geotermia e pompe di calore

GEOTERMIA E POMPE DI CALORE
Che cos’è la geotermia
Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" e il significato letterale è "calore della
Terra". L’energia geotermica, quindi, è la forma d’energia dovuta al calore endogeno della
Terra; vulcani, sorgenti termali, soffioni e geysers documentano la presenza di calore
immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l'esterno con l’ausilio di fluidi vettori
come acqua e vapore.
La temperatura, all’interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità: 3°C ogni 100 metri,
anche se esistono zone dove il flusso di calore è maggiore (9-12°C ogni 100 metri).
Lo sfruttamento dell’energia geotermica consiste nell’utilizzazione del calore, contenuto in rocce
relativamente vicine alla superficie, dove arriva propagandosi dalle zone più profonde della
Terra.
Per fare un esempio, in un sistema geotermico, l’acqua penetra nel sottosuolo attraverso rocce
permeabili formando delle falde sotterranee e, per effetto del calore trasmesso alle rocce da una
fonte, quale una massa magmatica, il sottosuolo si scalda fino a raggiungere temperature di
alcune centinaia di gradi; il fluido (acqua e/o vapore) in queste condizioni risale lungo faglie o
fratture dando luogo alle manifestazioni geotermiche.
La risalita può anche essere indotta artificialmente tramite una perforazione meccanica (pozzo
geotermico): il fluido così captato, dopo alcuni trattamenti, è inviato agli impianti di
utilizzazione (produzione di energia elettrica o usi diretti).
Figura 1 – Rappresentazione grafica di un sistema geotermico
Dal punto di vista dell’utilizzazione, la geotermia si può così dividere:
1. ad alta entalpia (produzione di energia elettrica e usi industriali, con fluidi a temperature
superiori ai 150° C)
2. a media e bassa entalpia (usi diretti civili, agricoli e industriali)
3. ad uso termale, terapeutico e ricreativo.
Data l’assenza di manifestazioni geotermiche significative sul territorio bergamasco, nel seguito
l’attenzione sarà concentrata esclusivamente sui sistemi a bassa entalpia e, in particolare, sullo
sfruttamento dell’energia geotermica tramite pompe di calore. A pochi metri di profondità dalla
superficie terrestre, infatti, il terreno mantiene una temperatura quasi costante per tutto l'anno,
permettendo quindi di estrarre calore d'inverno per riscaldare un ambiente, e di cedere calore
durante l'estate per raffrescare lo stesso ambiente. Durante tale scambio si inserisce la pompa di
calore.
Che cos’è una pompa di calore
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore, da un corpo a temperatura più
bassa (sorgente fredda) ad un corpo a temperatura più alta (pozzo caldo). Il pozzo caldo è
costituito dall’aria o dall’acqua da distribuire agli ambienti da riscaldare.
Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura ed è possibile
solo fornendo energia dall’esterno alla macchina che "pompa il calore". Tuttavia il vantaggio
nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire molta più energia termica di
quella che impiega per funzionare.
Il principio di funzionamento che sta alla base della pompa di calore è un ciclo termodinamico
chiamato ciclo frigorifero (analogo al funzionamento dell’omonimo elettrodomestico), o ciclo a
motore inverso.
Nel caso in cui la pompa sia in grado di produrre alternativamente calore (ad esempio durante
l’inverno) o raffrescamento (ad esempio, durante l’estate), la pompa è definita "reversibile".
1 Kwh di energia
elettrica
Almeno 2,5 kWh
di calore
A seconda di come viene fornita l’energia per l’innalzamento della pressione del fluido
refrigerante i circuiti frigoriferi si distinguono in:
•
•
circuiti a ciclo di compressione meccanica;
circuiti a ciclo termico o ad assorbimento.
Nel primo caso l’energia fornita è di tipo meccanico e il ciclo è comunemente detto a
compressione, nel secondo caso l’energia è di tipo termico e il ciclo è indicato ad assorbimento.
