Metodologia di calcolo dei Un parere autorevole flussi energetici «Il potenziale geotermico italiano fino a profondità economicamente convenienti, è notevole: • con risorse di alta temperatura (>150° C) concentrate nell’area appenninica tosco-laziale- campana ed in alcune isole vulcaniche del Tirreno; • e con risorse a media e bassa temperatura (<150° ubicate su vaste aree del territorio C) nazionale» •[consiglio nazionale dei Geologi, settembre 2007] 11 12 3
  • 4. 20081016 20081016 Inverno Estate 13 14 20081016 20081016 Elementi di un sistema geotermico Pompa di calore geotermica 1. Pompa di calore geotermica 2. Sonde geotermiche 3. Impianto di distribuzione del calore prodotto a bassa temperatura (pavimento, parete, soffitto) 15 16 4
  • 5. 20081016 20081016 Le pompe di calore - generalità Pompe di calore – ciclo [1] Le pompe di calore sono macchine termiche che Nell’evaporatorere un liquido (frigorigeno), che funzionano con lo stesso principio del frigorifero, ma possiede un punto di ebollizione molto basso (per in senso inverso. Esse estraggono energia e la es. ammoniaca), evapora a contatto con il mezzo rendono utile per il riscaldamento. circostante (aria o acqua) di temperatura più alta. Le pompe di calore sono composte da 4 elementi: Il vapore compresso mediante una pompa (elettrica) 1. Evaporatore aumenta di temperatura e; 2. Compressore viene poi condensato. 3. Condensatore Condensando cede calore, tramite uno scambiatore, 4. Valvola di espansione al sistema di riscaldamento e assume nuovamente lo stato liquido e il ciclo ricomincia da capo. 17 18 20081016 20081016 Quanto calore è “gratuito”? Pompe di calore – ciclo [2] Il principio di funzionamento: una pompa di calore è un sistema in grado di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura (es. acqua, aria, terreno) ad un circuito di utilizzazione a temperatura più alta, secondo il principio termodinamico secondo cui funzionano un frigorifero o un condizionatore. Per dirla in maniera molto semplice è un macchinario che sottrae calore a una sorgente già fredda per riversarla nell’ambiente interno. Scambiando condensatore ed evaporatore tra interno ed esterno si passa da frigorifero a pompa di calore . Una pompa di calore è basata su un circuito frigorifero sigillato, azionato da un compressore e percorso da un fluido refrigerante che, in base alle condizioni di temperatura in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. 19 20 5
  • 6. 20081016 20081016 Pompe di calore – ciclo [3] Ciclo frigorifero [1] Nella pompa si innesca un ciclo termodinamico con quattro CONOSCENZE PRELIMINARI: fasi distinte: La macchina frigorifera è composta da quattro sistemi aperti che, 1. viene prelevato il calore dalla sorgente a bassa temperatura e collegati tra loro, generano un sistema chiuso. quindi il calore viene scambiato con il fluido refrigerante COMPRESSORE: attraverso uno scambiatore; macchina che opera una compressione adiabatica del liquido e 2. Nell’evaporatore il fluido refrigerante si trasforma in vapore a necessita di una certa energia esterna (lavoro Lc) per poter bassa pressione, questo vapore viene poi compresso dal funzionare (questo azionamento è generalmente effettuato tramite compressore che ne innalza la temperatura e la pressione; lavoro meccanico). 3. a questo punto, attraverso un condensatore, il refrigerante, sotto L’energia spesa deal compressore si trasferisce nel gas evolvente che forma di vapore caldo, cede il proprio calore al fluido si surriscalda rispetto alla temperatura di saturazione aumentando termovettore dell’impianto di riscaldamento (acqua), e anche la sua pressione. raffreddandosi ritorna allo stato liquido; CONDENSATORE: 4. passando infine attraverso una valvola di espansione il fluido refrigerante ritorna alla pressione iniziale e può tornare macchina che compie una trasformazione isobara del liquido che viene nell’evaporatore, dove riassorbe il calore sottratto alla sorgente raffreddato. fredda, e ricomincia il ciclo Il refrigerante, mantenendo costante la pressione, si condensa totalmente passando dallo stato gassoso a quello liquido ed, 21 22 essendo stato raffreddato, rilascia una certa quantità di calore ( Qe ). 