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Geotermico


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GEOTERMIA

La geotermia è la pratica di utilizzo del calore endogeno accumulato nella crosta terrestre a profondità piu’ o meno elevate. L’utilizzo dell’energia geotermica è una forma di energia rinnovabile in quanto la crosta terrestre rappresenta una fonte inesauribile di calore che, anche in presenza di massicci prelievi, si ripristina ai livelli originari in maniera sensibilmente costante. Il calore endogeno si manifesta con l’aumento progressivo della temperatura delle rocce con la profondità, secondo un gradiente geotermico, in media, di 3°C ogni 100m di profondità. Alcune zone presentano gradienti più alti della media (9°-12°C ogni 100m), a causa di anomalie geologiche o vulcaniche. L’energia termica accumulata nel sottosuolo è resa disponibile tramite vettori fluidi (acqua o vapore), naturali o iniettati, che fluiscono dal serbatoio geotermico alla superficie spontaneamente (geyser, soffioni, sorgenti termali) o erogati artificialmente tramite perforazione meccanica (pozzo geotermico).
La principale suddivisione contraddistingue le sorgenti geotermiche dal punto di vista delle energie in gioco e conseguentemente del tipo di utilizzo conveniente delle risorse geotermiche. Si parla allora di:

  • Impianti ad ALTA ENTALPIA, in cui il fluido termovettore (generalmente acqua) viene pompato a grandi profondità (dell’ordine di centinaia di metri fino a 2-3 km) e ritorna in superficie in forma di vapore ad alta temperatura (circa 250°C). Questo vapore viene generalmente sfruttato per usi industriali o piu’ spesso per azionare turbine a vapore collegate ad alternatori per la produzione di energia elettrica, costituendo le centrali geotermiche . Lo sfruttamento geotermico di questo genere avviene sempre in zone particolarmente adatte per le loro caratteristiche geologiche: in Italia sono famose le centrali di Larderello in Toscana sfruttate fin dai primi del ‘900 e in Europa quelle in Islanda dove il vapore fuoriesce in maniera naturale ad alta pressione dal sottosuolo (fenomeno dei geyser).
  • Impianti a MEDIA o BASSA ENTALPIA in cui le temperature del fluido termovettore non superano gli 80-100 °C (media entalpia) o sono dell’ordine dei 10-20°C (bassa entalpia). In entrambi i casi lo sfruttamento è rivolto ad usi termici, che possono essere diretti (teleriscaldamento e serricoltura ) nel caso di temperature piu’ elevate o piu’ spesso indiretti nel caso di prelievi a bassa temperatura.

Ci soffermeremo di seguito sulla geotermia a bassa entalpia che è quella a diffusione piu’ estesa e praticabile a livello residenziale.

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GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA (BASSA TEMPERATURA)

La tecnologia della geotermia di bassa temperatura o bassa entalpia per la produzione di acqua calda per il riscaldamento e per usi sanitari in inverno e acqua refrigerata per il raffrescamento in estate è pratica ormai consolidata in altri paesi, mentre è stata introdotta in Italia piu’ di recente. Tuttavia solo negli ultimi anni, con l’aumento del costo dei combustibili petroliferi e la crescente attenzione alle fonti rinnovabili, la geotermia ha trovato grande interesse e discreta diffusione, essendo un investimento che, a certe condizioni, si può ripagare in tempi brevi.
L’impianto geotermico è composto da una o più sonde geotermiche (che possono avere sviluppo verticale oppure orizzontale) connesse in un circuito chiuso con una pompa di calore ed un serbatoio di accumulo inerziale e scambio termico con l’impianto di riscaldamento (a cui si deve aggiungere eventualmente un serbatoio di accumulo per acqua calda sanitaria). Le sonde geotermiche sono costituite da tubi in polietilene (lo stesso usato per le reti di acqua potabile) che vengono calati in fori nel sottosuolo di diametro pari a 110 – 115 mm, successivamente riempiti con miscele di cemento e bentonite, profondi circa 100 metri, all’interno dei quali circola acqua addittivata con sostanze antigelo e attraverso essi l’acqua di circolazione scambia calore con il sottosuolo.

