E nergia geotermica

"Borehole heat exchangers (BHE): un'applicazione in rapida diffusione della geotermia a bassa entalpia" L’energia geotermica è una fonte di energia rinnovabile praticamente inesauribile, di basso impatto inquinante e relativamente economica. Tra le varie applicazioni, è oggi in forte sviluppol’utilizzo del calore naturale del sottosuolo come “serbatoio” da cui estrarre energia termica durante l’inverno e a cui cederne durante la stagione estiva, cioè la geotermia a bassa entalpia basata su tecnologie BHE/GHP Grazie allo sfruttamento di una fonte energetica gratuita, i BHE/GHP rendono possibile un riscaldamento/raffrescamento teoricamente indipendente dai combustibili fossili, caratteristica vantaggiosa sia per l’ambiente che per l’economia. Gli aspetti da studiare per lo sfruttamento della risorsa geotermica sia in generale sia per la bassa entalpia sono diversi, tra cui la misura della temperatura del sottosuolo e del gradiente geotermico, la situazione idro-geologica, le proprietà termofisiche dei diversi strati del sottosuolo. Queste informazioni risultano fondamentali per la definizione della profondità di perforazione, delle caratteristiche tecniche e geometriche delle sonde geotermiche, che condizionano la convenienza nella realizzazione di un impianto geotermico ed ammortamento dei costi.

Energia geotermica • Fonte primaria: calore terrestre • Rinnovabilità: alla scala temporale umana, il calore terrestre può essere considerato praticamente inesauribile. Quindi, si potrebbe considerare interamente rinnovabile. Questa affermazione non vale però per il fluido vettore, dato che il bilancio tra fluido geotermico erogato e alimentazione idrica del serbatoio non è sempre in pareggio • La rinnovabilità dipende dal fluido vettore • Nei campi ad alta entalpia dove il fluido prodotto (vapore o acqua/vapore) è sempre in quantità superiore a quello di rialimentazione (acque meteroriche, juvenili o fossili). Declino di produzione accettabile <5% annuo • Nei sistemi a pompe di calore geotermiche (GHP) a sistema è chiuso, il declino è pressoché trascurabile

Classificazione dei fluidi geotermici in base alla temperatura • a bassa entalpia o temperatura ( caratterizzata da fluidi T< 100°C) • a media entalpia o temperatura (100 °C <T< 150°C) • ad alta entalpia o temperatura (T> 150°C) Classificazione della geotermia in base all’utilizzo dei fluidi/calore • usi elettrici: T > 150 °C (in alcuni casi anche per T dell’ordine di 100 °C) • usi diretti (medio-bassa entalpia; T< 100 °C): civili (anche termali, terapeutici e ricreativi) agricoli e industriali (tra cui i BHE)

Sistemi geotermici ad alta entalpia Un sistema geotermico è definito un insieme di caratteri geologici, idrogeologici e termici

Sistemi geotermici a bassa entalpia

Le pompe di calore rappresentano un’applicazione possibile anche in condizioni geotermiche “sfavorevoli” . Tuttavia i costi (dimensionamento, resa termica, ammortamento, ecc) e quindi la convenienza economica dipendono da fattori geologici che non possono essere trascurati

Pompe di calore e scambiatori termici in foro (GHP/BHE) La crescente esigenza di raffrescare gli ambienti nel periodo estivo, oltre a scaldarli nel periodo invernale ha portato negli ultimi anni alla diffusione delle pompe di calore reversibili, ossia macchine termodinamiche in grado di sottrarre calore dagli edifici per cederlo all’ambiente esterno in estate e viceversa in inverno L’efficienza di queste macchine è influenzata in maniera significativa dalle temperature di esercizio o meglio dalla differenza di temperatura tra ambiente interno e sorgente esterna L’aria esterna, la più comune sorgente termica per le pompe di calore è termodinamicamente poco efficiente, visto che il carico termico da soddisfare cresce proprio quando la temperatura diminuisce, facendo calare la resa energetica della macchina Un’efficace alternativa all’aria come sorgente esterna di calore è offerta dal terreno, le cui caratteristiche fisiche fanno sì che poco risenta delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali, al punto da considerarlo una sorgente di calore pressoché costante Questo implica che le pompe di calore hanno un rendimento migliore se ci si orienta verso sistemi che possano fornire calore operando a temperatre dell’ordine dei 35°C come nel caso dei pannelli radianti anziché a 60°C come nei sistemi tradizionali

