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1<br />Geothermal power generation and ground source heat pumps: study and comparison in two EU regions, Hungary and Tusca...
2<br />Geotermia in Europa<br /><ul><li> Toscana e alto Lazio: zona ad alta entalpia
 Ungheria: bacino ad alta temperatura
 Aree indicate per la generazione elettrica da geotermia e teleriscaldamento</li></ul>Fonte EGEC<br />
3<br />Toscana<br /><ul><li>Primo impianto geotermico al mondo (1904)
 Due campi geotermici:
Larderello  (a vapore dominante)
Monte Amiata (ad acqua dominante)
Temperature massime 300-350°C
 Potenza efficiente 711 MW (fonte CEGL)</li></li></ul><li>4<br />Ungheria<br /><ul><li> Bacino sedimentario: crosta terres...
 Gradiente termico: 5°C/100 m
 Ad oggi non esistono impianti di potenza geotermici
8000 pozzi per esplorazione o estrazione di gas naturale non più utilizzati
 Da alcuni pozzi si può estrarre acqua calda (fino a 120-170 °C)
 Articolo di Kujbus prende in analisi tre pozzi (temperatura e portata di acqua costanti nel tempo)</li></li></ul><li>5<br...
6<br />Modello EES di impianto Dry Steam per Larderello <br />Caratteristiche principali<br /><ul><li>Fluido geotermico: m...
Espansione in turbina: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηt=0.85
Due condensatori a miscela: ηsep1=0.70, ηsep2=0.90
Due stadi di compressione: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηc=0.80</li></li></ul><li>7<br />Modello di impian...
NDCT: naturaldraft
MCT: mechanical</li></li></ul><li>8<br />Risultati modello EES<br /><ul><li> Potenza utile netta: </li></ul>56.44 MW (NDCT...
Portata re-iniettata: 31 kg/s
Portata acqua di raffreddamento: 5368 kg/s</li></ul>ANALISI EXERGETICA <br /><ul><li> Rendimento exergetico: 68%
 Distruzioni (ExD) e </li></ul>   perdite (ExL) di exergia<br />
9<br />Ciclo binario per fluidi geotermici a bassa entalpia (Ungheria)<br /><ul><li>Organic Rankine Cycle semplice
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Geotermia in Toscana e Ungheria: 3 progetti studiati

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La geotermia e i suoi possibili sviluppi in Toscana e in Ungheria due aree dell'Unione Europea con vaste ma differenti risorse geotermiche. Le due aree si prestano a un maggior sviluppo nello sfruttamento della geotermia (sia per usi termici che di potenza) e in una stretta collaborazione in questo campo di ricerca.
Presentazione della tesi di laurea del 22 luglio 2010. Lavoro svolto in collaborazione con l'istituto di geofisica di Budapest Eotvos Lorand (ELGI) e con l'utilizzo di due borse di studi : Erasmus Placement e la borsa del Ministero degli Affari Esteri italiano.

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  1. 1. 1<br />Geothermal power generation and ground source heat pumps: study and comparison in two EU regions, Hungary and Tuscany<br />Firenze, 22 Luglio 2010<br />in collaborazione con:<br />Autore<br />Luca Madiai<br />Relatori<br />Prof. Ing. Giampaolo Manfrida<br />Dott. Ing. Daniele Fiaschi<br />
  2. 2. 2<br />Geotermia in Europa<br /><ul><li> Toscana e alto Lazio: zona ad alta entalpia
  3. 3. Ungheria: bacino ad alta temperatura
  4. 4. Aree indicate per la generazione elettrica da geotermia e teleriscaldamento</li></ul>Fonte EGEC<br />
  5. 5. 3<br />Toscana<br /><ul><li>Primo impianto geotermico al mondo (1904)
  6. 6. Due campi geotermici:
  7. 7. Larderello (a vapore dominante)
  8. 8. Monte Amiata (ad acqua dominante)
  9. 9. Temperature massime 300-350°C
  10. 10. Potenza efficiente 711 MW (fonte CEGL)</li></li></ul><li>4<br />Ungheria<br /><ul><li> Bacino sedimentario: crosta terrestre più sottile
  11. 11. Gradiente termico: 5°C/100 m
  12. 12. Ad oggi non esistono impianti di potenza geotermici
  13. 13. 8000 pozzi per esplorazione o estrazione di gas naturale non più utilizzati
  14. 14. Da alcuni pozzi si può estrarre acqua calda (fino a 120-170 °C)
