Impianto geotermico

 

IMPIANTI AD ENERGIA GEOTERMICA: COSA SONO E PERCHE’ UTILIZZARLI

L’energia geotermica sfrutta il calore naturale del sottosuolo terrrestre, presente dovunque.
Attraverso la perforazione di un campo di sonde geotermiche lunghe dagli 80 metri fino ai 200 metri, si è in grado di captare quest’energia e di trasportarla in superficie, dove verrà “lavorata” da una pompa di calore geotermica che la invierà direttamente al circuito idraulico di emissione.

Il concetto su cui si basa il progetto, è la considerazione che il serbatoio geotermico è in continua autoalimentazione, rigenerandosi autonomamente e senza soluzione di continuità.
Questo fa capire come l’impianto geotermico sia completamente indipendente da condizioni climatiche del luogo dove si installa; proprio perché a profondità di circa 100 metri, le temperature del sottosuolo non vengono influenzate dal decorso stagionale o dall’andamento giorno-notte.
Riveste quindi grande importanza la fase di progettazione dell’impianto stesso, proprio perché si deve fare in modo che la quantità di energia estratta dal sottosuolo per riscaldare l’abitazione non sia superiore a quella che va a rigenerare il serbatoio geotermico. Le applicazioni degli impianti geotermici possono coprire qualsiasi fabbisogno e possono essere applicate  qualsiasi edificio, dalla villetta monofamigliare, al complesso industriale, passando per esigenze particolari quali: piscine, serre, palestre, scuole ecc.
L’energia geotermica applicata ai sistemi di riscaldamento e raffrescamento, nasce in Paesi come Svizzera, Svezia e Nuova Zelanda da precise intuizioni di tecnici e specialisti. Parallelamente, la difficoltà di reperimento di energie convenzionali ha fornito, in seguito, l’impulso determinante per lo sviluppo della parte tecnologica. Sviluppo che ha portato, in breve tempo, le pompe di calore a livelli di rendimento particolarmente elevati.
L’ultima frontiera esplorata è l’inversione dell’impianto geotermico al fine di provvedere al raffrescamento degli ambienti.
Questo ha portato ad un ulteriore affinamento della tecnologia, proponendo essenzialmente due soluzioni differenti.
La prima, chiamata “active cooling”, si basa sul concetto dell’inversione del circuito idraulico di modo che la pompa di calore possa mandare, sul circuito di casa, basse temperature e, viceversa, disperdere nelle sonde geotermiche una buona parte delle calorie estratte dall’abitazione.
La seconda permette addirittura di by-passare la pompa di calore. Con un circuito idraulico separato infatti, si disperde direttamente nel terreno l’energia termica estratta dall’ambiente da raffrescare.
Questa applicazione e detta “natural cooling” e consente di arrivare an uno step intermedio di raffrescamento ottenendo il cosiddetto comfort abitativo (o effetto cantina).
Detto metodo viene quasi sempre affiancato da una buona deumidificazione dei locali, in modo tale che, anche con impianti a irradiamento a pavimento, si possano ottenere performances buone e senza incorrere in problemi causati dall’effetto condensa.
Possedere un impianto geotermico significa, a grandi linee, poter contare su un sistema che garantisce tre grandi vantaggi: rispetto dell’ambiente, sicurezza ed economicità.
Il primo vantaggio consiste nel non produrre assolutamente alcuna emissione nell’atmosfera, anche considerando infatti che tutta l’energia che usiamo per far funzionare la pompa di calore sia di produzione termoeletttrica; possiamo contare su un rendimento dell’impianto di circa 4 quindi ampiamente superiore al limite di produzione delle centrali a combustibile fossile valutato attorno a 3.
