Autore: PAOLO MONTIN – FEDERICO KOPULETY
L’energia geotermica: risparmio ed efficienza da fonti rinnovabili
La Geotermia a bassa entalpia è relativa allo sfruttamento del sottosuolo come serbatoio termico dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne durante la stagione estiva. Le moderne tecnologie consentono di trasformare l’energia termica presente nel terreno in calore utilizzabile, in modo ecologico e senza effetti sul clima. Essa può essere considerata una delle principli forme di energia alternative e rinnovabili.
Energia geotermica:
Alta entalpia: Temperature > 150 °C (Geotermia s.s.)
Bassa entalpia: Temperature < 90 °C (Geoscambio)
Principio geologico
La temperatura del sottosuolo, oltre i 10-15 metri di profondità, si mantiene costante (zona di omotermia) durante tutto l’anno, a differenza della temperatura della superficie e dell’aria esterna, che subiscono variazioni significative, sia giornaliere che annuali. Nella maggior parte delle regioni italiane, indipendentemente dal tipo di roccia, dall’assetto geologico-strutturale e dalla stratigrafia, la temperatura della zona di omotermia è compresa tra 12 e 17 °C. Oltre i 100 metri di profondità, la temperatura media aumenta di 3° ogni 100 metri.
Le caratteristiche litologiche, geologico-strutturali e stratigrafiche del sito rivestono un ruolo di primaria importanza nella definizione del potenziale di geoscambio, indispensabile per il corretto dimensionamento dell’impianto.
- Conducibilità termica del terreno: La conducibilità termica è la misura dell’attitudine di una sostanza (il terreno) a trasmettere il calore, e dipende dalla composizione mineralogica e dalla porosità della roccia o del terreno interessato. Ad esempio, la conducibilità termica delle rocce è generalmente superiore a quella dei terreni alluvionali e, a parità di contenuto di umidità, è maggiore in un terreno a grana fine rispetto ad un terreno a grana grossa.
- Grado di umidità del terreno: La conducibilità termica dell’acqua è circa 20 volte superiore a quella dell’aria. La presenza di moti di filtrazione nel sottosuolo incrementa in maniera significativa le capacità di scambio termico del sistema. A parità di condizioni è maggiore in terreni ad elevata permeabilità e minore in terreni impermeabili
- L’importanza della falda acquifera: La presenza della falda acquifera garantisce un contatto ottimale tra le sonde e il sottosuolo, aumentando l’efficacia dello scambio termico: ciò comporta un aumento considerevole del rendimento potenziale. Favorisce inoltre il ripristino del campo termico modificato dal funzionamento delle sonde. Terreni insaturi: l’umidità naturale migliora comunque la conducibilità termica e garantisce un sufficiente contatto tra sonda e sottosuolo.
- Parametri fondamentali di una falda acquifera:
- direzione: influisce sulla geometria del campo sonde;
- velocità e temperatura: influiscono sulla capacità di scambio termico, sul dimensionamento e sul rendimento dell’impianto;
- orizzonti sovrapposti: necessità di evitare la contaminazione tra gli acquiferi.
- Rapporto tra ubicazione delle sonde e la direzione di deflusso: influisce sul posizionamento relativo delle sonde (necessità di evitare fenomeni di saturazione termica)
Principio termodinamico
Il sistema sfrutta la possibilità di scambiare calore tra il terreno e l’interno dell’edificio per mezzo di un fluido convettore. D’estate il fluido preleva calore dal sistema raffrescante dell’edificio e lo cede al terreno. D’inverno il fluido preleva calore dal terreno e lo cede al sistema riscaldante dell’edificio. Il minor salto di temperatura consentito con il prelievo di calore dal sottosuolo permette un minor lavoro da parte della centrale termica tradizionale per raggiungere temperature di comfort termico all’interno dell’edificio, e un conseguente minore consumo di combustibile. In particolare condizioni, inoltre, un impianto geotermico è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico dell’edificio.