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo con temperatura più alta, utilizzando energia elettrica Pompe di calore geotermiche (GHP) Tipologie: • Acqua-acqua; dove viene riscaldata acqua trasferendo calore da altra acqua. • Acqua-aria; dove viene riscaldata aria attingendo calore da acqua. • Aria-aria; dove viene riscaldata aria trasferendo calore da altra aria. • Aria-acqua; dove viene riscaldata acqua attingendo calore da aria In questa classificazione il primo termine sta ad indicare la sorgente fredda ed il secondo quella calda.

1. Condensatore, 2. Valvola di espansione, 3. Evaporatore, 4. Compressore. La pompa di calore operando con lo stesso principio del frigorifero e del condizionatore d'aria, svolge le funzioni di climatizzazione (riscaldamento + rinfrescamento) degli ambienti e riscaldamento dell'acqua sanitaria La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o gassoso. Occorre quindi fornire energia per far funzionare il ciclo, ma nel complesso il sistema può risultare efficiente Il condensatore e l'evaporatore includono scambiatori di calore (verticali od orizzontali), cioè tubi che sono a loro volta in contatto con i fluidi di servizio, che cede calore all'evaporatore e lo sottrae al condensatore.

Coefficiente di prestazione L'efficienza di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione (C.O.P.) che misura il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata Viceversa il COP di una macchina frigorifera è definito come il rapporto fra il calore assorbito dalla sorgente a temperatura più bassa e il lavoro speso: Il COP può essere espresso anche in funzione del costo unitario dell'energia elettrica e termica, espressi in €/kWh: In questo modo è possibile calcolare quale debba essere il COP minimo affinché si abbia convenienza, dal punto di vista finanziario, nell'utilizzo della pompa di calore per riscaldamento al posto di una tradizionale caldaia

Il COP varia a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento: in genere, esprime valori prossimi a 3. Questo vuol dire che per 1 kWh consumato di energia elettrica, verranno forniti 3 kWh di calore al mezzo da riscaldare. Il COP sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta è la temperatura della sorgente da cui viene assorbito (nell'evaporatore). Un ulteriore vantaggio delle pompe di calore è la reversibilità, ovvero lo stesso sistema può essere usato per il rinfrescamento estivo

Tipologie di GHP(I) circuito aperto, ossia sistemi dove la sorgente di calore nel sottosuolo è rappresentatodirettamente dall’acqua sotterranea di un acquifero (ATES acquifer thermal energy storage);(II) circuito chiuso, dove il calore viene estratto dal terreno o da rocce attraverso un fluidotermovettore (BTES borehole thermal energy storage).

I sistemi BTES consistono nella realizzazione di BHE, ovvero fori normalmente del diametro di 0,10-0,25 m, perforati nel terreno a profondità comprese tra i 30-400 m; un fluido termovettore (acqua o acqua e glicol etilenico) viene fatto circolare all’interno dei fori, solitamente in un circuito chiuso, scambiando calore o freddo dal terreno alle unità utenti. • Caratteristiche dei BHE • Gli scambiatori geotermici verticali sono classificati in base al diametro e a come avviene lo scambio di calore. Nei tubi a U, partecipa allo scambio termico con il terreno circostante, sia la mandata che il ritorno; esistono diversi tipi di tubi a U, singoli o doppi. • Il più comune è il tubo a U singolo, ma i tubi a U doppia stanno diventando sempre più diffusi, grazie all’incremento delle profondità di perforazione, poiché hanno resistenza termica e perdita di carico inferiore.

