energia geotermica

Università degli Studi di Perugia
Ing. Andrea Nicolini
Energia geotermica
ENERGIA GEOTERMICA: è la quantità di calore resa disponibile dal sottosuolo terrestre
Vantaggi
- non presenta intermittenza
- è caratterizzata da elevata densità di potenza
- è semplice da sfruttare
GRADIENTE TERMICO: 2,5-3 °C ogni 100 m
Q = 62 H (KJ/m2) H in m (terreno roccioso)
SORGENTI GEOTERMICHE
IDROTERMICHE
Presenza di acqua e/o vapore in sacche sotterranee riscaldate da rocce ignee ad
elevata temperatura e rappresentano gli unici sistemi geotermici utilizzati nel
mondo su scala industriale. A seconda dello stato fisico in cui si trova il fluido
caldo é possibile distinguere tali sistemi in Sistemi a vapore dominante e
Sistemi ad acqua dominante
GEOPRESSURIZZATE
Giacimenti endogeni profondi (2500-9000 m) a temperatura relativamente bassa
(circa 160°C) ed a pressioni che talvolta superano i 1000 bar. Tali giacimenti sono
caratterizzati da una elevata salinità (4-10%) e talvolta risultano saturi di gas
naturali (in prevalenza metano) che ne rendono particolarmente attraente
l’utilizzo, malgrado le pressoché proibitive difficoltà di individuazione e successivo
sfruttamento.
PETROTERMICHE
Banchi di rocce secche (anidre) che si trovano a modesta profondità e sono
mantenute ad elevata temperatura dal magma incandescente che le circonda..
Per far affiorare l’ingente quantità di calore disponibile, occorre iniettare acqua (o
altro fluido termovettore) in un condotto e poi farla risalire (calda) in un altro.
Purtroppo il banco è quasi sempre da grandi strutture monolitiche che rendono
difficile l’iniezione dell’acqua inoltre, data la ridotta conduttività termica delle rocce
stesse, è necessario garantire superfici di scambio le più estese possibili (Q= k.S
ΔTmi) ed a ciò si provvede fessurando la pietra (o meglio, allargando
microfessure preesistenti) iniettando dell’acqua ad elevata pressione (circa 200
bar, tecnica russa) oppure prevedendo l’esplosione sotterranea di piccole cariche
nucleari (tecnica americana).
SORGENTI IDROTERMICHE
1. Sistemi a vapore dominante
Il fluido assume la forma di vapore surriscaldato a circa 200 °C e con una
pressione attorno agli 8 bar. Queste caratteristiche rendono facilmente
sfruttabile il vapore per una espansione nella turbina di un impianto
tradizionale e relativamente poco costoso. La maggior difficoltà è
rappresentata dalla massiccia presenza di gas incondensabili che
determinano l’eccessivo innalzamento della pressione di scarico dalla
macchina; trattandosi poi (a Larderello) di gas contenenti anche acido
borico, la cui azione risulta corrosiva sulle superfici metalliche, è
necessario effettuare un accurato degasaggio, che richiede un certo
consumo di vapore vivo, oppure, se lasciato defluire in turbina, richiede
l’adozione di materiali sofisticati e costosi;
2. Sistemi ad acqua dominante
in cui il fluido si trova, in profondità, allo stato liquido e ad una
temperatura che arriva anche ad essere dell’ordine di 300°C. L’acqua
contenuta nelle sacche può risalire in superficie, alla bocca del pozzo di
perforazione, spontaneamente (in virtù dell’elevata pressione vigente
nella sacca) oppure mediante l’ausilio di pompe. In entrambi i casi la
diminuzione produce una parziale vaporizzazione del liquido, di
conseguenza in superficie si raccoglie una miscela di acqua e vapore e
l’utilizzazione di quest’ultimo può avvenire solo a seguito di un processo
di separazione delle due fasi.
IMPIEGHI ACQUE GEOTERMICHE IN FUNZIONE DI T
T
[°C]
130
SISTEMI DI RISCALDAMENTO
DELLE SERRE GEOTERMICHE.
ENERGIA ELETTRICA
Riscaldamento a convezione
naturale:
110
REFRIGERAZIONE
TELERISCALDAMENTO
(a) tubi sospesi,
(b) pancali riscaldati
(c) tubi posizionati in basso
90
SERRICOLTURA
d) Riscaldamento del
70
RISCALDAMENTO
terreno
Riscaldamento ad aria
50
USI TERMALI
forzata:
e) convettori laterali
30
ACQUACOLTURA
f) ventilatori sospesi
g) convettori posizionati in
alto,
10
USI ALIMENTARI
h) convettori posizionati in
basso.
