presentation of geothermal energy for a energy auditor course

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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
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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,
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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
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Geotermia
Geotermia [4] in Italia
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Mappa del flusso di calore Mappa delle potenzialità geotermiche
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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.
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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]
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Inverno Estate
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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)
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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.
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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.
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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,
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essendo stato raffreddato, rilascia una certa quantità di calore ( Qe ).
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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
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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.
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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)
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.;
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Pozzi piezometrici Pozzi - ∆T
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Variazione temeperatura Sonde geotermiche
Sonda geotermica
Tubi in polietilene
Contrappeso
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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.
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Sonde geotermiche
In particolari condizioni
di temperatura si
possono utilizzare
sonde orizzontali
(tecnica sviluppata in
Francia negli anni ’70)
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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
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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.
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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)
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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
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