Scambiatori termici in foro (BHE) e parametri termici Le proprietà termiche delle rocce e la struttura termica del terreno sono di fondamentale importanza per lo studio, la progettazione e il dimensionamento di sistemi che utilizzano risorse geotermiche a bassa entalpia attraverso dispositivi a pompa di calore Le proprietà termiche del terreno di interesse per la progettazione di BHE sono: Conducibilità termica (in situ e in laboratorio) Diffusività termica (in situ e in laboratorio) Calore specifico e capacità termica volumetrica (in laboratorio o da letteratura) Temperatura indisturbata del terreno (Log termometrici) Resistenza termica (in situ) Per i sistemi in cui il calore è immesso o estratto dal terreno attraverso scambiatori verticali che interessano strati più o meno profondi (~ 10 – 100 m) si parla in genere di BHE (borehole heat exchanger). Queste applicazioni sono anche comunemente denominate ground heat pump oppure geothermal heat pump (GHP). L’utilizzo dei BHE come scambiatori di calore si distingue in due tipologie di circuito: a circuito aperto, ossia sistemi dove la sorgente di calore nel sottosuolo è rappresentato direttamente dall’acqua sotterranea di un acquifero (ATES acquifer thermal energy storage); a circuito chiuso, dove il calore viene estratto dal terreno o da rocce attraverso un fluido termovettore (BTES borehole thermal energy storage). Quest’ultimi possono essere anche accoppiati ad impianti solari termici

Riempimento del foro Nel BHE a circuito chiuso occorre che venga usato del materiale (grout), per riempire lo spazio tra i tubi e le pareti del foro. Una ragione è di offrire un buon contatto termico con il terreno circostante; mentre per sistemi a circuito aperto, un importante problema è di evitare eventuali inquinamenti ed il disturbo delle caratteristiche idrauliche delle formazioni

Le malte cementizia comuni, come la bentonite, hanno basse conducibilità termiche; cementi speciali sono stati recentemente sviluppati per migliorare la conducibilità del grout. In Svezia e in Norvegia è comune non cementare i fori, che sono riempiti con acqua di falda. I fori, solitamente, sono perforati in rocce compatte dove la superficie piezometrica risulta a pochi metri di profondità dal piano campagna. Benché l’acqua abbia bassa conducibilità termica, i gradienti termici che si hanno nei BHE, generano convezione naturale, così migliorando il trasferimento di calore tra lo scambiatore ed il terreno circostante.

Progettazione dei BHE La posizione dei BHE è di importanza decisiva per la progettazione di un impianto per uso termico del sottosuolo. Giocano un ruolo importante sia la geologia del sottosuolo ma anche le condizioni superficiali locali. Vincoli amministrativi, come aree di estrazione di acqua potabile o tutela delle acque termali, devono essere presi in considerazione nella valutazione del sito; la legislazione italiana in merito è ampia, e non univoca La struttura geologica e le condizioni dell’acqua sotterranea di un sito, determinano la possibilità di utilizzo termico del sottosuolo, l’uso dei diversi metodi, quali ad esempio BTES o ATES Indagini geologiche ed idrogeologiche dettagliate e misure geofisiche, sono normalmente previste per grandi impianti, ma sarebbero raccomandabili anche nel caso di piccoli impianti, piuttosto che eseguire la progettazione e la pianificazione solo sulla base di ipotesi e stime Nei fori trivellati, possono essere determinate le proprietà idrauliche delle falde acquifere, e se sono disponibili campioni di carote, si possono ricavare i parametri termici ed idraulici delle rocce nel sottosuolo mediante misure di laboratorio.

Misura Termiche Prove di Laboratorio: • conducibilità termica • diffusività termica • capacità termica volumetrica • Prove in foro: • Log: • - profilo termico e temperatura indisturbata del terreno • gradiente e flusso geotermico • caratterizzazione dell’acquifero • Prove di risposta termica del terreno (ground response test - GRT): • - temperatura media indisturbata del terreno • conducibilità termica • diffusività termica • resistenza termica

Misure di proprietà termiche in laboratorio Effettuate su carote o campioni opportunamente preparati, forniscono indicazioni “puntuali” che vanno mediate sulla base delle ricostruzioni stratigrafiche Le rocce coerenti vengono esaminate per lo più in laboratorio; le misure in situ della conducibilità termica sono tecnicamente più complesse e sono facilmente eseguibili solo per materiali incoerenti (suolo o i sedimenti marini). In questo caso, il grado d’attendibilità è paragonabile a quello dei valori di laboratorio. In laboratorio si possono determinare: - Conducibilità termica - Diffusività termica - Calore specifico

importanza delle proprietà termiche del terreno per il dimensionamento dei BHE: Conducibilità