20081016 20081016 Ciclo frigorifero [2] Ciclo frigorifero [3] VALVOLA DI LAMINAZIONE: In definitiva la macchina frigorifera ha il compito di può essere costituita da una valvola o da altro dispositivo che trasformare l’energia entrante sotto forma di lavoro (Lc) in permetta al liquido refrigerante di effettuare una espansione assorbimento di calore uscente (Qe ). isoentalpica, considerata irreversibile anche nei cicli ideali. Quindi possiamo dire che la sua efficienza sarà più alta se, con il minor lavoro possibile, produce una maggiore EVAPORATORE: quantità di calore sottratto. Macchina che opera una vaporizzazione del liquido che passa dallo Questa è determinata dal rapporto tra ciò che “esce” e ciò che stato liquido a quello gassoso. “entra” Questa operazione è isoterma e isobara e il refrigerante assorbe una grande quantità di calore dall’ambiente, raffreddandolo. Calore sottratto al serbatoio freddo n= Lavoro compiuto sul refrigerante 23 24 6
  • 7. 20081016 20081016 Pompe di calore – COP [1] COP = Coefficient of performance Il rendimento delle pompe di calore dipende dal tipo di pompa e dalle condizioni di funzionamento. Il rendimento (COP) viene definito come rapporto tra l’energia ottenuta dal condensatore el’energia impiegata per il funzionamento della macchina. Nel migliore dei casi da 1 kWh elettrico si possono produrre 5 kWh di calore. 25 26 20081016 20081016 Pompe di calore – COP [2] Pompe di calore – COP [3] Andamento del COP rispetto al rapporto tra la temperatura di condensazione e di evaporazione L’efficienza di una pompa di calore è rappresentata dal coefficiente di prestazione COP, inteso come rapporto tra l’energia termica resa al corpo da riscaldare e l’energia elettrica consumata. Il COP riportato nei dati dei costruttori viene definito in base alla norma EN255, secondo cui l'energia elettrica assorbita da considerare nel calcolo del COP include il consumo del ventilatore o dei ventilatori e/o l'energia elettrica necessaria al pompaggio dei fluidi attraverso gli scambiatori di calore, il tutto a condizioni medie di funzionamento. Valori da considerare sufficienti di COP (secondo EN255) di pompe di calore sono: 3.0 per le pompe di calore aria-acqua (con presa d'aria a 2° e C fornitura d'acqua a 35°C); 4.0 per pompe di calore a sonda geotermica (con sonda a 0° e C fornitura d'acqua a 35°C); 4.5 per pompe di calore acqua-acqua (con acqua di prelievo del calore a 10° e fornitura d'acqua a 35° C C) 27 28 7
  • 8. 20081016 20081016 Pompe di calore Pompe di calore – COP [4] tipologie Sorgenti di calore: a) Aria b) Terra (verticale e/o orizzontale) c) Acqua (falda, fiume, lago, mare) d) Misti Sorgenti a temperatura costante Falda Sottosuolo profondo Sorgenti a temperatura variabile Aria Acqua superficiali 29 Suolo superficiale 30 20081016 20081016 Pompe di calore Pompe di calore Aria- Aria e Aria- Acqua Aria - aria Ottimale ove la temperatura La pompa di calore nel caso in cui prelevi il calore dall’aria esterna, non può media della stagione invernale sempre sostituire completamente ad in maniera economicamente conveniente, non è inferiore a 8 °C la caldaia Di semplice installazione (aria tradizionale. La pompa di calore che utilizza l’aria può assolvere, completamente e con buone performance, al riscaldamento degli ambienti sempre disponibile) solo nelle zone climatiche in cui la temperatura esterna non scenda, per Ingombri e necessità di lunghi periodi, al di sotto del 4-5° C. scambiatori “visibili” Nel caso di utilizzo dell’aria esterna che si trova a temperatura intorno ai 4-5° è C necessario, inoltre, un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore Rendimenti e quindi