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LA GEOTERMIA
LA COMBUSTIONE S.r.l.
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Il terreno come sorgente geotermica
Il calore è la forma macroscopica con la quale l'energia passa da un sistema fisico ad
un altro unicamente a causa di differenze di temperatura; l’energia geotermica,
invece, è il calore contenuto all’interno della Terra e generato per mezzo di fonti
termiche geologiche.
Alla base dello sfruttamento dell’energia geotermica non vi è solamente la
conversione in energia meccanica per la produzione di elettricità ma anche l’utilizzo
diretto del calore. Il calore proveniente da una risorsa geotermica può essere utilizzata
direttamente per fornire calore ad una rete di teleriscaldamento, a piscine di un centro
termale, a bacini di una pescicoltura, a serre agricole, o a tutte le altre attività che
necessitano calore. La figura mostra la distribuzione mondiale delle installazioni di
geotermie dirette nel 2000.
L’energia geotermica è considerata una fonte di energia quasi inesauribile poichè, per
quanto non rinnovabile nel senso proprio del termine, la sua durata, guardando ai
consumi attuali, è da considerarsi lunga rispetto alla durata della civiltà neolitica (che
è di circa 10.000 anni). Generalmente siamo abituati a pensare alla geotermia in
termini di vapore da utilizzare in centrali termoelettriche, o come acque termali ad
elevata tempratura; in realtà può essere considerata una risorsa geotermica sfruttabile
per la climatizzazione anche l’acqua di pozzo o il terreno di casa nostra grazie
all’utilizzo di una pompa di calore.
Principio base della pompa di calore
Il principio base è quello di estrarre energia termica dal sottosuolo, trasformarla con
una pompa di calore ad una temperatura più alta e poi usare questa energia per
produrre acqua calda da utilizzare per il riscaldamento o semplicemente come acqua
calda stessa. Le pompe di calore abbinate a sonde geotermiche sfruttano questo
principio permettendo di riscaldare e raffrescare le nostre case con un unico impianto
assicurando una alto grado di rendimento nell’arco dell’intera stagione e la possibilità
di essere indipendenti da ogni apporto termico esterno (per esempio una caldaia a
metano o gasolio).
Nella maggioranza dei casi il sottosuolo ha una temperatura pressoché costante, che
in Italia oscilla fra i 12 ed i 14 °C a partire da 10 metri fino a 100 metri di profondità.
Al di sotto di 100 metri, la temperatura inizia a salire in ragione di 3 gradi per ogni
100 metri di profondità. Tutte le applicazioni geotermiche che implicano temperature
del sottosuolo inferiori a 40°C (e dunque le primissime centinaia di metri del
sottosuolo) vengono definite a “bassa entalpia”.
In generale ogni impianto di climatizzazione è costituito da due parti:
- una parte di produzione del calore
- una parte di erogazione del calore
Nell’edilizia convenzionale la prima parte è costituita da una caldaia e la seconda dai
radiatori,dai pannelli radianti, dai ventilconvettori o comunque, più in generale, da dei
terminali di riscaldamento. Negli impianti geotermici ad acqua di pozzo la
produzione del calore è affidata alla pompa di calore mentre l’erogazione a dei
terminali opportuni; opportuni nel senso che minore sarà la loro temperatura, migliore
sarà la resa dell’impianto geotermico poichè maggiore sarà il COP della pompa di
calore (Coefficient of Performance, uguale al rapporto tra l’energia termica che si
ottiene e l’energia elettrica assorbita) e minore sarà il consume di energia elettrica.
Tuttavia affinchè i terminali trasferiscano all’ambiente l’energia necessaria a
mantenerli a temperatura di comfort, più è ridotta la loro temperatura, maggiore
dev’essere la loro superficie radiante. Le temperature dei radiatori (60/70 °C) non
sono idonee per questo tipo di impianti; per questo motivo il terminale di
riscaldamento ideale per un impianto geotermico è rappresentato dai pannelli radianti
(a pavimento, a parete o a soffitto) poichè non lavorano a temperature superiori a 40
°C.