Particolarmente interessante, nell’ottica dell’efficienza energetica, è l’impiego delle pompe di
calore ad assorbimento, che presentano il vantaggio di richiedere l’energia necessaria al loro
funzionamento sotto forma di calore (energia poco pregiata), rispetto a quella richiesta dalle
pompe di calore elettriche (energia più pregiata)31. Tali macchine, presentate per la prima
volta sul mercato nel marzo del 2004, sono macchine termiche alimentate a Gas Naturale (o
GPL), sono basate su un ciclo termodinamico ad assorbimento, contenengono fluidi non
lesivi dell'ozono stratosferico e sono caratterizzate da bassi livelli di emissività (NOx). Le
prestazioni sono molto elevate e superano, a seconda delle versioni considerate, di oltre il 3040% le efficienze presentate delle migliori caldaie a condensazione.
Efficienza delle pompe di calore
Pompa di calore elettrica
L'efficienza di una pompa di calore elettrica è
misurata dal coefficiente di prestazione
"C.O.P.", che è il rapporto tra energia fornita
(calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed
energia elettrica consumata.
Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di
pompa di calore e delle condizioni di
funzionamento ed ha, in genere, un valore
minimo pari a 2,5.
Questo vuol dire che per 1 kWh di energia
elettrica consumato, fornirà al minimo 2,5 kWh
di calore al mezzo da riscaldare.
L'efficienza sarà tanto maggiore quanto più
bassa è la temperatura a cui il calore viene
ceduto (nel condensatore) e quanto più alta
quella della sorgente da cui viene assorbito
(nell'evaporatore).
Va tenuto conto inoltre che la potenza termica
resa dalla pompa di calore dipende dalla
temperatura a cui la stessa assorbe calore.
Quando la temperatura della sorgente fredda
(aria) è compresa tra -2°C e 2°C la pompa di
calore si disattiva in quanto le sue prestazioni si
ridurrebbero significativamente.
Pompa di calore ad assorbimento a gas
L'efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione
del gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficienty),
che è il rapporto tra l'energia fornita (calore
ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia
consumata
dal
bruciatore.
Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di
pompa di calore e delle condizioni di
funzionamento ed ha, in genere, valori intorno
a 1,5.
Questo vuol dire che per 1 kWh di gas
consumato fornirà 1,5 kWh di calore al mezzo
da riscaldare.
La pompa di calore a gas può funzionare fino a
temperature dell'aria di -20°C (20° sotto lo
zero) fornendo un’efficienza ancora intorno a
1, paragonabile a quella di una caldaia a
condensazione.
Come funziona una pompa di calore
La pompa di calore risulta costituita da un circuito chiuso attraversato da un fluido frigorigeno
(es. (HFC, NH3, CO2) e composto dai seguenti apparati:
•
•
•
31
una sorgente energetica (compressore/generatore-assorbitore)
un condensatore (in cui il fluido frigorigeno passa dallo stato gassoso a quello liquido
cedendo calore (Q2));
una valvola di espansione/serie di restrittori (in cui il fluido frigorigeno abbassa la
propria pressione e temperatura ed evapora parzialmente)
Il fattore di conversione termico/elettrico nelle centrali termoelettriche è oggi assumibile pari a circa 0,36 in Italia
e 0,40 in Europa.
•
un evaporatore (nel quale il fluido frigorigeno assorbe calore (Q1) ed evapora
completamente)
Fornendo dunque energia al fluido frigorigeno questo, nell'evaporatore, assorbe calore (Q1) dalla
sorgente fredda e, tramite il condensatore, lo cede al pozzo caldo (Q2).
Il calore (Q2) può poi essere ceduto all’ambiente mediante normali serpentine inserite nel
pavimento, radiatori o ventilatori-convettori (nel caso di distribuzione con circuito d'acqua),
oppure canalizzazioni per il trasferimento del calore ai diversi locali (nel caso di distribuzione
del calore mediante aria).