potenza consumo di energia elettrica. massima disponibile molto L’efficienza della pompa di calore si abbassa quando la temperatura influenzati dalla variabilità della dell’aria esterna scende al di sotto dei 5° C. temperatura della sorgente Come è possibile intuire, dalla diversità dei due vettori (aria e acqua), la densità e la temperatura di funzionamento, le pompe di calore aria-acqua risultano Può richiedere una integrazione essere meno efficienti di quelle acqua-acqua, raggiungendo COP massimi con caldaia ausiliaria di 3,5-4. Infatti, più è bassa la temperatura dell’aria esterna tanto più difficile è Necessità di sbrinamento dello l’estrazione del calore da utilizzare all’interno dell’edificio. scambiatore esterno 31 32 8
  • 9. 20081016 20081016 Pompe di calore Pompe di calore Acqua - acqua ad acqua di falda Esistono diverse tipologie di sistemi con pompe di calore acqua- Problemi autorizzativi acqua e seconda del bacino Legge 152/99 idrico utilizzato: soluzione lago/stagno: gli scambiatori vengono posati sul Art.30 Scarichi nel sottosuolo e nelle acque sotterranee fondo di stagni o laghi naturali o artificiali: sisfrutta in questo caso 1 – è vietato lo scarico diretto di acque sotterranee nel sottosuolo l'inerzia termica dell'acqua del 2 – in deroga a quanto previsto dall’autorità competente, dopo lago. Si utilizza uncircuito chiuso. indagine preventiva, può autorizzare gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi geotermici, delle acque di soluzione acqua di falda: qui il circuito è aperto; viene infiltrazione di miniere o cave o delle acque pompate nel corso di prelevata acqua di falda da un determinati lavori di ingegneria civile, ivi comprese quelle degli pozzo e immessa in un altro, impianti di scambio termico –omissis - dopo essere passata attraverso la pompa di calore. 33 34 20081016 20081016 Pompe di calore Pompe di calore ad acqua di falda ad acque superficiali Problemi autorizzativi Problemi autorizzativi Per i corsi d’acqua la variazione massima tra temperature medie di qualsiasi sezione del corso d’acqua a monte e a valle del punto di immissione non deve superare i 3° Su C. almeno metà di qualsiasi sezione a valle tale variazione non deve superare 1° Per i laghi C. Fiumi: la temperatura dello scarico non deve superare i 30° e l’incremento di temperatura del C corpo recipiente non deve in nessun caso superare i 3° oltre 50 metri di distanza dal C Legge 152/99 punto di immissione. Opere di presa e restituzione Per i canali artificiali, il massimo valore medio della temperatura dell’acqua di qualsiasi in alcuni casi molto onerose sezione non deve superare i 35° la condizione sud detta è subordinata all’assenso del C, soggetto che gestisce il canale. Per l’uso di pompe di calore Per il mare e per le zone di foce di corsi d’acqua non significativi, la temperatura dello occorre verificare il salto scarico non deve superare i 35° e l’incremento di temperatura del corpo recipiente non C termico nel corpo recettore deve in nessun caso superare i 3° oltre i 1000 met ri di distanza dal punto di immissione. C Deve inoltre essere assicurata la compatibilità ambientale dello scarico con il corpo recipiente ed evitata la formazione di barriere termiche alla foce dei fiumi. – Omissis – Mare: Legge 152/99 Perdite di pompaggio per il sollevamento dalla falda; Opere di presa soggette ad Verifica della stabilità del terreno; azione dinamiche anche Possibilità di uso diretto per la climatizzazione estiva; violente Ottimale per la costanza della temperatura della sorgente fredda; Problemi di corrosione 35 36 9