Prove in foro: log termici Permette di ricavare il profilo termico del terreno indisturbato. Si misura quando il foro ha raggiunto l’equilibrio, ovvero si sono esauriti gli effetti di disturbo dovuti alla perforazione, cementazione, ecc.; si scartano i primi 20-25 m (effetti termici superficiali); precisione richiesta: almeno 0.1-0.01 °C • Dal log si ricavano: • Gradiente geotermico medio (°C/km o mK/m) • la temperatura iniziale indisturbata del suolo (media delle T esclusi i primi 20 m) • flusso geotermico (nota la conducibilità termica lungo il foro)

Caratterizzazione dell’acquifero mediante log termici Temperature nel sottosuolo in regime termico conduttivo/convettivo

Flusso d’acqua verso l’alto o flusso orizzontale in un’acquifero relativamente più caldo Flusso d’acqua verso il basso o flusso orizzontale in un acquifero relativamente più freddo Riconoscere movimenti d’acqua sotterranea in un log può risultare difficile poiché il flusso d’acqua sotterranea può generare distorsioni nella curva T-z simili a quelle dovute alle perturbazioni climatiche a lungo periodo ( decine di anni)

If hydrogeological and thermal conductivity information is available and the climatic signal can be somehow extracted from the underground temperature, appropriate methods allowing the treatment of advectively perturbed thermal data can be applied for the determination of water movement in the aquifer and the rock hydraulic parameter hydrothermal modelling. Techniques to estimate groundwater velocity from the analysis of temperature data from shallow boreholes which show evidence of both heat and mass transfer

Flusso verticale e orizzontale (lu and Gee, 1996) Flusso orizzontale trascurabile (vx=0) (lu and Gee, 1996) (Reiter, 2001) Costante di integrazione

(Reiter, 2001) (vx=0) Per Gc =costante (Verdoya et al., 2008) Per Gcche varia con z secondo D (m-1)

Determinata la velocità di Darcy, è possibile, noto il carico idraulico, dedurre la conducibilità idraulica dell’aquifero

Prove in foro: risposta termica • La prova di risposta termica “ground response test” (GRT) o “thermal response test” (TRT) permette una misura in situ delle proprietà termofisiche medie del sottosuolo e della resistenza termica • Prima del test di risposta termica è prassi frequente valutare la temperatura media del terreno indisturbato attraverso la circolazione di acqua nel BHE fino al raggiungimento dell’equilibrio termico, (Tin+Tout )/2 = costante. • Tuttavia questa prassi può portare a errori su questo parametro che dipendono sia dall’effetto della zona termicamente disturbata dall’onda annua, sia dall’eventuale effetto riscaldante della pompa che fa circolare il fluido nel BHE

Resistenza termica La resistenza termica RT del foro descrive l’efficienza nel trasferimento di calore tra il liquido circolante nel BHE e il terreno. Essa dipende dalla differenza T tra la temperatura media del fluido nella sonda e la temperatura alle pareti del foro (temperatura del terreno indisturbato) e dalla potenza specifica q (W/m) scambiata nel BHE RT = T / q RT dipende dalla posizione delle sonde e comprende le proprietà termiche dei diversi materiali. I valori osservati su numerosi test di campo vanno da 0.01 a 0.26 m K W-1 , a seconda del tipo di tubo (singola U, doppia U, ecc.) e del riempimento (grout) del foro (acqua, boiacca, sabbia, calcestruzzo, ecc.) La resistenza termica del foro può avere un effetto significativo sulla resa del sistema e dovrebbe essere mantenuta la più bassa possibile. I materiali di riempimento (bentonite, cemento ecc) in fori “cementati” solitamente forniscono miglior trasferimento di calore rispetto all’acqua.

Parametri termici per la progettazione dei BHE • La quasi totalità dei metodi proposti per la il dimensionamento dei BHE si basa sulla relazione di scambio termicoRT = T / qche si può riscrivere anche nella forma 1) • Dove Q è il potenza termica scambiata tra il fluido termovettore del BHE e il terreno (in W) derivata dalle prove in situ (GRT o TRT) • L è la lunghezza del BHE (in m) • Tm è la temperatura media del terreno indisturbato • Questa relazione è valida per regime stazionario. In realtà il processo di estrazione del calore genera uno scambio termico in regime variabile e quindi occorrerebbe tener conto nella stima di RT delle fluttuazioni temporali delle temperature del BHE