Sorgente
energetica
sorgente
energetica
Come visto dunque il ciclo frigorifero che si sviluppa tramite un fluido32 che cambia
agevolmente di stato, riesce a trasferire calore da un corpo (evaporatore) ad un altro
(condensatore) durante la produzione di freddo, oppure viceversa durante la produzione di caldo
(pompa di calore). La vasta disponibilità di apparecchiature si articola pertanto sulla
combinazione di queste due possibilità operative applicate ai fluidi secondari disponibili.
In particolare si usa classificare le pompe di calore secondo la natura della sorgente fredda e di
quella calda.
Le principali sorgenti fredde sono:
• l'acqua: di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da
riscaldare e a ridotta profondità. Altre sorgenti possono essere costituite da acqua
accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare. L'acqua garantisce migliori
prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne;
tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione dell'acqua.
• il suolo, nel quale vengono inserite a profondità variabile delle specifiche tubazioni
relative all'evaporatore (tubazioni chiamate sonde geotermiche). Il terreno ha il vantaggio
di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all'aria.
• l'aria: esterna al locale da riscaldare (tipicamente l'aria dell'ambiente esterno). Essa ha il
vantaggio di essere disponibile ovunque e di non necessitare di autorizzazioni per il
32
I fluidi refrigeranti devono avere caratteristiche tali da modificare il loro stato fisico (liquido-vapore) all’interno di
un campo di pressione e temperatura compatibili con la macchina e le condizioni ambientali. I fluidi generalmente
utilizzati sono gli idrofluorocarburi (es. R134a, R507), che hanno progressivamente sostituito i clorofluorocarburi
(es. R12 - gas di prima generazione, con elevato potere lesivo per lo strato di ozono stratosferico e per questo motivo
messi al bando) e gli idroclorofluorocarburi (es. R22 - gas il cui potere lesivo per l’ozono, pur significativamente
inferiore ai precedenti, è ancora maggiore da zero e per questo soggetto a restrizioni).
prelievo; tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore diminuisce con la temperatura
della sorgente.
Il calore può essere ceduto all'ambiente attraverso:
•
•
•
ventilconvettori, costituiti da armadietti nei quali l'aria viene fatta circolare attraverso
corpi scaldanti. Questi possono essere del tipo a parete, a soffitto oppure ad incasso;
serpentine inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda. Il riscaldamento
avviene prevalentemente per radiazione e richiede una temperatura dell'acqua più bassa;
canalizzazioni, che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai
diversi locali, per mezzo di opportuni canali d'aria e bocchette di diffusione.
In funzione della natura della sorgente fredda e del pozzo caldo si possono distinguere le
seguenti tipologie di sistemi:
Pozzo caldo
Sorgente
fredda
ACQUA-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla
sorgente fredda costituita da acqua (di lago, fiume o falda) e la
cede al pozzo caldo costituito da un circuito d'acqua (di
riscaldamento degli ambienti).
ACQUA-ARIA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente
fredda costituita da acqua (di lago, fiume o falda) e la cede al
pozzo caldo costituito da aria (quella dell'ambiente riscaldato).
SUOLO-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla
sorgente fredda costituita dal terreno e la cede al pozzo caldo
costituito da un circuito d'acqua (di riscaldamento degli
ambienti).
ARIA-ACQUA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente
fredda costituita dall'aria (esterna) e la cede al pozzo caldo
costituito da un circuito d'acqua (di riscaldamento degli
ambienti).
ARIA-ARIA la pompa di calore preleva calore dalla sorgente
fredda costituita dall'aria (esterna) e cede al pozzo caldo
costituito ancora da aria (quella dell'ambiente riscaldato).
A seconda dunque delle necessità di riscaldamento e della configurazione della struttura abitativa
sono disponibili diverse soluzioni tecnologiche.
1.1.1
Sistemi acqua–acqua e acqua–aria
L’acqua costituisce un’interessante sorgente termica, anche se non sempre reperibile. Il suo uso,
dunque è limitato alle zone in cui è possibile estrarre l’acqua in prossimità di corpi idrici
superficiali o falde sotterranee facilmente accessibili. Nel caso di utilizzo di acqua sotterranee
l’acqua arriva nello scambiatore tramite una “pompa sommersa”; dopo il raffreddamento nel
circuito della pompa di calore l’acqua è scaricata ad almeno 10 m a valle del punto di prelievo. Il
flusso di ritorno deve rispettare il senso di flusso della falda. Il calore necessario arriva
all’abitazione attraverso un circuito di distribuzione idraulico (nei sistemi acqua-acqua) o
attraverso canalizzazioni di distribuzione dell’aria (nei sistemi acqua-aria).