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
IMPIANTO A CONTROPRESSIONE
 Più semplici e meno costosi
 Consumo di vapore (alla stessa pressione di ingresso) per kilowattora prodotto è circa il doppio di quello di un impianto a condensazione (20‐30 kg/vapore per KWh)
 Utilizzati anche quando il vapore ha un contenuto elevato di gas incondensabili (›12% in peso)  Costruite ed installate molto rapidamente e messe in servizio 13–14 mesi dopo la data dell’ordine o poco più.  Questi impianti sono generalmente di piccole dimensioni (2,5–5 MWe)
 Utili come impianti pilota, come impianti temporanei collegati a pozzi isolati di portata modesta, e per produrre elettricità da
pozzi sperimentali durante lo sviluppo di un campo geotermico
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
IMPIANTO A CONDENSAZIONE
 Richiedono più impiantistica ausiliaria, più complesse di quelle a contropressione  È necessario un tempo almeno doppio per la loro costruzione ed installazione
 Consumo specifico delle unità a condensazione è la metà di quello delle unità a contropressione (15‐16 kg vapore per KWh)
 molto diffusi impianti a condensazione della potenza di 55–60 MWe, ma recentemente sono state costruite ed installate anche unità da 110 MWe.
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
IMPIANTO BINARIO
Utilizzano un fluido secondario di lavoro, di solito un fluido organico (come n‐pentano), che ha un basso punto di ebollizione elevata pressione di vapore a bassa temperatura rispetto al vapore acqueo
il fluido geotermico cede calore al fluido secondario attraverso uno scambiatore di calore, nel quale questo fluido si riscalda e poi vaporizza; il vapore prodotto aziona una normale turbina a flusso assiale collegata ad un generatore, è poi raffreddato, passando allo stato liquido, ed il ciclo comincia di nuovo
Il fluido secondario lavora in un ciclo Rankine convenzionale
IMPIEGHI DIRETTI DEL CALORE
Schema semplificato del sistema di riscaldamento geotermico di un complesso di edifici in Islanda
[Fonte: “Cos’è l’energia geotermica”di Mary H. Dickson and Mario Fanelli, CNR]
SONDE GEOTERMICHE
Per sonde geotermiche si intendono i dispositivi che, per fini energetici, permettono di scambiare calore con una porzione
significativa, al disotto di un metro di profondità dalla superficie terrestre, di suolo, acqua di falda sotterranea, mare o acque
superficiali di laghi e fiumi.
Per captare calore ad alta temperatura le sonde geotermiche possono sfruttare fenomeni naturali del sottosuolo come ad
esempio i geyser, in cui liquidi sotterranei ad elevata pressione e temperatura, tipici dell’Islanda ma anche presenti a
Larderello in Toscana, consentono di alimentare, con fluido geotermico ad alta temperatura superiore a 150°C, centrali
termoelettriche. In tal caso le sorgenti geotermiche si definiscono “ad alta entalpia”. Si parla invece di sorgente geotermica a
media o bassa entalpia quando rispettivamente le temperature sono comprese fra 90°C e 150°C o inferiori a 90°C.
IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI GEOTERMICI
Emissioni in atmosfera
I fluidi geotermici (vapore o acqua calda) di solito contengono gas, come anidride carbonica (CO2),
idrogeno solforato (H2S), ammoniaca (NH3), metano (CH4), e piccole quantità di altri gas, ed anche
sostanze in soluzione, la cui concentrazione generalmente aumenta con l’aumentare della temperatura.
Rumorosità impianti
Il rumore può essere causato ad esempio dallo scorrimento del vapore nelle tubazioni, dallo scarico
occasionale dei pozzi, dai ventilatori delle torri di raffreddamento, dagli eiettori del vapore etc
Abbassamento livello del suolo (fenomeno di Subsidenza)
Fenomeno causato dall’estrazione di grandi quantità di fluido geotermico da suolo. Su lunghi periodi
l’abbassamento della superficie può essere sensibile, dell’ordine di alcune diecine di centimetri ed
anche di metri, e deve essere monitorato sistematicamente per evitare danni alle strutture geotermiche
ed agli edifici civili circostanti. In molti casi la subsidenza può essere prevenuta o ridotta reiniettando nel
serbatoio i fluidi scaricati dagli impianti geotermici.
Temperatura acque di scarico
Le acque di scarico degli impianti geotermici hanno una temperatura generalmente superiore a quella
dell’ambiente circostante e costituiscono potenziali inquinanti termici
Acque di scarico
I fluidi geotermici già sfruttati, se hanno elevate concentrazioni di sostanze chimiche, come boro, fluoruri
o arsenico, dovrebbero essere trattati, reiniettati nel serbatoio o entrambe le cose. I fluidi geotermici a
temperatura medio-bassa, sfruttati nella maggior parte degli usi diretti, generalmente contengono
piccole quantità di sostanze chimiche e raramente le acque di scarico creano problemi importanti.