Ground response test
Il GRT è una prova in sito finalizzata alla raccolta di dati per un corretto dimensionamento dei campi di sonde geotermiche. Consiste nel misurare e registrare, in funzione del tempo, la temperatura media del fluido presente nello scambiatore, in corrispondenza di un valore prefissato della potenza termica trasmessa al terreno. Tale attività è preceduta dalla misura, nella sonda geotermica, della temperatura media del terreno indisturbato.
Mediante i risultati ottenuti è possibile ricavare i valore della conducibilità termica media del terreno (W/mK). E’ inoltre possibile ottenere il valore del coefficiente globale di scambio termico, per unità di lunghezza dello scambiatore (W/m), fra il fluido che scorre nello stesso ed il terreno indisturbato, in condizioni quasi-stazionarie, cioè con variazioni molto lente della temperatura del fluido termovettore nel tempo. Il test ha una durata minima di 72 ore, e permette di misurare costantemente la potenza scambiata dalla sonda con il terreno. Dall’elaborazione delle temperature in ingresso e uscita del fluido geotermico dallo scambiatore si possono ricavare, utilizzando modelli inversi, le caratteristiche del terreno, ma anche una serie utile di dati sperimentali sul comportamento degli scambiatori (resistenze termiche, ecc), che si rivelano di fondamentale importanza per il dimensionamento dell’impianto. L’esecuzione di un Ground Response Test è sempre opportuno, ma di fatto risulta economicamente giustificabile solo per impianti con potenze termiche superiori a 50 kW (potenze medio grandi).
Impianto geotermico
Componenti fondamentali:
- Pompa di calore: macchina termica in grado di spostare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo a spese di energia elettrica.
- Sonde geotermiche: tubi in polietilene posti nel sottosuolo tramite perforazione a distruzione e attraversati da un fluido vettore. Possono essere verticali o orizzontali
- Impianto di distribuzione: a bassa temperatura (pavimento, soffitto, pannelli a parete).
Il sistema è a “circuito chiuso” (senza emungimento da falda) in cui circola un fluido (acqua, oppure una miscela di acqua e anticongelante non tossico), che consente di scambiare calore con il terreno e trasferirlo per mezzo della pompa di calore al sistema di condizionamento degli edifici.
Pompa di calore: la pompa di calore è l’elemento centrale degli impianti geotermici a bassa entalpia. Con la stessa macchina (reversibile) è possibile effettuare il riscaldamento e il raffrescamento dell’edificio. Il trasporto del calore all’interno dell’edificio può avvenire tramite aria o liquido. I terminali di climatizzazione più adatti per le pompe di calore geotermiche sono i pannelli radianti; rispetto ai sistemi convenzionali lavorano a temperature più basse in riscaldamento e più alte in raffrescamento, garantendo un maggiore rendimento della pompa di calore. I suoi componenti principali sono:
- Evaporatore: assorbe calore dalla sorgente fredda e fa evaporare il fluido refrigerante
- Compressore: comprime il gas elevandone temperatura e pressione
- Condensatore: riporta il gas compresso a fluido con cessione di calore
- Valvola di espansione: abbassa pressione e temperatura del fluido refrigerante chiudendo il ciclo
Sonde geotermiche verticali: la lunghezza della perforazione varia tra 70 e 200 m, in funzione della richiesta di scambio termico del sistema edificio-impianto, possono avere configurazione a U (due tubi, mandata e ritorno), a doppia U oppure coassiale. All’interno del perforo, lo spazio attorno alle sonde è riempito con grouting geotermico (calcestruzzo e additivi ad elevata conducibilità termica). Nei campi sonde la distanza tra le perforazioni varia tra 5 e 10 m. Indicativamente, le sonde geotermiche sono in grado di fornire una potenza compresa tra 40 e 70 W per metro di perforazione, in funzione delle caratteristiche stratigrafiche del sottosuolo. PRO: Poco spazio necessario, maggiore efficienza. CONTRO: Costi maggiori.