Sistemi suolo–acqua
In questo tipo di sistemi le pompe di calore sfruttano l'energia termica del suolo, da considerare
rinnovabile a tutti gli effetti. Infatti, sia le precipitazioni, sia le reazioni naturali che hanno luogo
nel sottosuolo, sia il calore che fluisce dal centro della terra verso la superficie, mantengono il
sottosuolo a temperature praticamente costanti durante tutto l'anno (a parte i primissimi metri,
che subiscono l'influenza dell'inverno), complice anche l'enorme inerzia termica. Le temperature
del sottosuolo, fino a 100-200 m di profondità si aggirano sui 10-15 gradi circa. La costanza
della temperatura del suolo comporta un duplice benefico effetto: durante l'inverno il terreno si
trova a temperature relativamente più calde dell'aria esterna; durante l'estate la temperatura è più
bassa di quella dell'aria.
Grazie al fatto che il terreno è a temperatura costante durante tutto l'anno, la pompa di calore
mantiene sempre un'efficienza elevata di lavoro e di conseguenza in questi casi non è necessario
integrare con sorgenti termiche d'appoggio.
E’ in questo caso specifico che si può parlare di pompa di calore associata allo sfruttamento
dell’energia geotermica. Ogni sonda geotermica è costituita da un circuito chiuso (andataritorno) all’interno dei quali circola un fluido termovettore (normalmente miscela di acqua e
glicole33). Solo per applicazioni di minore potenzialità possono utilizzarsi pompe di calore
geotermiche ad espansione diretta, cioè con tubazioni di rame rivestito di polietilene affogate nel
terreno nelle quali scorre direttamente il fluido frigorigeno.
Diversi sono gli scambiatori di calore geotermici e le loro disposizioni. Infatti per quanto
riguarda i sistemi di captazione esistono due tipi di sonde (o sensori) a seconda del terreno:
•
la sonda orizzontale, a forma di serpentina, interrata a una profondità di 60 cm in una
superficie che varia tra il 120% e il 150% rispetto alla superficie da scaldare; è un sistema
dunque semplice nella posa (senza bisogno di perforazioni), ma che richiede una
superficie vasta per lo scambio termico34 ;
• la sonda verticale, nel caso in cui la superficie esterna disponibile non sia sufficiente. La
profondità della sonda può raggiungere, e anche superare, i 100-110 metri circa. I
prerequisiti per l’installazione di una sonda geotermica verticale sono la possibilità di
accedere al sottosuolo e non avere vincoli alla perforazione, e di avere tipi di sottosuolo
con una conducibilità termica sufficientemente elevata, dotati cioè di una buona capacità
di trasportare calore. La conoscenza del tipo di sottosuolo gioca un ruolo determinante
per il dimensionamento corretto dell'impianto, poiché non tutti i tipi di rocce e di terreni
hanno le stesse caratteristiche fisiche; per determinare il rendimento termico del terreno a
disposizione è quindi necessario svolgere opportune indagini geologiche. La presenza
d'acqua poi aumenta il rendimento di un impianto migliorando lo scambio termico tra
impianto e sottosuolo. Ogni sonda geotermica verticale è costituita da due moduli doppi
in polietilene uniti a U in modo da formare un circuito chiuso (andata-ritorno) all’interno
dei quali circola acqua glicolata. La soluzione viene inviata nel circuito della sonda a 3°C e, a contatto con il terreno più caldo, essa si riscalda fino a 0°C e viene portata alla
pompa di calore che la utilizza come sorgente fredda. I tubi delle sonde vengono collegati
in superficie ad un collettore a sua volta collegato alla pompa di calore. In entrambi i casi
sia la profondità di perforazione, sia l'estensione della superficie di posa dipendono dal
fabbisogno termico richiesto e dunque variano da abitazione ad abitazione.