  • 10. 20081016 20081016 Pompe di calore Pompe di calore terra - acqua terra - acqua L’acqua può essere anche quella di fiume o di lago, È in massima parte equivalente al sistema ad in molti Comuni, la costruzione di un pozzo che acqua per la parte impiantistica sfrutta l’energia geotermica richiede una speciale concessione. Il coefficiente di scambio col terreno influenza Anche il calore della terra, che a una profondità molto i costi di installazione, infatti si usano: di 1-1,5 m non subisce rilevanti variazioni Piccoli scambiatori con terreni compatti ed termiche, può essere sfruttato interrando un umidi sistema di tubi in cui circola l’acqua ma tale Grandi superfici di scambio con terreni sistema richiede un’area 2-3 volte superiore sabbiosi e secchi; rispetto alla superficie dei locali da riscaldare. È un sistema molto usato in nord Europa 37 38 20081016 20081016 Pompe di calore Sonde verticali e orizzontali terra - acqua 1. La PdC può essere utilizzata per il riscaldamento e per la produzione di ACS. 2. L’impiego di una pompa di calore conviene in sistemi di riscaldamento a bassa temperatura (40-45° non sup eriore ai C, 50-55° In questi sistemi consente consistenti ri sparmi C). energetici ed economici. 3. La PdC produce non solo calore ma può essere utilizzata anche per il raffrescamento estivo. Mediante una semplice valvola è in grado di scambiare le funzioni dell’evaporatore e del condensatore (tipo invertibile). 4. Le pompe di calore per la climatizzazione hanno diverse taglie: a) a piccola potenza (fino a 2 kW) adatte a monolocali; b) a media potenza (da 10 a 20 kW) per più locali (un appartamento); c) a grande potenza (oltre 20 kW) per più appartamenti, uffici, etc.; 39 40 10
  • 11. 20081016 20081016 Pozzi piezometrici Pozzi - ∆T 41 42 20081016 20081016 Variazione temeperatura Sonde geotermiche Sonda geotermica Tubi in polietilene Contrappeso 43 44 11
  • 12. 20081016 20081016 La lunghezza delle sonde dipende Sonde geotermiche dalla natura del terreno All’interno delle sonde vi è un liquido glicolato che funge da termovettore tra sonda e pompa di calore; Assorbe dal terreno e cede alla PdC. 45 46 20081016 20081016 Sonde geotermiche In particolari condizioni di temperatura si possono utilizzare sonde orizzontali (tecnica sviluppata in Francia negli anni ’70) 47 48 12
  • 13. 20081016 20081016 Sonde geotermiche Sonde geotermiche È anche possibile Bisogna ricordare che utilizzare sonde l’impianto deve andare “a regime” cioé deve coassiali in acciaio per stabilizzarsi nei flussi di profondità fino a 20 – calore prelevabili e prelevati 25m dal terreno! Occorrono da 2 a 5 anni perché l’impianto sia sia dichiarato geotermicamente “stabile” (più veloce con la falda 49 50 20081016 20081016 Normativa di riferimento Normativa Svizzera Le seguenti normative federali e cantonali si interessano dei temi IN ITALIA NON ESISTE UNA NORMATIVA legati alla geotermia: SPECIFICA DI RIFERIMENTO. ALCUNE •Legge federale sulla protezione dell’ambiente (LPAmb, 814.01) REGIONI AUTONOME HANNO VARATO •Legge federale sulla protezione delle acque (LPAc, 814.20) e NORMATIVE LOCALI CHE RECEPISCONO Ordinanza sulla protezione delle acque (OPAc, 814.201) •Ordinanza contro l’inquinamento delle acque con liquidi nocivi IN PARTE QUELLA SVIZZERA, AD OGGI (Oliq, 814.202) •BUWAL 1994: Wegleitung für die Wärmenutzung mit TRA LE POCHE DA SEGUIRE COME geschlossenen Erdwärmesonden. RIFERIMENTO. •BUWAL 2003: Instructions pratiques pour la protection des eaux souterrains. •Legge cantonale d‘applicazione della legge federale del 1972, 1975. Revisione in corso. •Legge cantonale sulle acque sotterranee, 1978. 51 52 13
  • 14. 20081016 20081016 Mappatura della Svizzera Un esempio applicativo La mappatura della confederazione grazie ai diversi pozzi negli impianti geotermici già installati permette di identificare le zone convenienti in maniera rapida e, spesso, senza bisogno di un sondaggio. Comune di Roccabruna (CN) 53 54 20081016 Un esempio applicativo Fine Grazie per l’attenzione COMUNE DI ROCCABRUNA Ubicazione: Piemonte sud occidentale Quota: 720 m s.l.m. Franco Pecchio Superficie riscaldata: 170 mq + 10 mq di calcoli Mr soppalco + 70 mq uffici = tot. 250 mq 55 mail: franco.pecchio@gmail.com http://www.linkedin.com/in/francopecchio 14