Oggigiorno la maggior parte degli impianti a pompa di calore presenti in edilizia
civile sfruttano l’aria quale sorgente termica, ciò per la sua disponibilità illimitata ed
ubiquitaria, per la facilità di progettazione e per la praticità di installazione degli
impianti. Tuttavia, quale fonte termica, non rappresenta la scelta termodinamicamente
più efficiente perchè la sua temperatura varia durante l’anno ed è più bassa proprio
nei periodi di maggior fabbisogno termico, comportando un decremento sia nel
rendimento che nella capacità della pompa di calore.
Il terreno ha delle oscillazioni di temperatura stagionali assenti rispetto all’ambiente
esterno ed è, come sorgente, ad un livello termico più elevato: ciò lo porta ad essere
una sorgente ideale per impianti a pompa di calore.
Riassumendo, la scelta di un’impianto a pompa di calore porta ai seguenti vantaggi
rispetto a un impianto tradizionale:
•
A livello impiantistico ho un’unica macchina dalle dimensioni contenute che,
permettendo sia di riscaldare che di raffrescare, sostituisce in tutto e per tutto sia la
caldaia che i gruppi frigo; inoltre essa può essere installata in qualsiasi locale e la
centralina dell’impianto è unica e implementata nella macchina.
•
Elevata sicurezza in quanto non è necessario l’utilizzo di nessun combustibile,
eliminando il rischio di perdite di gas, perdite di fumi e incendi; inoltre l’utilizzo
di gas refrigerante è molto contenuto ed è confinato in un circuito chiuso
all’inerno della macchina.
•
Si ha la totale assenza di emissioni di CO2 dirette e di qualunque altra sostanza
nociva (ossidi di azoto, ossidi di zolfo, polveri sottili, particolato, PM10, PM2,5,
residui cancerogeni e diossine); secondo il rapporto EPA, l’impianto geotermico è
il sistema che “ha il più basso valore delle emissioni di CO2 fra tutte le
tecnologie disponibili per la climatizzazione e il più basso impatto ambientale
complessivo”.
•
Non è richiesta nessuna manutenzione programmata.
•
Si elimina ogni tipo di dispositivo esterno e di contatore gas.
Negli impianti geotermici residenziali la tipologia maggiormente utilizzata è quella di
pompa di calore elettrica a compressione.
Questa pompa di calore lavora tra due livelli termici: quello dell’impianto di
riscaldamento e quello reso disponibile dalla sorgente esterna. A queste due
temperature corrispondono due livelli di pressione del fluido operativo, uno più
elevato a cui avviene la condensazione e uno inferiore a cui avviene l’evaporazione
(costanti perchè i cambiamenti di stato avvengono a una coppia costante di pressione
e temperatura). La pompa di calore trasferisce calore disponibile alla temperatura
della sorgente esterna ad un livello termico più elevato, utile per la climatizzazione.
Affinchè il processo sia ripetibile devo riportare il fluido vettore alle condizioni
iniziali mediante una laminazione. I fluidi di norma impiegati sono i gas refrigeranti
(R410A, R407C, ...) o i refrigeranti naturali (propano, ammoniaca, anidride
carbonica, ...). Il ciclo si basa su quattro trasformazioni: evaporazione-compressionecondensazione-espansione; esse sono realizzate da quattro componenti:
•
Evaporatore
• Compressore
• Condensatore
• Valvola di laminazione
Sia che la pompa di calore sia usata per il raffrescamento che per il riscaldamento
essa lavora tra due livelli di temperatura e in entrambi i casi può essere definito un
coefficiente di prestazione energetica che valuta il rapporto fra l’energia termica resa
e l’energia consumata (in riferimento alla figura precedente esso è uguale a Q2/L);
esso viene chiamato COP (coefficient of performance). Il COP non è un rendimento
temodinamico e può assumere tranquillamente valori superiori al’unità. Tanto più
vicini sono i due livelli di temperatura tanto più elevato sarà il valore che esso
assumerà. Questo è il motivo per cui si utilizzano terminali a bassa temperatura.