L’accumulo inerziale è un serbatoio coibentato che viene utilizzato per aumentare l’inerzia dell’impianto e per compensare le variabilità di richiesta termica rispetto alle quantità scambiate dalla pompa di calore. L’accumulo sanitario è un serbatoio opportunamente coibentato, nel quale si accumula acqua calda, che verrà poi utilizzata (non direttamente, ma attraverso uno scambiatore) per la produzione di acqua calda sanitaria. L’utilizzo di un accumulo sanitario è necessario in quanto la pompa di calore, a meno che non sia sovradimensionata, produce acqua calda ad elevata temperatura, ad una velocità non sufficiente rispetto alle esigenze domestiche. La pompa di calore (con lo stesso principio di un gruppo frigorifero) trasporta calore da un livello di temperatura piu’ basso ad uno più alto. Il calore contenuto nelle acque del sottosuolo, nelle acque aperte, nell’aria, nella terra ed il calore endogeno del terreno sono adatti per l’impiego delle pompe di calore. Per il trasporto del calore è necessaria fornire alla macchina energia elettrica, che indirettamente (azionando il compressore e le pompe di circolazione) viene ugualmente trasformata in calore ed utilizzata per il riscaldamento. Per misurare l’efficienza delle pompe di calore si parla allora di COP ( coefficiente di prestazione) dato dal rapporto tra energia resa (ad esempio calore per il riscaldamento) ed energia elettrica consumata. Un valore del COP ad esempio pari a 3 vuol dire che, per ogni KWh d’energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 KWh di calore. I valori tipici (nominali per salti temperatura tra fluido in ingresso e in uscita compresi tra 25 e 40°C e temperatura in ingresso di circa 12°) di COP delle pompe di calore per usi geotermici variano da 6 a 4. Il valore di COP cala però drasticamente al crescere del salto termico tra ingresso e uscita scendendo al di sotto di 2 per intervalli di 60°C; viceversa il COP supera valori di 7-8 con intervalli di 15-20°C. Questo è il motivo per cui gli impianti geotermici funzionano bene esclusivamente con impianti di riscaldamento a bassa temperatura (pavimenti o pareti o soffitti radianti).
La pompa di calore è una macchina reversibile che in estate è in grado di invertire la direzione dei flussi termici e quindi di prelevare calore dall’ambiente abitativo e cederlo tramite le sonde al sottosuolo. Si ottiene quindi un sistema di condizionamento dell’ambiente senza l’aggiunta di altri impianti. In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall’EER (energy efficiency ratio)

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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Nella quasi totalità dei sottosuoli, superati i primi 10 m di profondità in cui il gradiente di temperatura varia con la stagione, la temperatura nei primi 100 metri si attesta, con buona approssimazione, su valori costanti, compresi tra 12°C ai 15°C. Fanno eccezione quei luoghi a vocazione geotermica classica, dove la temperatura del sottosuolo è più elevata.
Un impianto geotermico estrae calore dal sottosuolo (tramite le sonde interrate) durante la stagione invernale e con meccanismo analogo, ma a flussi invertiti, ne cede durante la stagione estiva.

Per estrarre calore dal sottosuolo mediante la sonda geotermica verticale, è sufficiente immettere acqua nella sonda ad una temperatura di 4-6°C inferiore a quella del sottosuolo. Trovando un intorno di 15°C dopo aver percorso 200 mt, 100 a scendere e 100 a salire, l’acqua tornerà su ad una temperatura superiore rispetto a quella a cui è stata immessa. Ovviamente la temperatura dell’acqua che risale, non sarà di 15°C, ma di qualche grado inferiore.