Il vantaggio legato alla sicurezza è chiaramente dovuto alla mancanza assoluta di fiamma libera all’interno delle abitazioni ed alla non emissività di gas incombusti spesso fonti di incidenti più o meno seri nell’ambito domestico.
Il terzo vantaggio che analizziamo è il risparmio economico. Quello sicuramente più  monetizzabile e più visibile.
Una abitazione da circa 20 Kw di fabbisogno che necessita di 1800  ore di funzionamento all’anno ottiene un fabbisogno energetico di circa 40000 Kwh/anno (compresa acqua calda sanitaria), con una spesa in gasolio di circa 4500,00 €/anno, tenendo presente il potere calorico teorico del combustibile ed il rendimento medio annuo. Lo stesso fabbisogno energetico con l’impianto geotermico, ponendo il rendimento medio pari a 4, necessita di un’energia elettrica di circa 10000 Kwh, che equivale a circa 1400 €/anno. Da tutto questo si deduce che l’impianto ad energia geotermica costa, in esercizio, circa 1/3 di un impianto tradizionale.
L’impianto ad energia geotermica si fonda su tre sezioni distinte fra loro quali: progettazione e dimensionamento, esecuzione della sezione produzione di energia (campo di sonde geotermiche) e infine installazione della parte tecnologica (pompa di calore ed accessoristica idraulica).
La certezza che si ricava da una profonda analisi di mercati ormai consolidati quali quello Svizzero e Svedese (ma si potrebbe aggiungere anche Germania ed Austria dove ormai ci si aggira attorno al 25% di applicazioni su nuove costruzioni) è che l’esplosione della richiesta, coincide con l’affermarsi di strutture adeguate alla fornitura dell’impianto completo di tutte le tre sezioni succitate.
Ormai quindi richiedere e applicare un impianto ad energia geotermica deve fondarsi su queste considerazioni, in quanto regala ai fruitori di questa tecnologia grande fiducia nel sistema.
Anche in Italia ci si sta adeguando a questa evoluzione, il committente sta cominciando a riporre la stessa fiducia nel propositore che si prende in carico tutto l’impianto, comprendendone le notevoli conoscenze specialistiche.
Da un lustro a questa parte, notevole incremento si è ottenuto dopo l’ingresso prepotente sul mercato di prodotti tecnologici altamente sofisticati e di elevate performances quali: le pompe di calore a doppio compressore e le pompe di calore ad alta temperatura di emissione.
Le prime vengono altresì chiamate pompe “bistadio” e permettono di ottimizzare il coefficiente di rendimento durante le richieste del fabbisogno di potenza termica di base la quale, notoriamente, è la potenza che viene ad essere utilizzata durante la maggior parte del tempo di riscaldamento.
Gli effetti dell’applicazione di questa tecnologia sono ulteriore risparmio in termini di esercizio e una durata ultraventennale della pompa di calore.
La tecnologia che permette le emissioni di fluido ad alta temperatura invece, consente finalmente di applicare l’energia geotermica anche alle ristrutturazioni di edifici; senza andare ad intaccare gli impianti di emissione e programmando temperature di mandata anche di 65°.
Il decorso tecnologico che si basa su queste innovazioni ha portato i Paesi leader del settore ad applicare questa tecnologia su circa il 50% delle nuove abitazioni; con margini di crescita esponenziali anche nel campo delle ristrutturazioni.
La proposizione sul mercato di un progetto tecnologico di tali dimensioni e potenzialità sta cominciando a destare anche in Italia l’interesse che merita. Le  sedi istituzionali stanno cercando sempre più di guardare al progetto geotermico come ad una soluzione tesa alla risoluzione di numerosi problemi legati all’energia derivante da combustibili fossili.
Gli organismi amministrativi preposti hanno già vagliato una serie di procedure, in linea con le direttive europee, atte a finanziare e/o promuovere con forza l’intero settore.