Vi sono fondamentalmente tre tipi di impianti geotermici utilizzati nella
climatizzazione:
1) Impianti accoppiati direttamente con il terreno attraverso un sistema di
tubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido termovettore;
2) Impianti che utilizzano l’acqua di falda come fluido termovettore, con o senza
reimmissione nella falda dopo l’uso;
3) Impianti che sfruttano l’acqua dei laghi e dei bacini come sorgente termica
attraverso un circuito che può essere aperto o chiuso.
Le situazioni 2 e 3 richiedono delle situazioni ambientali particolari legate alla
disponibilità idrica e sono soggette a vincoli legislativi sull’inquinamento termico
delle acque(L.152/99).
Per la prima tipologia di impianti invece la legge non ha posto vincoli a livello
nazionale e ha demandato alle provincie la possibilità di stabilire delle norme in
merito. Ciò è stato fatto da poche provincie (Bergamo, Bolzano, ...) ed è in fase di
valutazione in numerose altre vista la giovane età di questa tecnologia.
Le sonde geotermiche sono di due tipologie: verticali e orizzontali.
Le sonde geotermiche verticali vengono adagiate in uno o più fori dalla profondità
che varia tra gli 80 e i 150 m e sfruttano la costanza annuale della temperatura a
quelle profondità (la presenza di falde lungo il suo percorso che diminuiscono la
resistenza del terreno permettendo di dimensionare meglio e più facilemte
l’impianto), occupando un’area molto contenuta. Lo svantaggio di questa soluzione è
l’alto costo della perforazione (in base alla tipologia del terreno) e il grande ingombro
della trivella necessaria per la realizzazione del foro.
Gli scambiatori orizzontali invece vengono adagiati in una trincea fonda da 1 a 2 m in
trecce da 2 a 8 sonde, con diverse configurazioni. Ovviamente le prestazioni di
scambio termico sono inferiori rispetto a una sonda verticale (data la variabilità della
temperatura nel corso dell’anno a quella profondità) e inoltre è necessario avere a
disposizione una maggiore area di terreno (che dovrà essere lasciata scoperta per
eventuali interventi di manutenzione e per permettere un’efficiente insolazione) su
cui sarà possibile impiantare solo erba o arbusti. L’enorme vantaggio, però, è il
ridotto costo dello scavo che può essere realizzato in poco tempo da una semplice
pala meccanica.
Per dimensionare un impianto geotermico è fondamentale anzitutto conoscere il
fabbisogno di riscaldamento dell’edificio per poter scegliere la pompa di calore più
adatta alle esigenze del caso. Scelta la macchina si procede al dimensionamento della
sonda vera e propria. Per questo passaggio è fondamentale avere una precisa
conoscenza della stratigrafia del terreno per riuscire a capire qual’è la sua risposta a
delle sollecitazioni termiche.
Ciò che il cliente dovrà fornire sarà dunque:
• Una planimetria dell’abitazione e relativi sviluppi in pianta ( piano terra –
piano primo – piano secondo – etc );
• Una descrizione della tipologia di sottosuolo (reperibile, se non conosciuta, nel
comune di residenza).
• Fabbisogni energetici dell’edificio in termini di potenza (kW) e energia (kWh).
Il Free-Cooling
Un altro vantaggio di questo tipo di impianto è la possibilità, nel periodo estivo, di
bypassare la pompa di calore e utilizzare come temperatura dei terminali quella del
sottosuolo. In questo modo con un consumo irrisorio di corrente elettrica (non è
necessario utilizzare nessuna pompa di calore e dunque nessun compressore, ma solo
delle pompe di circolazione con un assorbimento medio di 300 W di corrente
elettrica).
Va ricordato che una delle poche limitazioni che questo tipo di impianti comporta è la
necessità di lasciare il terreno in cui è interrata la sonda privo di piantumazioni con
radici profonde o a fronda ampia con foglie non caduche, le prime per la possibilità di
danneggiamento della sonda (che viene realizzata in PVC per la facilità di posa e
sagomatura), le seconde per l’ombreggiatura prodotta e la conseguente difficoltà di
rinnovo dell’energia termica accumulata nel suolo nel periodo invernale.