Si osserva che all’inizio della stagione invernale una volta che il sistema è a regime, la temperatura con cui l’acqua sale dal sottosuolo è pari a circa 10°C, mentre la temperatura in ingresso nel sottosuolo è pari a 6°C. Alla fine della stagione invernale, a causa del prelievo termico, la differenza di temperatura fra mandata e ritorno dell’acqua nella sonda, di solito si mantiene costante, mentre la temperatura media si abbassa anche di 7-8°C. In queste condizioni, si avrà quindi una mandata al sottosuolo a 0°C ed un ritorno in pompa di calore a 4°C. In estate la temperatura del sottosuolo (anche grazie al contributo delle iniezioni di calore dell’impianto usato con funzione di raffrescamento) riprenderà i valori originari: nella pratica si è osservato un raffreddamento minimo di pochi °C del suolo dopo anni di funzionamento.

Le temperature di mandata e di ritorno nella sonda sono funzione di numerosi parametri. Alcuni parametri sono determinabili in fase di progetto: caratteristiche geologiche del sottosuolo; lunghezza sonde; potenza termica ceduta dal terreno per unità di lunghezza ; temperatura media del sottosuolo; portata dei circolatori in pompa di calore; presenza o meno di falde. Altri parametri non sono sempre facilmente prevedibili in quanto funzione di come verrà utilizzato l’impianto, delle ore di funzionamento, delle ore di lavoro della pompa di calore, delle energie in gioco durante la stagione invernale, delle richieste di acqua calda sanitaria. In fase di dimensionamento delle sonde, si stimano dati medi, anche se poi ogni situazione va studiata nel dettaglio considerando le sue peculiarità.

E’ fondamentale progettare la lunghezza delle sonde a partire proprio dai valori di temperatura minima e massima desiderati in ingresso alla pompa di calore per evitare di avere impianti sovradimensionati (con costi di impianto inutilmente elevati) o peggio sottodimensionati (con costi di esercizio elevati perché la pompa di calore non lavora in condizioni ottimali). Il parametro termico che descrive le proprietà termofisiche di scambio del fluido termovettore, delle sonde e del materiale di riempimento prende il nome di “resistenza termica equivalente del pozzo” ed è proporzionale alla potenza scambiata e alla differenza di temperatura fra il fluido in sonda e il sottosuolo circostante. In fase di installazione si effettua, tramite una sonda pilota, il cosiddetto “Ground Response Test” [GRT] proprio per verificare in opera il valore effettivo di resistenza termica. La sonda pilota entrerà poi a far parte successivamente del campo sonde. Durante il GRT una quantità definita di flusso termico viene immessa nella sonda. Si provvede quindi alla misura delle variazioni di temperatura del fluido termovettore che ritornano dal sottosuolo, determinando di conseguenza lo scambio termico in quelle condizioni.

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Vantaggi degli impianti geotermici

I principali vantaggi degli impianti geotermici si possono riassumere nei seguenti punti:

