Cos’ è un impianto geotermico?

L’impianto geotermico è una tecnologia che sfrutta l’energia geotermica per generare energia elettrica o energia termica per la produzione di acqua calda ed il riscaldamento o il raffrescamento delle abitazioni.

L’energia geotermica è stata usata per la prima volta per produrre elettricità a Larderello, in Toscana, dove nel 1904 il principe Piero Ginori Conti sperimentò il primo generatore geotermico.

Attualmente in Italia questa tecnologia è poco diffusa, rappresenta solo l’ 1,8 % (ISTAT) dell’energia prodotta annualmente, mentre l’ Islanda, la Germania e la Svezia hanno saputo sfruttare questo sistema, con una crescita delle installazione negli ultimi anni del 40%.

Nella produzione mondiale di energia, quella geotermica costituisce oggi meno dell’1%. Secondo uno studio del Massachusetts Institute of Tecnology, con la sola energia geotermica si potrebbe soddisfare il fabbisogno energetico planetario per i prossimi 4000 anni.

TIPOLOGIE

Nella geotermia, il sistema più conosciuto è quello dello sfruttamento delle risorse geotermiche ad alta temperature (sistema ad alta entalpia).

In zone particolari, dove il terreno ha temperature più alte della media (fino 150c°) a causa di fenomeni vulcanici o tettonici, ed i fluidi ad alta temperatura sono disponibili a profondità accessibili (basti pensare ai geyser o ai soffioni), il vapore proveniente dal sottosuolo viene sfruttato per far muovere una turbina, poi l’energia meccanica della turbina, tramite un alternatore, viene trasformata in energia elettrica, oppure viene utilizzato per il riscaldamento per gli usi residenziali ed industriali.

In Italia esistono "zone calde" in Toscana, Lazio, Sardegna, Sicilia e alcune zone del Veneto, dell'Emilia Romagna e della Lombardia dove appunto il calore si propaga fino alle rocce prossime alla superficie.

Il più grande complesso geotermico n Italia per la produzione di energia elettrica si trova sul Monte Amiata. L’impianto ha una potenzialità di 1400 MW, sufficiente a soddisfare le richieste energetiche dell’area attorno ad essa, nel comune di Piancastagnaio

Il sistema geotermico a bassa temperatura (a bassa entalpia) sfrutta il calore naturale del terreno, che ha una temperatura costante nel tempo.

Il terreno ha una temperatura compresa tra i 12C° e i 17C° fino ad una profondità di 100 metri ed è utilizzato dall’ impianto geotermico come serbatoio di calore dal quale nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso, presente negli edifici, viene dato al terreno. Lo scambio del calore avviene per mezzo di una pompa di calore che produce energia termica per l’acqua sanitaria e per il riscaldamento o raffrescamento degli edifici.

Questo sistema è praticabile ovunque, a qualsiasi latitudine e su quasi tutti i tipi di terreno.

La convenienza all’installazione dell’impianto geotermico va comunque valutata attentamente, ed affidata a tecnici esperti.

In alternativa al terreno è possibile utilizzare l’acqua di falda o di bacini lacustri.

Inoltre gli impianti geotermici devono essere abbinati con impianti di distribuzione del riscaldamento funzionanti a basse temperature, come i pannelli radianti o ventilconvettori, e non con i classici radiatori, che utilizzano alte temperature.

I COMPONENTI ED IL FUNZIONAMENTO DELL’IMPIANTO GEOTERMICO

Un impianto geotermico, se opportunamente dimensionato, è in grado di riscaldare e raffrescare un edificio senza l'ausilio di altri apparecchi. In questo caso si parla di impianto geotermico "monovalente".

Oppure l’impianto può essere integrato con altri generatori di calore ad alta efficienza in regime "bivalente". Ad esempio può essere abbinato con impianti solari termici oppure con caldaie a condensazione. L’integrazione tra geotermia ed impianti solari termici o caldaie a condensazione avviene grazie al serbatoio di accumulo, all’interno del quale l’acqua viene riscaldata tramite serpentine collegate ai diversi generatori di calore.

Un impianto geotermico è composto da tre circuiti che interagiscono in maniera simbiotica:

  • Sistema di captazione del calore

  • La pompa di calore

  • Sistema di accumulo e distribuzione del calore

Sistema di captazione del calore

Questo sistema permette al calore di passare da uno stato di dispersione all'interno del terreno o della falda acquifera ad uno stato più concentrato, e quindi utile, all'interno dell'impianto di climatizzazione.

Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche, in materiale plastico (polietilene) o in rame, ad alta trasmittenza termica, che vengono inserite nel terreno in prossimità dell’edificio, e nelle quali passa un liquido termovettore che, compiendo un movimento circolare, assorbe il calore dal terreno e lo trasmette al circuito della pompa di calore.

