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Forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano in tempi brevi come il sole, il vento, l’acqua, le biomasse, la geotermia e tutte le fonti assimilabili.

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I sistemi di geoscambio - Alfia Pasquini -

La richiesta crescente di energia è il problema fondamentale del XXI secolo: lo sviluppo tecnologico dei paesi industrializzati e l’elevato ritmo di crescita economica dei paesi emergenti richiedono sempre più energia. In questo scenario, il geologo applicato è chiamato in causa direttamente nel cercare di far fronte con le sue conoscenze a questa problematica mondiale, non solo per la ricerca di nuovi giacimenti di idrocarburi ma anche per la valorizzazione e lo sfruttamento dell’energia prodotta dalla Terra. La geotermia, infatti, è una delle possibili fonti energetiche alternative per garantire uno SVILUPPO SOSTENIBILE in quanto rappresenta un’ energia alternativa, pulita, gratuita, rinnovabile e disponibile ovunque.

Per energia geotermica si intende l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore. A seconda della temperatura raggiunta dal FLUIDO TERMOVETTORE, può essere definita come alta, media, bassa o bassissima ENTALPIA.

Risorsa geotermica

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Bassa ENTALPIA

<90°C

<125°C

<100°C

≤150°C

≤190°C

Media ENTALPIA

90-150°C

125-225°C

100-200°C

-

-

Alta ENTALPIA

>150°C

>225°C

>200°C

>150°C

>190°C

Tabella 1- classificazione della risorsa geotermica in base alla temperatura (°C) per diversi autori1

Rif:  
(a) Muffler and Cataldi (1978)
(b) Hochstein (1990)
(c) Benderitter and Cormy (1990)   
(d) Nicholson (1993)
(e) Axelsson and Gunnlaugsson (2000)

Essa può essere impiegata per diversi scopi a seconda della temperatura raggiunta nel punto di captazione. 



Figura 1- il diagramma di Lindal mostra i diversi impieghi dell’energia geotermica in funzione della temperatura (°C).

I sistemi di geoscambio2 (o sonde geotermiche) spesso sono confusi con la GEOTERMIA CLASSICA, ma in realtà essi non hanno nulla a che vedere con lo sfruttamento del gradiente termico3. Le pompe di calore geotermiche sfruttano la caratteristica del terreno di avere una massa di grande capacità termica e di mantenere una temperatura quasi costante per tutto l'anno.

 



Figura 2- andamento della temperatura suolo e aria in funzione del tempo, durante l’anno

L’equazione che permette di calcolare la temperatura T di un terreno indisturbato, omogeneo ed isotropo4 in funzione del tempo t a diverse profondità z è data da5:

dove:
T = temperatura media del terreno (°C) alla profondità in cui essa non è più influenzata dalla temperatura superficiale;

A = ampiezza della variazione annua della temperatura superficiale;

t = tempo (giorni);

z≥0: profondità (cm);


FREQUENZA angolare6

 


 costante di fase7. Si calcola conoscendo t0= io giorno dell’anno in cui la temperatura superficiale raggiunge il minimo.


Nel fattore di dumping depth8 abbiamo esplicitato la DT detta diffusività termica che come sappiamo in prima approssimazione è indipendente dalla temperatura. Questa grandezza scalare è definita come:

 

dove KT è la conducibilità termica, cp il calore specifico a pressione costante e ρ la densità.

La diffusività termica è una caratteristica intrinseca del corpo in quanto dipende esclusivamente da parametri relativi al materiale di cui è composto. Essa rappresenta la riluttanza di una sostanza a trasmettere il calore ed è misurata in (m²/giorno). Dà informazioni su quanto rapidamente il calore si diffonde all'interno del corpo. Nella Tabella 2 sono stati raccolti i valori di diffusività termica per la sabbia, l’argilla e l’arenaria. 

Tipo di terreno

Diffusività termica [m2/giorno]

Argilla

0.064

Sabbia

0.795

Arenaria

1.028


Tabella 2- diffusività termica di alcune rocce e terreni9 
Un esempio: considerando le temperature registrate a Firenze nell’anno 2007, valutando solo tre diversi tipi di suolo (argille, sabbie ed arenarie) e fissando una profondità di 10 metri, si riscontra che l’argilla risulta essere la litologia più stabile.
 
 
 
Figura 3- comportamento termico di tre diverse tipologie di suoli ad una profondità di 10 metri
 
Quali sono i componenti di un sistema di geoscambio, come funziona? Il principio di funzionamento delle sonde geotermiche consiste nel trasferimento di calore dal suolo al fluido che circola all’interno dalla sonda (solitamente acqua o acqua glicolata).
 