La pompa di calore riscalda l’acqua dell’impianto di riscaldamento e trova applicazione
soprattutto abbinata ad impianti a bassa temperatura ottenendo un rapporto estremamente
vantaggioso tra energia fornita ed energia elettrica assorbita.
33
Talvolta tali sistemi sono classificati “Sistemi acqua-acqua” facendo riferimento alla natura del fluido
termovettore, piuttosto che alla sorgente fredda.
34
La norma prEN 15450 annex A del 2006 prevede i seguenti valori: per terreni secchi circa 10 W/m2, per terreni
misti mediamente 25 W/m2, per terreni umidi circa 40 W/m2.
Esempio di sonda verticale
Sistemi aria–aria e aria-acqua
Il principio di funzionamento è lo stesso delle pompe di calore geotermiche e in questo caso non
c'è nemmeno bisogno di perforazioni o scavi. L'aria presenta tuttavia variazioni di temperatura e
umidità notevoli durante l’anno, che, nel caso dei cicli a compressione, riducono sensibilmente il
rendimento medio delle pompe. Quasi nulla è invece l’influenza di questi fattori nel caso di
pompe di calore con ciclo ad assorbimento, in grado comunque lavorare con prestazioni più che
apprezzabili anche a temperature esterne di parecchi gradi sotto lo zero.
Il 95% delle di pompe di calore installate in Italia utilizza come sorgente fredda l’aria e in
particolare l’84% dei pezzi (il 58% in termini di fatturato) è costituito dalla tipologia aria-aria.
All’interno di questa tipologia, lo schema più diffuso prevede l’utilizzo di split.
Le pompe di calore di tipo aria-acqua totalizzano sul mercato italiano solamente il 12% in
termini di pezzi venduti, ma, considerando il fatturato totale, realizzano una quota pari al 37%.
Ciò perchè si tratta di macchine medio-grandi (20-30 kW in media contro i 5-10 delle macchine
aria-aria) che costano mediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria.
Opportunità e vincoli
A livello impiantistico un’unica macchina, silenziosa e dalle dimensioni contenute, consente
dunque sia di riscaldare che di raffrescare. La pompa di calore sostituisce quindi in tutto e per
tutto caldaia e gruppi frigo; può essere alloggiata in qualsiasi locale o anche all’esterno (se
condensata ad aria), perché non necessita di ambienti dedicati e, se alimentata elettricamente,
non necessita di canna fumaria. Inoltre la pompa di calore è integrabile con qualsiasi fonte
energetica rinnovabile, per esempio può essere alimentata dall'energia fotovoltaica e se unita a
sistemi solari termici per la produzione di acqua calda, si ottengono i più alti valori di efficienza.
I principali vantaggi derivanti dunque dall’utilizzo della pompa di calore e dallo sfruttamento
dell’energia geotermica sono legati ad aspetti economici, ecologici e di sicurezza dell’impianto.
L’utilizzo di tale tecnologia, adattabile a qualsiasi tipologia di edificio e a qualsiasi zona
geografica, riduce infatti le emissioni di CO2 in atmosfera e l’utilizzo di combustibili fossili.
Per contro l’utilizzo di sonde geotermiche provoca problemi transitori di “inquinamento
acustico” durante le perforazioni, che possono comunque essere minimizzati da opportuni
interventi di isolamento e da opportune misure gestionali. Inoltre, come per qualsiasi
perforazione, deve essere prestata particolare attenzione alla tutela delle falde acquifere e dei
corpi idrici superficiali, per evitare sia l’alterazione del regime idrico, sia la messa in
comunicazione delle falde profonde con quelle più superficiali.