I tubi delle sonde sono poi collegati in superficie ad un apposito collettore connesso alla pompa di calore, installata all'interno dell'edificio.

La disposizione ed il numero di sonde variano in funzione dell'energia termica richiesta, delle caratteristiche del terreno e del fluido termovettore utilizzato.

Il fluido termovettore che scorre all'interno delle sonde può essere costituito da acqua semplice o da glicole etilenico (miscela di acqua e anticongelante non tossico). In questo secondo caso si può far circolare il fluido a temperature inferiori a 0°C, con il vantaggio di avere un flusso termico più elevato.

In alternativa, alcune soluzioni impiantistiche (impianti ad espansione diretta) prevedono la circolazione diretta nelle sonde del fluido refrigerante della pompa di calore (gas della famiglia degli idro-fluoro-carburi utilizzati anche nei sistemi a pompa di calore tradizionali tipo split).

In relazione al tipo di sonde utilizzate si configurano tre tipi di impianto

  1. Impianti con sonde geotermiche verticali
  2. Impianti con sonde geotermiche orizzontali
  3. Impianti che sfruttano l’acqua come sorgente termica


1. Impianti con sonde geotermiche verticali

Il terreno viene trivellato per effettuare un foro verticale di 10-15 cm di diametro e di una lunghezza generalmente compresa tra 70 e 130 metri, dove la temperatura è di 12-17C°, ricavando un “serbatoio” di calore nel quale la temperatura del terreno resta sempre costante per tutto l’anno ed al quale si attinge per prelevare calore in inverno e cedere calore in estate.

Il circuito di scambio di calore fra edificio e sottosuolo avviene per mezzo di uno scambiatore, la sonda geotermica immersa nel terreno.

Tale scambiatore consiste in un tubo in polietilene di andata ed uno di ritorno, collegati con un raccordo a U alla loro estremità inferiore. All’interno dei tubi, che costituiscono un circuito chiuso, viene fatto circolare un fluido termovettore( acqua con antigelo) attraverso il quale avviene lo scambio di calore. Durante un ciclo di riscaldamento invernale il liquido scende in uno dei due tubi a bassa temperatura (intorno allo zero), per risalire nell’altro riscaldato dal calore del suolo. 

I tubi affondati verticalmente nel terreno possono avere varie sezioni trasversali: singolo o doppio tubo ad U, tubi coassiali semplici o complessi.

Questo tipo d’impianto occupa poco spazio e quindi è adatto per coloro che desiderano installare un sistema geotermico ma hanno a disposizione poca superficie di terreno e non comporta grossi lavori di ripristino.

Se ben dimensionato, il sistema a sonde verticali è quello a più elevata affidabilità. 

2. Impianti con sonde geotermiche orizzontali

In questo caso si sfrutta il calore del terreno dovuto all’irraggiamento solare accumulato negli strati più superficiali del terreno e quindi risente dell'influenza stagionale dell'apporto solare.

Questo impianto prevede la posa nel terreno di sonde geotermiche, composte da tubi in polietilene ad alta densità o tubi di rame con guaina in polietilene anti corrosione nei quali circola rispettivamente acqua glicolata o fluido frigorifero, ad una profondità di circa 1-3 metri. Nel caso nel circuito venga fatto circolare direttamente il fluido frigorifero della pompa di calore, si parla di impianto ad espansione diretta.

Nelle configurazioni a sviluppo orizzontale, si possono avere circuiti ad anello chiuso o aperto, a serpentina, a spirale.

Questo impianto ha bisogno di un'area più ampia per la posa in opera delle sonde rispetto agli impianti a sonde verticali, corrispondente a 2-3 volte la superficie da riscaldare/raffrescare.

La soluzione orizzontale è quella più economica in quanto non richiede perforazioni profonde, facile da installare e la più diffusa.

3. Impianti che sfruttano l’acqua come sorgente termica

Nel caso in cui sia disponibile vicino all’edificio l’acqua di falda o di superficie (lago, fiume, acqua marina) come sorgente termica, questa può essere utilizzata sia come sorgente termica che come fluido termoconvettore.

Il sistema può essere a circuito aperto. In questo caso vanno realizzati due pozzetti, uno per il prelievo diretto dell’acqua con pompa elettrica, uno per la reimmissione dell’acqua in falda dopo il passaggio nella pompa di calore.

Per l’utilizzo di acqua di falda deve essere fatta una attenta valutazione sia sulla qualità che sulla quantità dell’acqua e comunque non sussiste pericolo di inquinamento, dal momento che le caratteristiche chimiche dell’acqua rimangono inalterate: viene soltanto raffreddata (o riscaldata in estate) di pochi gradi. Le perforazioni per sistemi ad acqua di falda sono normalmente più costosi anche se meno profondi di quelli di una sonda geotermica

Nel caso si disponga vicino all’abitazione di un laghetto, è possibile realizzare un sistema a circuito chiuso con sonde orizzontali poste sotto il livello dell’acqua.