Prove in foro: GRT • Il test si basa sull’immissione (o l’estrazione) di una quantità di calore costante nella sonda geotermica (BHE) e sulla misura delle temperature di mandata (Tin) e ritorno (Tout), per un periodo di tempo sufficientemente lungo per assicurare che il sistema sonda - terreno raggiunga l’equilibrio. • L’apparecchiatura utilizzata misura le portate del fluido (acqua) immesso nel BHE, la temperatura del circuito idraulico, e registra in formato digitale i dai misurati di solito con passo di campionamento di in genere di 60 s, ed è dotata di sensori di pressione per la misura delle perdite di carico della sonda geotermica • Dalle misure si possono ricavare la conducibilità e la diffusività dell’insieme sonda-terreno (conducibilità efficace) e la resistenza termica.

La procedura del test normalmente inizia con la determinazione della temperatura del terreno indisturbato e successivamente parte l’iniezione di calore o freddo. • Il tempo di misurazione necessario per ottenere dati sufficienti per un’analisi affidabile è stato molto discusso sin dall’inizio dei test GRT. • Smith e Perry (1999) sostengono che sono sufficienti 12-20 ore di misurazione, anche se si ottiene una risposta conservativa, come ad esempio, sottostima della conducibilità termica. • Austin et al. (2000) trovano che una lunghezza del test di 50 ore sia soddisfacente per installazioni tipiche. • Gehlin (1998) raccomanda la durata del test di circa 60 ore. • Witte et al. (2002) hanno eseguito test della durata di 250 ore per scopi di ricerca T media= (Tin+Tout)/2

I dati ottenuti vengono trattati utilizzando soluzioni analitiche dell’equazione della conduzione di calore trascurando la sorgente interna (Equazione di Fourier), basate sull’assunzione che il BHE si comporta come a) Sorgente di calore lineare infinita b) Sorgente di calore cilindrica (cilindro infinito) Il modello della sorgente lineare infinita è più frequentemente utilizzato

Interpretazione del GRT: sorgente lineare Risolvendo l’equazione di Fourier per una sorgente lineare di lunghezza z, la variazione nel tempo della temperatura media degli scambiatori, dovuta alla potenza termica specifica (per unità di lunghezza) q= Q/z (W/m) attraverso la sonda è 2) RT è la resistenza termica tra il fluido termo-vettore e la parete del foro, rb raggio pozzo, = 0.577 è la costante di Eulero, t il tempo, Tin la temperatura in ingresso, Tout, la temperatura in uscita, T0 è la temperatura iniziale del terreno indisturbato

L’equazione 2) può essere riscritta come dove e In altre parole, la temperatura media è una funzione lineare del logaritmo del tempo t. Così, la conducibilità termica della roccia può essere derivata dalla pendenza a di questa relazione lineare Rt può essere determinato dall’equazione oppure, nota , dal coefficiente b

Problemi nella determinazione dei parametri termici con le prove in foroConsiderando gli errori sperimentali, casuali e sistematici, e le approssimazioni insite nel modello analitico, il GRT può valutare una conducibilità termica efficace della roccia con un errore di ±10% Questo è generalmente accettato come sufficiente per un’appropriata stima di rendimento. In pratica, è difficile mantenere costante l’immissione di calore durante l’intero periodo del test. La valutazione della conducibilità termica con il modello discusso in precedenza può portare ad erronee conclusioni se le serie di dati sono disturbate dalla temperatura dell’aria In alcune esperienze è stata applicata una grande attenzione, selezionando manualmente periodi di tempo in cui l’input di calore e le portate del fluido erano circa costanti, dal momento che, anche piccole perturbazioni di input di calore e di portata possono causare variazioni significative nei risultati L’equazione richiede anche di trascurare alcune ore di misurazione iniziale nel calcolo della pendenzaI parametri termici ottenuti con le prove in foro non corrispondono necessariamente a quelli misurati in laboratorio (contenuto in acqua, anisotropia e disomogeneità dovute alla stratigrafia, presenza di acquiferi)

G.R.T. 28 -30 novembre 2011 Acqui Terme reg. valloria - L = 125 m Q = 21-22 l/min = 0.366 l/s potenza di test = 4.60 kw l = 2.08 w/m k

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