Le autorizzazioni da conseguire per l’installazione di una pompa di calore con sonde
geotermiche o con utilizzo di acqua (superficiale o di falda) sono:
•
•
•
l’autorizzazione da parte dell'Autorità Competente per lo scavo dei pozzi;
la concessione di derivazione di acque superficiali o sotterranee (nel caso di sistemi ad
acqua), che viene di norma concessa, a meno di conflitto con zone di protezione delle
acque, di riserve o di captazioni idriche;
l’autorizzazione allo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo, in deroga al
divieto generale stabilito dall’art. 104 del D.Lgs. 152/200635
I costi
Gli elementi che debbono essere presi in considerazione per ogni stima economica sono molto
diversi da caso a caso.
Per l’energia geotermica, tali elementi sono più numerosi e più complessi che per le altre forme
di energia rinnovabile.
Un sistema di sfruttamento geotermico (risorsa – impianto) è formato dai pozzi geotermici, dai
tubi che trasportano i fluidi geotermici, dall’impianto di utilizzazione e, in molti casi, dai pozzi
di re-iniezione. L’interazione di tutti questi elementi influisce molto sul costo del progetto e,
pertanto, devono essere analizzati con grande cura.
Per quanto riguarda le sonde geotermiche verticali, in determinate condizioni, in particolare per
abitazioni nuove, i costi d’investimento sono simili a quelli di un sistema di riscaldamento
tradizionale, mentre le spese di funzionamento sono decisamente più contenute. Anche nel caso
della ristrutturazione di un’abitazione o della necessità di sostituire il sistema di riscaldamento,
vale la pena di valutare i costi ed i vantaggi di una sonda geotermica. A titolo puramente
indicativo (fonte: Società Svizzera per la geotermia), un impianto a sonde geotermiche verticali
con una potenza della pompa di calore di circa 3 kW e una profondità di perforazione di circa
120 m ha un costo complessivo di circa 15.000 Euro (di cui poco più di un terzo dovuti alla
perforazione e altrettanto alla pompa di calore).
Diverso è invece il caso in cui vengano utilizzate pompe di calore condensate ad aria, previste
per installazioni all’aperto. In questo caso, infatti, non esistono particolari costi aggiuntivi (al di
là del puro costo della macchina). Dato il modesto peso ed ingombro delle apparecchiature,
queste possono essere facilmente collocate in copertura o al suolo ed essere quindi inserite con
minori interventi impiantistici in caso di ristrutturazione di realizzazioni già esistenti .
Diffusione e prospettive di sviluppo
Le applicazioni non elettriche dei fluidi geotermici a bassa entalpia si stanno sviluppando in
molti paesi del mondo situati in zone caratterizzate da gradienti termici bassi o normali: per
esempio, nella regione di Parigi, migliaia di abitazioni sono scaldate con acqua a temperature
comprese tra 60 e 73° C che si trovano a 1.800 metri di profondità.
Nei paesi dove si sta diffondendo lo sfruttamento dell’energia geotermica alle più basse
temperature (7-40° C), quali la Svezia, il Giappone, gli Stati Uniti, la Svizzera, la Germania e la
Francia, l’uso delle pompe di calore ha toccato dei livelli sorprendenti; negli Stati Uniti per
35
Tale deroga è espressamente prevista per “gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi
geotermici”.
esempio nel 1993 ne erano installate più di 150.000. In Svizzera si calcola un numero di nuove
installazioni pari a 8.000 nel 2003, contro le 3.000 del 1993, grazie anche al programma federale
ENERGIA 2000, con oltre il 50% delle nuove abitazioni monofamiliari.
Diverse sono le ricerche in atto, tese a migliorare le prestazioni ambientali della pompa di calore
mediante l’impiego di fluidi refrigeranti a minor impatto e di sistemi ad elevato COP.
In Italia tali applicazioni risultano ancora troppo esigue rispetto alle potenzialità accertate,
occorrerebbe quindi seguire l’esempio di Paesi industrializzati, dove lo sfruttamento di questa
risorsa ha raggiunto dei buoni risultati.
Un particolare ringraziamento viene rivolto all’Ing. Silvestri (Ordine Ingegneri di
Bergamo) e all’Ing. De Paoli (Robur s.p.a.) per il prezioso contributo fornito.