  • Impianto: a livello impiantistico, un’unica macchina silenziosa e dalle dimensioni contenute, consente sia di riscaldare che di raffrescare. La pompa di calore geotermica (se ben dimensionata) sostituisce quindi la caldaia per il riscaldamento ed i gruppi frigo per il raffrescamento; può essere alloggiata in qualsiasi locale, perché non necessita di ambienti dedicati e non necessita di canna fumaria.
  • Ambiente: gli impianti di climatizzazione geotermici rappresentano una delle tecnologie meno inquinanti, e più rispettose dell’ambiente. In questo tipo di impianti si ha la totale assenza di emissioni di CO2 o di altri residui della combustione (ossidi di azoto, ossidi di zolfo, polveri sottili, particolato etc). Gli impianti geotermici, sono il sistema che ha il più basso valore delle emissioni di CO2 fra tutte le tecnologie disponibili per la climatizzazione e il più basso impatto ambientale complessivo. Durante l’estate poi, questi impianti non contribuiscono in alcun modo all’inquinamento termico dell’atmosfera, in quanto smaltiscono il calore nel sottosuolo, generando accumulo termico per la stagione invernale successiva. Gli impianti geotermici possono essere poi abbinati a impianti solari termici per garantire acqua calda anche in estate e ad impianti fotovoltaici per l’approvvigionamento di energia elettrica da fonte rinnovabile.
  • Manutenzioni: le manutenzioni ad un impianto di climatizzazione geotermica sono pressoché nulle rispetto alle costose manutenzioni necessarie alla caldaia (pulizia del camino, controllo del bruciatore, etc.) o ai gruppi frigoriferi.
  • Durata degli impianti: La durata degli impianti supera di gran lunga quella dell’edificio che li ospita. Le prime sonde geotermiche sono state installate in Germania 50 anni fa. E’ presumibile ipotizzare che le sonde installate oggi durino almeno 50 anni. La vita media delle migliori pompe di calore geotermiche, ammonta a circa 40.000 ore di funzionamento. Considerato che una pompa di calore lavora dalle 2.000 alle 2.500 ore/anno, la durata di un macchinario di questo tipo è pari a circa 20 anni.
  • Efficienza elevata: se il sistema è correttamente dimensionato, la pompa di calore assicura un rendimento superiore a quello dei sistemi convenzionali ad aria o a combustibili fossili.
  • Costi di esercizio: i costi di esercizio sono sensibilmente ridotti rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionale. Rispetto al riscaldamento a metano (che è il combustibile di origine fossile piu’ competitivo) ad oggi si possono considerare costi inferiore del 50-60%.

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Limiti e costi degli impianti geotermici

I principali limiti degli impianti geotermici si possono riassumere nei seguenti punti:

  • Suoli non idonei: la geotermia può essere utilizzata ovunque ad eccezione di quei sottosuoli che hanno una vocazione geotermica classica, quindi si trovano a temperatura superiore ai 35-40°C, oppure nei sottosuoli che presentano cavità naturali, come ad esempio i sottosuoli carsici. Rimane chiaramente l’incertezza sulle caratteristiche effettive del terreno che si andrà a perforare, che può portare anche a significativi aumenti dei costi di perforazione.
  • Vicinanza a siti protetti per il prelievo delle acque: l’installazione di impianti geotermici non è possibile in vicinanza di pozzi, anche privati, utilizzati per il prelievo di acque potabili. Analogamente quando ci sia il rischio di intercettare falde acquifere già sfruttate o di potenziale utilizzo.
  • Utilizzo con impianti di riscaldamento a bassa temperatura: Come detto, è il limite principale. Gli impianti geotermici possono interfacciarsi con rendimenti convenienti solo con impianti di riscaldamento a bassa temperatura, per cui non funzionano bene con impianti in cui l’acqua ai terminali supera i 60-65°C come gli impianti a radiatori.
  • Utilizzo in edifici a basso consumo termico: per evitare sovradimensionamenti (e quindi sovracosti) della pompa di calore è buona norma limitare l’installazione ad edifici a basso consumo termico (diciamo inferiore a 70 kwh /m2 anno).

Rimandando ad alcuni documenti reperibili nei link utili i dettagli dei costi indicativi, ricordiamo che l’installazione di impianti geotermici se installata al servizio di abitazioni adeguate (nei limiti sopradetti) ha tempi di ritorno dell’investimento dell’ordine di 8-10 anni, garantendo durata dell’impianto significativamente superiore a impianti di riscaldamento tradizionale. Chiaramente se l’impianto si configura come ristrutturazione in edifici non idonei i costi salgono dovendosi prevedere anche gli adeguamenti dell’edificio. La convenienza è invece significativa nelle nuove costruzioni dove la progettazione consente di avere edifici a consumo termico ridotto e impianti di riscaldamento a bassa temperatura.

Ricordiamo che la Finanziaria 2008 incentiva con la detrazione del 55% la sostituzione di generatori di calore esistenti con pompe di calore o impianti geotermici a bassa entalpia, purchè si rispettino determinati livelli di COP. Ad oggi (settembre 2008), secondo l’interpretazione corrente, NON sono compresi nella detrazione i costi delle perforazioni: si attendono i chiarimenti ministeriali.


Consulta anche i link utili per il settore geotermico