Sonde geotermiche orizzontali: Il circuito chiuso può essere posato orizzontalmente in una trincea, posta a profondità maggiori di quelle alla quale si può verificare il congelamento del terreno. La potenza scambiabile dipende dalla lunghezza della tubazione e dall’area occupata: indicativamente, la potenza scambiabile con il terreno è di 15-40 W/mq. I tubi sono installati a 1-3 m di profondità: maggiore è la profondità di installazione, maggiore sarà l’inerzia termica e migliore il rendimento della pompa di calore. Rispetto alle sonde geotermiche verticali, il rendimento della pompa di calore è più basso, tuttavia i minori costi di installazione rendono comunque competitiva questa soluzione. PRO: costi inferiori. CONTRO: Superficie necessaria, Efficienza inferiore.
In generale: efficienza sistema = energia prodotta / energia impiegata.
L’efficienza di una pompa di calore viene descritta dal Coefficiente di Prestazione (Coefficient of Performance, COP). Il COP di una pompa di calore è definito come il rapporto fra il calore somministrato alla sorgente a temperatura più alta e il lavoro speso. Più è alto il COP, maggiore è l’efficienza. Nelle pompe di calore, l’unica energia impiegata è quella elettrica (assorbita dal compressore e dalla pompa di circolazione del fluido vettore). Il rendimento di energia primaria del sistema di generazione di energia elettrica in Italia è di circa il 40%: ciò significa che, per produrre 1 kWh elettrico, è necessario consumare 1/0.4 = 2.5 kWh termici. Il COP di una pompa di calore geotermica varia fra 3 e 6: ciò significa che, per ciascun kWh elettrico consumato, vengono prodotti da 3 a 6 kWh termici. Di conseguenza, una pompa di calore geotermica è in grado di produrre da 3 a 6 kWh termici consumando 1 kWh elettrico. Il COP della pompa di calore dipende in gran parte dalle temperature dei due termostati (fluido del circuito di scambio al suolo e fluido dell’impianto di climatizzazione): minore è la loro differenza, più alto è il COP. Una pompa di calore standard è in grado di produrre acqua calda fino a 50 °C ed acqua fredda fino a 6 °C.
Fattori economici
Impianto tradizionale VS Impianto geotermico a Pompa di Calore
- Impianto tradizionale (caldaia a condensazione e climatizzatori): investimento iniziale 10.000 € Costi di gestione 1.500 €/anno + manutenzione.
- Impianto geotermico con pompa di calore (Impianti domestici di potenza < 30 kW): Investimento iniziale 20.000 – 25.000 € Costi di gestione irrisori (azzerati se con fotovoltaico dedicato a PdC)
- Risparmi energetici ed economici: Il rendimento di energia primaria di una pompa di calore geotermica è variabile tra il 120% e il 240%. Le migliori caldaie a condensazione raggiungono rendimenti del 90%. Una pompa di calore geotermica, confrontata con una caldaia a condensazione, permette un risparmio energetico compreso tra il 20% e il 60%. L’investimento iniziale ha un simple payback di circa 10 anni; dopo 20 anni il risparmio cumulato raggiunge i 15.000 €.
Vantaggi globali di un impianto geotermico
- Indipendente: Non legato a combustibili fossili e all’andamento dei prezzi;
- Ecologico: Riduzione generale delle emissioni di CO2; Rinnovabile: Fonte rinnovabile alla scala dei tempi umani;
- Disponibile: Indipendente dalle condizioni climatiche locali;
- Globale: Applicabile in qualsiasi zona del pianeta;
- Discreto: Minimi ingombri per l’installazione.
- Valorizzazione economica dell’immobile: l’adozione di un impianto geotermico permette di migliorarne la classe energetica dell’immobile, incrementando notevolmente il valore commerciale