 

DESCRIZIONE TECNICA POMPA DI CALORE SIEMENS:

L’installazione di una unità pompa di calore SIEMENS  in alternativa alla classica pompa di calore monostadio permette di sfruttare due circuiti frigoriferi completi (compressori e relative coppie di evaporatori/condensatori) che grazie alla regolazione del microprocessore  consentono di ottimizzare il rendimento in funzione delle temperature esterne. Il microprocessore consente di modulare il funzionamento della pompa di calore BRINE-WATER sulla base dei fabbisogni reali dell’edificio e non sui valori teorici di dispersione di picco che sono consoni solo per pochi giorni all’anno.
Grazie a questa tecnologia bi-stadio e alle caratteristiche della termopompa SIEMENS le performance del sistema sono nettamente superiori:

La potenza e le prestazioni energetiche della pompa di calore sono condizionate dalla temperatura della sorgente naturale d’energia e dalla temperatura da produrre sull’impianto di emissione.

Effetto dell'idrogeologia sullo scambio termico tra sonda geotermica e reservoir:
Il trasferimento di calore può avvenire i tre modi diversi: tramite conduzione, convezione, radiazione.
Queste tre modalità base di trasferimento si manifestano nei sei modi seguenti :

 

Il trasporto conduttivo è governato dalla legge di Fourier, secondo cui il flusso è proporzionale al gradiente di temperatura.
Nel caso di trasporto di calore in un mezzo poroso saturo il flusso di energia è la somma dei flussi di calore attraverso la fase fluida e solida;  la conduttività termica l risultante, in prima approssimazione assumendo il mezzo omogeneo ed isotropo, può essere scritta come

       

dove n è la porositàl,f e ls sono rispettivamente la conduttività termica del fluido e della matrice solida.
Il trasporto di calore per convezione si ha nei sistemi in cui il fluido è in movimento. La convezione può essere di due tipi: forzata e libera. Nel primo caso il flusso è causato da agenti esterni (ad es.: moto di filtrazione) ed è indipendente dai gradienti di densità. Nel secondo caso il moto del fluido è causato solo da variazioni di densità, dovuta alla temperatura. La convezione libera e forzata sono due casi limite. Nei casi intermedi è possibile esprimere il flusso di calore come una combinazione di diffusione e convezione.

           

Dove Vi è la velocità e ca il calore specifico dell’acqua.
Estrarre calore dal sottosuolo tramite delle sonde geotermiche attraversate da un fluido termovettore, comporta una interazione con il sottosuolo che dipende da vari fattori quali: proprietà termiche del sottosuolo che può essere costituito da matrice solida e liquida (conducibilità termica, calore specifico) , temperatura indisturbata del sottosuolo, presenza di moti di filtrazione, proprietà termiche della sonda geotermica (resistenza termica, riempimento del foro, proprietà della tubazione e del fluido termovettore) e sua profondità e diametro.
L'effetto che la sonda geotermica induce nel sottosuolo durante il funzionamento nella stagione invernale per esempio può essere schematizzato semplicemente dalla seguente figura:

Per effetto dell'estrazione del calore si crea un cono di depressione della temperatura, analogamente al cono di depressione che si crea nel carico piezometrico che si riscontra durante l'emungimento di acqua sotterranea tramite sistemi di pompaggio.
Una corretta valutazione della potenzialità del sistema “sonda geotermica-sottosuolo” è fondamentale per un corretto dimensionamento dell'impianto ad energia geotermica: per evitare sottodimensionamenti del campo di sonde che potrebbero portare ad un depauperamento energetico del sottosuolo e sovradimensionamenti che comporterebbero dei costi poco accessibili.
E' possibile fare una stima delle proprietà termiche del sistema da valori tabulati caratteristici dei diversi tipi litologici e materiali utilizzati, ma in alcuni casi, tra cui nei medi e grandi impianti (dove i costi e lo sfruttamento termico del sottosuolo sono alti) od in presenza di moti di falda, è di grande importanza sviluppare metodi per la valutazione reale in sito dei parametri richiesti.
Questo può essere fatto misurando la reale conduttività termica del sottosuolo e la resistenza termica della sonda geotermica prima che l'impianto venga costruito.
Tali parametri possono essere determinati in sito tramite un test di risposta termica.
In un test di risposta termica un fluido termovettore circola attraverso la sonda per giorni, estraendo od iniettando calore.
Vengono monitorati costantemente numerosi parametri durante il ciclo di test, facendo grande attenzione alla quantità di calore iniettata, che deve essere preventivamente calcolata in base ai dati tecnici dell'impianto. Da questi rilievi è possibile determinare i parametri di conduttività e resistenza termica  caratteristici del sistema.
E' fondamentale eseguire il test sia su una singola sonda che su un intero sistema ed in varie condizioni di stress geotermico.
La conoscenza delle proprietà termiche del terreno è molto importante per un appropriato dimensionamento del campo di sonde geotermiche.
Le proprietà termiche del sottosuolo e delle sonde geotermiche sono parametri chiave nel dimensionamento ed influiscono grandemente sul numero di sonde geotermiche richieste dal sistema, nonché sulla distribuzione superficiale e sulla geometria dei collegamenti.
La misura di tali proprietà in sito permette l'ottimizzazione del serbatoio geotermico.
Si è visto che il moto di falda può influire  (che incide sulla scelta dellaldirettamente sul valore di conduttività termica  profondità delle sonde geotermiche e sulla spaziatura tra l’una e l’altra):

I moti di falda possono influire indirettamente sulle prestazioni del sistema poiché:

Ulteriori informazioni