Se in quantità sufficiente, l’acqua assicura la migliore efficienza complessiva grazie alla elevata capacità termica, con COP alti e bassi costi di esercizi

La pompa di calore

vedi pompa di calore impianto condizionamento

Il solo calore estratto dal sottosuolo non è sufficiente da solo a riscaldare un edificio, allora interviene la pompa di calore, che è l’elemento fondamentale dell’impianto geotermico, ad innalzare la temperatura del liquido termoconvettore in modo da essere utilizzato dall’ impianto di riscaldamento.

Contrariamente a quanto avviene in natura, dove il calore si sposta da una zona a temperatura più alta ad una zona a temperatura più bassa, la pompa di calore trasferisce il calore da una sorgente a temperatura bassa (sorgente fredda) ad una sorgente a temperatura più alta (pozzo caldo). Il sistema è lo stesso dei condizionatori e dei frigoriferi, solo che per riscaldare il il ciclo è inverso.

Nell’impianto geotermico il fluido termovettore scende nella sonda di mandata ad una temperatura inferiore a quella del terreno, preleva a il calore e poi risale ad una temperatura di 4-5C° superiore. La pompa di calore prende questo calore(sorgente fredda) e lo utilizza riscaldare l’ acqua dell’impianto di riscaldamento a 30-35°. Infine l’acqua di ritorno dopo aver ceduto calore all’ambiente, rientra nella pompa di calore e ricomincia il ciclo.

Il rendimento di una Pompa di Calore è inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra la sorgente di energia e l'ambiente da riscaldare/raffrescare, in pratica più grande è la differenza fra le due temperature, meno efficiente è il sistema. Per questo motivo, le pompe di calore geotermiche sono di solito più efficienti rispetto a quelle ad aria, soprattutto per impianti a sonde orizzontali che captano il calore in profondità.

L'efficienza di una pompa di calore è è indicata con un indice, il coefficiente di prestazione COP (Coefficient of Performance), che è dato dal rapporto tra l'energia termica prodotta e l'energia elettrica consumata. Ad esempio, se una pompa di calore ha un COP pari a 3, significa che per funzionare utilizza 1 kWh elettrico , ma rende 3 kWh termici, gli altri 2 kWh vengono prelevati dal sottosuolo. Le pompe di calore geotermiche accoppiate a sonde verticali o a collettori orizzontali hanno un COP variabile tra 4 e 4,9, maggiore di quelle funzionanti con acqua sotterranea o a sistema aperto che hanno un COP tra 3,6 e 5,2, in quanto il terreno ha una temperatura costante.

Per il raffrescamento estivo la pompa di calore dell’l’impianto geotermico funziona in modo inverso. Il fluido termoconvettore scende nel terreno attraverso la sonda di mandata ad una temperatura di 25-30C° ( superiore a quella del terreno), cede il calore e poi risale ad una temperatura di 4-5° inferiore. La pompa di calore interviene per trasferire il calore dell’ambiente a quello più freddo del terreno, portando l’acqua ad una temperatura di 16-20°C per poi trasferirla ai pannelli radianti o 7-12C° per i ventilconvettori. Il raffrescamento in questo caso è abbinato ad un impianto di deumidificazione degli ambienti.

In caso di utilizzo come sorgente dell’acqua di falda, la climatizzazione estiva può essere realizzata anche grazie al Free-cooling: si fa circolare all’interno dei pannelli radianti l’acqua di ritorno delle sonde geotermiche, che avendo una temperatura intorno ai 14-15C° sono sufficienti a rinfrescare gli ambienti. Occorre in questo caso un bye-pass per escludere la pompa di calore. Si tratta di un sistema particolarmente economico perché, non andando in funzione la pompa di calore, il consumo elettrico si azzera ed ecologico perché non inquina l’ambiente.

Sistema di accumulo e distribuzione del calore

L’impianto di riscaldamento e di acqua calda riceve il calore della pompa mediante un circuito di scambio.

Gli impianti geotermici possono essere abbinati con terminali di riscaldamento/raffrescamento che funzionano a bassa temperatura, cioè i pannelli radianti a pavimento (che lavorano ad una temperatura di 30-35C° per il riscaldamento e il 18-20C° per il raffrescamento ) ed i ventilcovettori.

  

Non possono essere utilizzati i tradizionali radiatori perché funzionano ad alta temperatura.

L’impianto ha bisogno di un serbatoio di accumulo per l'acqua calda, necessario a causa della non contemporaneità tra produzione di acqua calda e sua richiesta.

L’impianto potrebbe essere collegato ad un serbatoio di accumulo inerziale, per aumentare l'inerzia dell'impianto e diminuire gli on/off della pompa di calore, garantendo una maggiore durata all’impianto.

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