L’implementazione con il fotovoltaico
L’impianto a pompa di calore non necessita di combustibile fossile ma necessità di
corrente per funzionare. Per questo motivo esso si combina molto bene a un impianto
fotovoltaico che riesca a coprire totalmente o in parte la potenza elettrica richiesta
dalla macchina.
Tra le fonti di energia rinnovabile il sole ha un ruolo principe, anzi in realtà il sole
può essere considerato in qualche modo l’origine di tutte le fonti di energia sia in
maniera diretta (conversione fotovoltaica, conversione termica, conversione termoelettrica mediante pannelli a concentrazione) sia in modo indiretto (energia eolica,
biomasse)
L’energia che il sole irraggia sulla terra è pari ogni anno a circa 15.000 volte la
quantità di energia consumata attualmente nello stesso periodo dall’intera umanità.
Caratteristiche positive dell’energia solare sono la sua disponibilità diffusa e
praticamente illimitata ed il fatto di essere un’energia assolutamente pulita. Da non
trascurare anche il vantaggio di essere un’energia che può essere facilmente prodotta
anche in piccoli impianti in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di un nucleo
familiare o di un condominio.
Caratteristiche negative sono la non programmabilità della sua disponibilità dovuta
all’incostanza dell’irraggiamento legata ai fenomeni atmosferici e stagionali e la
scarsa concentrazione per unità di superficie terrestre.
La più promettente tra le diverse tecnologie che sfruttano l’energia solare è
sicuramente quella fotovoltaica, grazie alle caratteristiche di semplicità, modularità,
affidabilità e ridotte esigenze di manutenzione, sia a medio che a lungo
termine.L’effetto fotovoltaico è il processo di conversione dell’energia solare in
energia elettrica, e più precisamente della radiazione solare in una corrente di
elettroni.
Questo processo utilizza il fenomeno fisico dell’interazione di un fotone (radiazione
solare) con gli elettroni esterni di alcuni materiali (semiconduttori) che grazie
all’energia ricevuta dal fotone si liberano dall’atomo originario lasciando una lacuna;
gli elettroni degli atomi vicini si spostano occupando le lacune creatasi negli atomi
adiacenti e così via. Si origina così un vero e proprio flusso di elettroni (corrente
elettrica).
La cella fotovoltaica è il mezzo dove si verifica il processo di conversione
dell’energia solare in energia elettrica. Consiste in una lastra di materiale
semiconduttore (comunemente è silicio) che trattata in modo opportuno, origina una
differenza di potenziale tra la superficie superiore (-) e inferiore (+). La radiazione
solare che colpisce la cella mette in movimento gli elettroni che si spostano dalla
parte negativa a quella positiva creando un flusso che genera corrente continua finchè
la cella resta esposta alla luce.
L’impianto immette in rete l’energia elettrica prodotta con il sistema fotovoltaico
dopo averla trasformata tramite inverter in corrente alternata e sincronizzata. In
questo tipo di impianti la rete svolge la funzione di accumulo e prende in carico la
corrente prodotta dall’impianto fotovoltaico rendendola disponibile nel momento del
bisogno per l’utilizzo da parte dell’utente.
Gli impianti sono costituiti da :
• Generatore fotovoltaico consistente in una serie di moduli fotovoltaici tra di
loro collegati, che ha la funzione di trasformare l’irraggiamento solare in
energia elettrica.
• Inverter per la trasformazione della corrente continua erogata dal sistema in
corrente alternata e la sua immissione in rete.
• Quadro di controllo per la gestione dell’interfaccia tra sistema di produzione
fotovoltaico e rete.
