Appunti Tecnologia II

SISTEMI GEOTERMICI NON CONVENZIONALI AD ALTA ENTALPIA

Questi, come abbiamo detto, possono essere:

1. sistemi EGS e EGS-A-CL
2. sistemi geopressurizzati
3. sistemi magmatici
4. sistemi a fluidi supercritici
5. sistemi a salamoia calda

L'EGEC/ European Geothermal Energy Council, nel marzo del 2010, definisce i sistemi Enhanced Geothermal Systems (EGS) come sistemi stimolati/assistiti, laddove un sistema geotermico stimolato/assistito è definito come un serbatoio che può essere creato o migliorato artificialmente. I sistemi EGS superano il concetto dei sistemi a rocce calde secche e a rocce calde fratturate, dei quali costituiscono la concezione attualizzata ed aggiornata alle nuova conoscenze ed alle nuove tecnologie. Tali sistemi sono basati su una operazione meccanica finalizzata a creare artificialmente una sorta di riserva di fluidi geotermico nel sottosuolo. Ciò avviene attraverso un'operazione di perforazione eseguita nel sottosuolo e negli strati di roccia.

compatta viene iniettata acqua ad alta pressione mediante apposite pompe. L'iniezione dell'acqua ad alta pressione causa fratture negli strati rocciosi, nelle quali la stessa acqua penetra e si riscalda in base alla temperatura del sottosuolo. Successivamente, attraverso una seconda perforazione nello stesso banco di roccia, si preleva l'acqua riscaldata. Con i sistemi EGS-A-CL, invece, non è necessario utilizzare la fratturazione idraulica. Lo scambio termico con il suolo avviene attraverso fori verticali che ospitano tubazioni che creano sistemi a circuito chiuso. Questi sistemi prelevano il calore da profondità molto elevate, basandosi su un'operazione meccanica che comporta la perforazione del sottosuolo e degli strati di roccia compatta presenti.

Nel sottosuolo viene iniettata acqua ad alta pressione che va a provocare delle fratture, la cosiddetta fratturazione idraulica negli strati rocciosi. La stessa acqua si riscalda in base alla temperatura dello strato roccioso che è andata a perforare e poi viene prelevata. Si parla di profondità che possono anche andare anche a 1000-2000 metri, dove la profondità del suolo è molto alta.

I sistemi geopressurizzati sono caratterizzati da particolari condizioni geologiche, con formazioni rocciose profonde saturate da fluidi con pressione di strato superiore a quella idrostatica attesa alla loro profondità. Alcuni sistemi geopressurizzati sono di interesse geotermico in quanto per la loro rilevante profondità raggiungono temperature adeguate per lo sfruttamento diretto del calore e per la generazione di energia elettrica.

I sistemi magmatici sono connessi ad apparati vulcanici attivi, caratterizzati da una camera magmatica situata a una relativamente ridotta profondità.

terreno e con le acque sono basati sull'utilizzo del calore presente nel terreno o nelle acque sotterranee per produrre energia. Questi sistemi sfruttano la differenza di temperatura tra il terreno o le acque sotterranee e l'ambiente circostante per generare energia termica o elettrica. I sistemi geotermici a scambio termico con il terreno utilizzano sonde geotermiche, che sono tubi metallici inseriti nel terreno a una certa profondità. All'interno di queste sonde circola un fluido termovettore che assorbe il calore dal terreno e lo trasferisce ad una pompa di calore, che a sua volta lo utilizza per riscaldare o raffreddare gli ambienti. I sistemi geotermici a scambio termico con le acque sfruttano invece le acque sotterranee presenti in falde acquifere o pozzi geotermici. Le acque vengono pompate in superficie, dove il calore viene estratto attraverso uno scambiatore di calore e utilizzato per produrre energia termica o elettrica. Entrambi i sistemi geotermici a scambio termico con il terreno e con le acque sono considerati fonti di energia rinnovabile, in quanto il calore presente nel terreno o nelle acque sotterranee è continuamente rigenerato dalla temperatura del sottosuolo. Questi sistemi possono essere utilizzati per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici, ma anche per la produzione di energia elettrica. Le ricerche e le sperimentazioni attuali si concentrano sulla ricerca di nuove tecnologie e metodologie per migliorare l'efficienza e la sostenibilità dei sistemi geotermici, nonché sulla valutazione delle potenzialità geotermiche di diverse aree geografiche.

terreno e con le acque sono sistemi a bassa entalpia, quindi sono sistemi che lavorano con temperature basse

Sono suddivisibili in:

• sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con il terreno a circuito chiuso
• sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con acque di falda o sub-superficiali e a circuito aperto
• sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con acque superficiali e a circuito chiuso
• sistemi di geocooling ad aria a scambio termico con il terreno

I sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con il terreno e a circuito chiuso sono caratterizzati dall'installazione di circuiti di tubazioni disposte verticalmente, in apposite cavità realizzate attraverso specifiche perforazioni, oppure orizzontalmente, previo opere di scavo della porzione di terreno interessata dall'impianto, collegate a pompe di calore che utilizzano il calore trasferito da un fluido termovettore che circola nel circuito delle tubazioni. In

entrambi i casi il sistema è del tipo a circuito chiuso, con un fluido termovettore che scambia calore con il sottosuolo, trasferendolo alla pompa di calore, e viceversa, senza entrare direttamente in contatto con il serbatoio geotermico naturale.