ENERGIA GEOTERMICA
GEOTERMIA CLASSICA sfrutta anomalie geologiche o vulcanologiche (ad
esempio produzione di energia elettrica da centrali geotermiche come quella di
Larderello).
ENERGIA GEOTERMICA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA sfrutta il sottosuolo come accumulo termico
dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne
durante la stagione estiva.
ENERGIA GEOTERMICA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
La temperatura del terreno varia da una zona climatica all’altra nei primi 15-20
m di profondità, nei quali il calore e le temperature sono pressoché costanti e
influenzate da vari fattori, quali i fattori climatici e, solo in parte dal calore
geotermico generato dal nucleo terrestre.
Superata questa prima fascia si trova la fascia di crosta terrestre nella quale la
temperatura aumenta e non è influenzata da fattori climatici e varia di circa 1° C
ogni 33 m di profondità (gradiente geotermico).
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
Componenti principali di un impianto per lo sfruttamento dell’energia
geotermica a bassa entalpia sono:
• FASCI TUBIERI opportunamente interrati per scambiare calore con il terreno
• POMPA DI CALORE
• SISTEMA DI SCAMBIO DI CALORE con l’ambiente interno (bocchette
d’aria, pannelli radianti, ….)
ENERGIA GEOTERMICA
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
APPLICAZIONI DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
• climatizzazione estiva ed invernale di edifici
• produzione di acqua calda sanitaria
• produzione di caldo/freddo per i cicli produttivi industriali ed alimentari
VANTAGGI
• Utilizzo di una sola macchina per riscaldare e raffrescare
• Basso impatto ambientale (bassa quantità di emissioni inquinanti: quelle
emesse per la produzione di energia elettrica)
• Bassi costi di gestione e manutenzione
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
APPLICAZIONI DELLE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
Poiché la temperatura della sorgente rimane pressoché costante, più è bassa la
temperatura di utilizzo del calore da parte dell’utenza termica e minore sarà il
lavoro meccanico da compiere per trasferire il calore.
La pompa di calore deve operare in abbinamento a sistemi terminali di
erogazione del calore operanti a bassa temperatura:
• Pannelli radianti a pavimento, o parete o soffitto
• Radiatori di grandi dimensioni a bassa temperatura
• Ventilconvettori a bassa temperatura con batterie di scambio
sovradimensionate
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
TIPOLOGIE DI POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
1) PCG a circuito aperto (sistemi che sfruttano direttamente l’acqua sotterranea o
superficiale per lo scambio termico con la pompa di calore)
• Sistemi a circuito aperto costituito da pozzi per il prelievo dell’acqua di falda
• Sistemi che sfruttano direttamente l’acqua superficiale (laghi, lagune, aree
costiere)
2) PCG a circuito chiuso (sfruttano indirettamente il calore contenuto nel terreno
o nei corpi idrici tramite uno scambio con un fluido termovettore circolante in tubi
o sonde)
• Sonde geotermiche verticali
• Sonde geotermiche orizzontali
• Pali energetici
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A CIRCUITO APERTO
Costituito da pozzi per il prelievo dell’acqua di falda che scorre
nel sottosuolo, che costituisce la fonte di calore (sorgente).
1) POZZO DI PRELIEVO, eseguito a monte
del senso di scorrimento della falda in
modo da garantire l’estrazione di acqua
sempre fresca
2) POZZO DI DRENAGGIO, eseguito a valle
rispetto al primo nel senso di
scorrimento della falda ad una distanza
di almeno 15 - 20 m al fine di evitare la
formazione del ricircolo dell’acqua con
conseguente saturazione termica
Per il buon funzionamento del sistema
risulta fondamentale la portata d’acqua
emungibile dal pozzo (più è costante maggiore
è l’efficienza del sistema e
minori sono i rischi di guasti alla PC)
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE VERTICALI
La tipologia più collaudata e utilizzata.
L’impianto è costituito da una serie di tubi
(le sonde) in polietilene reticolato inseriti in
dei fori di profondità trivellati in cui viene
fatto circolare un fluido termo-vettore: una
soluzione a base salina contenente glicole. Il
numero delle sonde e la profondità di
trivellazione dipendono dal fabbisogno di
potenza termica e dalla risposta termica del
terreno. La distanza minima tra due sonde è
dell’ordine di alcuni metri al fine di evitare
disturbi termici reciproci. Al fine di
consentire lo scambio termico tra la sonda e
il terreno circostante e impedire
l’inquinamento della falda il foro viene
sigillato con bentonite.