I vantaggi più significativi della produzione di energia elettrica mediante conversione
fotovoltaica sono:
•
inesauribilità della fonte;
•
assenza di emissioni inquinanti ed in particolare di gas serra;
•
non consumo di combustibili fossili;
•
semplicità impiantistica;
•
minimi costi di esercizio e manutenzione;
•
pannelli facilmente integrabili negli edifici e nelle infrastrutture urbane
occupando
superfici solitamente inutilizzate (tetti,facciate, pensiline, ecc...).
Il governo italiano per venire in contro e promuovere la diffusione di questi impianti
propone un sistema di incentivazione denominato Conto Energia. Questo sistema
retribuisce l’autoproduzione di energia elettrica se immessa nella rete nazionale e, se
l’energia viene auto-consumata, viene scalata dalla propria bolletta conseguendo un
guadagno pari alla differenza tra costo al dettaglio del KWh e quello all’ingrosso. Il
prezzo con cui viene pagato il kWh autoprodotto segue questa tabella
Le tariffe sono erogate per un periodo di venti anni, a decorrere dalla data di entrata
in esercizio dell’impianto e rimangono costanti, non subiscono cioè aggiornamenti
ISTAT, per l’intero periodo. Per gli impianti che entreranno in esercizio dal 1°
gennaio 2009 al 31 dicembre 2010, i valori indicati nella tabella saranno decurtati del
2% per ciascuno degli anni di calendario successivi al 2008, rimanendo poi costanti
per il periodo di venti anni di erogazione dell’incentivo. MSE e MATTM
ridefiniranno invece con successivi decreti le tariffe incentivanti per gli impianti che
entreranno in esercizio negli anni successivi al 2010.
Esempio di soluzione impiantistica di tipo residenziale
Vediamo ora di valutare la convenienze nell’installazione di un impianto geotermico
affiancato ad un impianto fotovoltaico integrato rispetto all’installazione di un
impianto di climatizzazione con una caldaia a condensazione per il riscaldamentoe
degli split ventilconvettori per il raffrescamento (non è conteggiato il risparmio
relativo al loro costo nella valutazione che segue).
IMPIANTO ORIZZONTALE
Potenza pompa di
calore
in
riscaldamento
COP
Potenza elettrica
assorbita
dalla
pompa di calore
Tempo annuale di
funzionamento
Energia elettrica
consumata
annualmente
Costo impianto
IMPIANTO VERTICALE
8 kW termici
8 kW termici
4
4
2 kW elettrici
2 kW elettrici
2.000 h
2.000 h
4.000 kWh
4.000 kWh
15.000 €
18.500 €
geotermico
installato
(sonda+pompa di
calore+impianto)
Potenza impianto
fotovoltaico
Energia elettrica
prodotta
annualmente
Costo impianto
fotovoltaico
installato
Energia elettrica
acquistata dalla
rete
Conto Energia
Costo
energia
elettrica
acquistata
annualmente
Rimborso 55 %
sull’impianto
geotermico
Risparmio legato
alla
mancata
installazione della
caldaia
a
condensazione
Gas risparmiato
annualmente
Totale
investimento
3 kW
3 kW
3.400 kWh
3.400 kWh
21.000 €
21.000 €
600 kWh
600 kWh
1.666 €
1.666 €
60 €
60 €
8.250 €
10.175 €
4.000 €
4.000 €
1.500 €
1.500 €
36.000 €
39.500 €
Il ritorno dell’investimento è il seguente:
Ritorno investimento impianto geotermico
orizzontale + fotovoltaico
€ 60.000
€ 40.000
€
€ 20.000
€0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
-€ 20.000
-€ 40.000
anno
Ritorno investimento impianto geotermico verticale
+ fotovoltaico
€ 60.000
€ 40.000
€
€ 20.000
€0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
-€ 20.000
-€ 40.000
anno
Si può notare che la differenza di payback (tempo di ritorno) tra i due tipi di impianto
è molto poca, leggermente a favore dell’impianto geotermico orizzontale che
comporta inoltre un’investimento iniziale inferiore.
Il VAN e il TIR di questi due investimenti sono i seguenti
VAN
TIR
IMPIANTO ORIZZONTALE IMPIANTO VERTICALE
20.562 €
18.548 €
12 %
11 %