In questo caso realizzo delle sonde verticali che vanno giù nel terreno ad una certa profondità all'interno delle quali scorre un fluido che scambia calore con il terreno e poi è collegato ad una pompa di calore geotermica. Lo scambio termico può essere a scambio termico verticale e scambio termico orizzontale, la differenza è che andando più in profondità il livello di temperatura è più basso e più stabile, lavorando con le sonde orizzontali la temperatura è differente da quella dell'ambiente esterno ma non ne risente.

Ai fini di ottimizzare i costi e di realizzare un impianto conveniente dal punto di vista economico è fondamentale lo studio.

acque di falda o sub-superficiali e a circuito aperto, viene utilizzato come sorgente geotermica una falda idrica. L'acqua della falda viene direttamente utilizzata come fluido termovettore all'interno del circuito e scambia direttamente calore con la pompa di calore o con uno scambiatore intermedio. L'acqua viene prelevata attraverso dei pozzi appositamente realizzati, collegati alla falda. Successivamente, viene inviata allo scambiatore e reintrodotta nuovamente nella falda attraverso lo stesso pozzo di mandata o attraverso uno specifico pozzo di ritorno. Si tratta di sistemi analoghi ai precedenti, ma lo scambio termico avviene tramite pozzi.acquesuperficiali e a circuito chiuso vengono utilizzati specchi d'acqua superficiali come serbatoi termici dai quali estrarre o trasferire il calore, in funzione delle specifiche modalità e dei regimi di funzionamento del sistema. In tali sistemi gli scambiatori vengono posti sul fondo del bacino idrico ed il funzionamento è del tipo a circuito chiuso, ovvero avviene attraverso uno specifico fluido termovettore e non mediante la diretta utilizzazione dell'acqua del bacino idrico. Nei sistemi di geocooling ad aria a scambio termico con il terreno viene raffrescata l'aria esterna favorendo la dispersione del calore in essa contenuto attraverso il passaggio in apposite tubazioni interrate orizzontalmente nel terreno, mediante le quali l'aria cede calore al suolo, ed introducendola successivamente nell'edificio. Può anche contemplare l'utilizzazione di un circuito ad acqua accoppiato mediante uno scambiatore aria/acqua al sistema di

ventilazione

Si tratta di sistemi di raffrescamento passivo in cui l'aria percorre un percorso sotterraneo, scambia calore con il terreno e viene poi reintrodotto negli ambienti.

Relativamente alle diverse tipologie dei sistemi geotermici a scambio termico con il terreno e con le acque possiamo individuare i vantaggi e gli svantaggi in modo da cercare di operare la scelta che maggiormente ci conviene. Ad esempio, nei sistemi a sonde verticali abbiamo:

• il vantaggio di una maggiore efficienza rispetto ai sistemi orizzontali in rapporto alla maggiore stabilità termica del terreno alla profondità raggiunte dal sistema verticale
• il vantaggio di una minore estensione dell'area di terreno impiegata dall'impianto rispetto i sistemi orizzontali dovuta allo sviluppo verticale in profondità
• lo svantaggio di costi maggiormente elevati rispetto altri sistemi in relazione alle attività di perforazione del suolo

Nei sistemi a sonde orizzontali abbiamo:

• il vantaggio

Di un costo più contenuto in rapporto alla necessità di semplici escavazioni ed all'assenza di operazioni di perforazione del terreno

Uno svantaggio a causa della profondità non elevata, che porta ad avere lo strato del sottosuolo con cui si realizza lo scambio termico che risente maggiormente delle fluttuazioni termiche stagionali, a scapito dell'efficienza del sistema

Uno svantaggio poiché necessitano di un'area più estesa rispetto i sistemi verticali e pertanto coinvolgono una maggiore superficie di suolo

Nei sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con acque di falda o sub-superficiali e a circuito aperto abbiamo:

Il vantaggio di un costo contenuto dell'impianto può anche essere sufficiente uno solo pozzo o due pozzi distinti l'uno dall'altro

Un vantaggio poiché l'installazione richiede di uno spazio più contenuto rispetto alle esigenze di spazio degli altri

sistemi Uno svantaggio dei sistemi geotermici è che sono utilizzabili solo in presenza di una risorsa idrica sotterranea adeguata e a profondità non eccessivamente elevate. Inoltre, possono presentare problematiche di carattere autorizzativo e normativo, in particolare per quanto riguarda la reiniezione dell'acqua nel sottosuolo. Altri svantaggi includono possibili limiti all'utilizzo dell'acqua di falda e vincoli allo sfruttamento della risorsa. Nei sistemi a pompe di calore geotermiche a scambio termico con acque superficiali e a circuito chiuso, il vantaggio principale è il costo contenuto, poiché non è richiesta alcuna operazione di perforazione o scavo del terreno. Tuttavia, uno svantaggio di questi sistemi è che sono utilizzabili solo in presenza di uno specchio d'acqua superficiale di adeguata dimensione in termini di larghezza e profondità. Inoltre, possono presentare una minore efficienza rispetto ad altri sistemi, soprattutto in condizioni di picco, a causa della maggiore variabilità delle condizioni.