1) Si possono installare impianti di notevole potenza anche su terreni di piccole dimensioni
2) Costi dell’impianto molto elevati, dovuti soprattutto ai costi di trivellazione
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE ORIZZONTALI
Scambio termico a profondità contenute.
L’impianto è costituito da una serie di tubi
disposti orizzontalmente con sviluppo ad
anello e raccordati tra loro tramite un collettore
da suolo e collegati alla pompa di calore.
La profondità di posa delle tubazioni varia in
funzione delle caratteristiche climatiche del
sito e può oscillare tra 1.5 e 2 metri; in ogni
caso deve essere di almeno 50-60 cm al di
sotto dello strato gelivo del terreno.
Il campo geotermico deve essere realizzato su
terreno ben esposto al soleggiamento, privo di
piantumazioni, di elementi ombreggianti al fine
di permetterne la rigenerazione termica.
1) Costi dell’impianto inferiori rispetto al sistema con sonde verticali
2) Occupazione di grandi porzioni di terreno ad uso esclusivo dell’impianto soprattutto nel caso
di grandi richieste di potenze termiche e frigorifere
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO CON SONDE ORIZZONTALI
Negli impianti in cui la pompa di calore fornisce
o sottrae l’energia all’edificio per la
climatizzazione estiva ed invernale le sonde
orizzontali potrebbero essere installate sotto
l’edificio: in questo caso il terreno resta in
equilibrio termico poiché il calore viene sottratto
in inverno e restituito in estate.
Negli impianti con funzionamento o solo in
riscaldamento o solo in raffrescamento
l’equilibrio termico del terreno viene alterato e
poiché non risente degli apporti esterni
lentamente si degrada energeticamente
riducendo l’efficienza della pompa di calore e del
sistema in generale.
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A CIRCUITO CHIUSO SU STAGNO O LAGO
Specifici scambiatori vengono posati sul
fondo di stagni o laghi naturali o
artificiali: si sfrutta in questo caso
l'inerzia termica dell'acqua del lago.
Anche in questo caso si utilizza un circuito
chiuso costituito da fasci tubieri
preassemblati.
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
IMPIANTI A PALI ENERGETICI
Nei casi in cui si renda necessaria una
palificazione strutturale delle fondazioni
dell'edificio, è possibile realizzare un sistema
a “pali energetici”.
Sostanzialmente si tratta di annegare
all'interno dei getti strutturali le sonde
geotermiche di profondità.
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO
•
Dimensione della pompa di calore in funzione del fabbisogno di potenza termica (kW)
•
Estensione della superficie del campo geotermico o profondità di trivellazione in
funzione del fabbisogno di potenza termica e della risposta termica del terreno
Al fine di ridurre il costo dell’impianto è opportuno affiancare questa soluzione tecnologica
ad edifici di elevata classe energetica. Un edificio ben coibentato ha bisogno di potenze
specifiche per unità di superficie realizzata molto basse.
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO
Il dimensionamento delle sonde geotermiche dovrà basarsi su dati, quali:
•
Fabbisogno di potenza termica (kW)
•
Fabbisogno di energia termica (kWh/anno)
•
Dati di progetto (ore di funzionamento pompa di calore/anno, tipologia del generatore,
progetto impiantistico)
•
Caratteristiche stratigrafiche del terreno al fine di stabilire la potenza di estrazione
ENERGIA GEOTERMICA A BASSA ENTALPIA
DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO
Prima di procedere nel progetto del sistema con sonde profonde occorre verificare
•
Il rischio potenziale di inquinamento della falda freatica durante la perforazione ed il
reinterro del foro da parte di additivi utilizzati
•
Rischio correlato alla messa in comunicazione di acquiferi superficiali con quelli profondi
•
Rischio di interferenza tra le sonde o campo di sonde con l’assetto idrogeologico locale
in relazione agli usi e alle utenze censite al momento della posa in opera della sonda in
un intorno significativo
•
Rischio correlato alla dinamica dei versanti: valutazione del rischio di danneggiamento
della sonda post operam in aree franose
Geotermoelettrico in Italia
Fonte: GSE, 2013
Geotermoelettrico in Italia
Fonte: GSE, 2013
Geotermoelettrico in Italia
Geotermoelettrico in Italia
Geotermoelettrico in Europa e previsioni al 2018
Geotermoelettrico in Europa
Geotermico teleriscaldamento in Europa
Geotermico a bassa entalpia in Europa
Potenza geotermoelettrico nel Mondo