  15. 15. Articolo di Kujbus prende in analisi tre pozzi (temperatura e portata di acqua costanti nel tempo)</li></li></ul><li>5<br />Classificazione delle risorse nel nostro lavoro <br /><ul><li> Generazione elettrica </li></ul>Impianto Dry Steam (Larderello) : risorsa ad alta entalpia <br />Ciclo binario (Ungheria) : risorsa a bassa entalpia<br /><ul><li>Climatizzazione degli edifici</li></ul>Pompe di calore geotermiche (Toscana e Ungheria) : terreno<br />3)<br />1)<br />2)<br />
  16. 16. 6<br />Modello EES di impianto Dry Steam per Larderello <br />Caratteristiche principali<br /><ul><li>Fluido geotermico: mix H2O (vapore) e CO2 (5% in massa), T[1]=195 °C, m[1]=111.1 kg/s, p[1]=5 bar
  17. 17. Espansione in turbina: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηt=0.85
  18. 18. Due condensatori a miscela: ηsep1=0.70, ηsep2=0.90
  19. 19. Due stadi di compressione: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηc=0.80</li></li></ul><li>7<br />Modello di impianto Dry Steam per Larderello <br />Caratteristiche principali<br /><ul><li>Torre di raffreddamento: range=10°C, TaOUT=35°C
  20. 20. NDCT: naturaldraft
  21. 21. MCT: mechanical</li></li></ul><li>8<br />Risultati modello EES<br /><ul><li> Potenza utile netta: </li></ul>56.44 MW (NDCT) <br />54.89 MW (MCT)<br /><ul><li> Rendimento termico dell’impianto: 18.74%
  22. 22. Portata re-iniettata: 31 kg/s
  23. 23. Portata acqua di raffreddamento: 5368 kg/s</li></ul>ANALISI EXERGETICA <br /><ul><li> Rendimento exergetico: 68%
  24. 24. Distruzioni (ExD) e </li></ul> perdite (ExL) di exergia<br />
  25. 25. 9<br />Ciclo binario per fluidi geotermici a bassa entalpia (Ungheria)<br /><ul><li>Organic Rankine Cycle semplice
  26. 26. Fluido geotermico: da Kujbus m[1]=11.72 kg/s e T[1]=135°C
  27. 27. Differenza di temperatura di pinchpoint: T[2] – T[7]=8°C
  28. 28. Rendimento isoentropico di turbina ηt=0.85
  29. 29. Temperatura di condensazione T[5]=40°C
  30. 30. Fluidi testati:
  31. 31. Idrocarburi: N-butane, N-pentane, Isobutane
  32. 32. Refrigeranti: R134a, R143a, R152a</li></li></ul><li>10<br />Risultati modello EES<br />Tre casi:<br />m[1]=11.72 kg/s and T[1]=135 °C<br />m[1]=5 kg/s and T[1]=135 °C<br />m[1]=11.72 kg/s and T[1]=90 °C<br />Idrocarburi <br />
  33. 33. 11<br />Risultati modello EES<br />Tre casi:<br />m[1]=11.72 kg/s and T[1]=135 °C<br />m[1]=5 kg/s and T[1]=135 °C<br />m[1]=11.72 kg/s and T[1]=90 °C<br />Refrigeranti<br />
  34. 34. 12<br />Analisi exergetica<br />Isobutane<br /><ul><li> Rendimento exergetico: 28.1 %
  35. 35. Perdita di exergia:</li></ul>reiniezione 39% (T[3]=74°C)<br /><ul><li> Distruzione di exergia: </li></ul>evaporatore 16% <br />condensatore 15%<br />R134a<br /><ul><li> Rendimento exergetico: 41.2 %
  36. 36. Perdita di exergia:</li></ul> acqua di raffreddamento 28%<br /><ul><li> Distruzione di exergia: </li></ul> turbina14% <br /> condensatore 26%<br />
  37. 37. 13<br />Modifiche del ciclo<br /><ul><li> Surriscaldamento (SH): </li></ul>100°C <br />120°C<br /><ul><li> Surriscaldamento (SH) + Recupero interno con scambiatore (IHE): εIHE= efficienzascambiatore
  38. 38. Con SH la potenza prodotta diminuisce e il rendimento aumenta poco
  39. 39. Con SH+IHE il rendimento aumenta marcatamente</li></li></ul><li>14<br />Pompe di calore geotermiche <br />Principio di funzionamento:<br /><ul><li> Pompa di calore
  40. 40. Sonda geotermica (BHE)
  41. 41. Serbatoio di accumulo
  42. 42. Sistema di distribuzione </li></li></ul><li>15<br />Modello transitorio del sistema con TRNSYS<br /><ul><li> Pompa di calore (acqua-acqua): HovalThermalia 7 kW
  43. 43. Pompe di circolazione (1620 kg/s, 840 kg/s)
  44. 44. Serbatoio a stratificazione
  45. 45. Sonda verticale (180 m): HST3D (Istituto di Geofisica di Budapest)
  46. 46. Edificio mono zona
  47. 47. File meteorologico
  48. 48. Sistema di controllo: comanda le pompe di circolazione e inverte il funzionamento della pompa di calore
  49. 49. Temperatura massima in riscaldamento 55 e 45°C</li></li></ul><li>16<br />Scenari di simulazione <br />
  50. 50. 17<br />Risultati della simulazione per un periodo di 20 anni<br /><ul><li> COP e EER si mantengano pressoché costanti
  51. 51. Abbassando la temperatura massima dell’acqua di riscaldamento il COP aumenta (in Budapest di circa una unità)
  52. 52. Budapest e Milano hanno un comportamento molto simile
  53. 53. Messina presenta valori di COP e EER più vicini tra loro </li></li></ul><li>18<br /><ul><li> La temperatura del terreno a 75 m di profondità diminuisce con questo andamento:</li></ul>linea grossa: 9 m dall’asse della sonda, <br />linea fine: 3 m dall’asse della sonda<br /><ul><li> Milano e Budapest presentano un comportamento simile
  54. 54. A Messina il calore sottratto di inverno e aggiunto d’estate si bilanciano
  55. 55. Pisa ha un comportamento intermedio
  56. 56. La temperatura del terreno a 75 m di profondità e 3 metri di distanza diminuisce al massimo di 1°C in 20 anni</li></li></ul><li>19<br />Conclusioni<br />DRY STEAM (LARDERELLO) <br /><ul><li> Abbiamo studiato un impianto dry steam per la produzione elettrica con separazione di CO2: 56 MW e 18% rendimento termico
  57. 57. Analisi exergetica dell’impianto: confrontabile con i risultati di letteratura </li></ul>CICLO BINARIO (UNGHERIA)<br /><ul><li> E’ stato proposto un impianto binario per la produzione elettrica utilizzando fluidi geotermici a bassa temperatura e portata (135°C e 11.72 kg/s)
  58. 58. Un impianto di circa 300- 400 kW con 9% di rendimento è realizzabile
  59. 59. Analisi exergetica per individuare le parti critiche dell’impianto: reiniezione (perdita) e condensatore (distruzione) </li></li></ul><li>20<br />Conclusioni<br />POMPA DI CALORE GEOTERMICA <br /><ul><li> E’ stato realizzato un modello transitorio di un sistema a pompa di calore geotermica per riscaldamento e raffrescamento di una abitazione familiare.
  60. 60. Il modello ha dato risultati soddisfacenti in termini di COP e EER che risultano mantenersi quasi costanti nei vari scenari indagati (Budapest, Milano, Pisa e Messina)
  61. 61. La temperatura del terreno risulta diminuire ma non in modo significativo durante il periodo di simulazione (20 anni) </li></li></ul><li>21<br />Grazie per l’attenzione<br />Köszönöm a figyelmet<br />
  62. 62. 22<br />Analisi dei costi per pompa di calore geotermica<br /><ul><li> Confronto con sistemi tradizionali: caldaia a gas naturale (η=90%) e condizionatore a pompa di calore aria-aria (EER=3.2)
  63. 63. Prezzi di riferimento per elettricità e gas naturale nei due paesi (fonte Eurostat 2009)
  64. 64. Prezzi speciale per GSHP: “Geotarifa” per Ungheria e BTA per Italia
  65. 65. Confronto tra temperatura max 55°C e 45°C
  66. 66. A Milano con tariffa BTA si può risparmiare oltre 1000 euro all’anno</li></li></ul><li>23<br />Confronto con articolo di BettagliBidini<br />* ArticolodiBettagli N., Bidini G., “Larderello-Farinello-ValleSecolo geothermal area: exergy analysis of the transportation network and of the electric power plants”, DipartimentodiEnergetica, Universitàdi Firenze<br />
  67. 67. 24<br />Confronto analisi exergetica<br />* ArticolodiBettagli N., Bidini G., “Larderello-Farinello-ValleSecolo geothermal area: exergy analysis of the transportation network and of the electric power plants”, DipartimentodiEnergetica, Universitàdi Firenze<br />
  68. 68. 25<br />SVILUPPI FUTURI <br /><ul><li> Nel campo della geotermia (energia rinnovabile) le due aree europee Toscana e Ungheria hanno risorse e caratteristiche che permettono una più intensa e proficua collaborazione.
  69. 69. Soprattutto nello sfruttamento delle risorse a bassa entalpia e del calore del terreno i margini di sviluppo e di crescita sono in entrambe le aree piuttosto ampi. </li>
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