 

Figura 4- schema della TRASMISSIONE di calore di una sonda verticale dove,
Tf è la temperatura del fluido mentre, Tb è la temperatura media del suolo nella parete della sonda

In inverno è il terreno a trasferire il calore alla sonda e quindi al fluido che vi circola all’interno, il quale poi verrà a contatto con il fluido refrigerante contenuto nella pompa di calore che permetterà di riscaldare i vari ambienti.

In estate invece, avviene il contrario: il calore proveniente dall’edificio viene trasferito al terreno il quale permetterà di portare in superficie un fluido a temperatura più bassa che andando a contatto con il fluido refrigerante della pompa di calore, permetterà il condizionamento della casa.

 

Figura 5- trasferimento di calore dal terreno alla sonda in inverno (a), in estate (b) e in modalità Free Cooling (c)

Un sistema di geoscambio per il suo funzionamento ha bisogno di:
- una sonda geotermica, installata nel sottosuolo;
- una pompa di calore, in grado di trasferire il calore all’ambiente da riscaldare o raffrescare;
- sistema di riscaldamento, solitamente a pavimento.

Le tipologie di impianto sono:
- sistemi closed loop (circuito chiuso);
- sistemi open loop (circuito aperto).
Dei sistemi closed loop fanno parte le sonde geotermiche verticali e orizzontali. Questi impianti vengono così chiamati poiché per il loro funzionamento non è previsto l’utilizzo d’acqua di falda. Al contrario per i sistemi open loop si prevede l’utilizzo d’acqua che può essere prelevata direttamente dalla falda o addirittura da superfici d’acqua libera come fiumi e laghi.
 

Figura 6- a) schematizzazione degli impianti closed e open loop; b) sistemi closed loop a scambio termico con acqua superficiale


I nostri studi si sono concentrati in particolare:

- Conducibilità termica – ritenendo che lo studio di questo parametro sia essenziale in quanto, rappresenta l’attitudine di una sostanza a trasmettere il calore, si sono realizzati alcuni modelli basati sulla formula empirica di Kersten. È stata calcolata la conducibilità termica in funzione del contenuto di umidità per la sabbia e l’argilla. 

 

 

Il “Punto critico” rappresenta il limite di contenuto idrico che non deve mai essere raggiunto per evitare che i mezzi non riescano più a trasferire calore. Una volta superata tale soglia un suolo che poteva considerarsi un buon scambiatore di calore, rischia di diventare un pessimo conduttore. In questo caso la sonda geotermica è isolata termicamente e cessa di funzionare. Di conseguenza si può affermare che per un buon scambio termico è essenziale lo studio della conducibilità termica la quale dipende dal contenuto idrico e quindi dalla porosità, permeabilità e grado di saturazione.

- Effetti termici che influenzano la resa di uno scambiatore - a seconda del tipo di materiale che si trova a contatto con la sonda geotermica si possono innescare due processi fisici differenti di TRASMISSIONE di calore: la conduzione e la convezione. Esiste un parametro calcolabile, che permette di ricavare un coefficiente in grado di valutare la componente convettiva rispetto a quella conduttiva, si tratta del numero di Peclet (Pe). Lo studio di questo parametro è ritenuto fondamentale perché a seconda della presenza d’acqua o meno si possono innescare processi differenti, una sua valutazione permette sicuramente di dimensionare in maniera ragionata l’impianto.

- Comportamento termico del suolo - lo studio del comportamento termico del terreno è sicuramente l’aspetto più importante per garantire la miglior resa dell’impianto. Dallo studio bibliografico è emerso che raggiunta la profondità di circa 15 metri la temperatura tende a raggiungere un valore costante. È risultato quindi fondamentale verificare questo aspetto mettendo a confronto litologie differenti. Sono stati realizzati a tal proposito dei modelli matematici in cui è stato analizzato il comportamento termico delle diverse litologie.
Oltre allo studio dei parametri sopra esposti si è proceduto con il censimento degli impianti installati nel territorio toscano. Sono state studiate tutte le richieste autorizzative ed è stata realizzata una banca dati su piattaforma ArcGis.
Infine è stato realizzato un Web Gis che rappresenta sicuramente uno strumento innovativo ed unico a livello nazionale. Questo può essere consultato on-line cliccando qui 

Attraverso questo servizio è possibile consultare e conoscere tutti gli impianti installati nel territorio toscano.

È possibile rapportare l’ubicazione rispetto alle informazioni delle caratteristiche fisiche e morfologiche, è possibile confrontare la posizione dei sistemi installati e le informazioni geologiche a diversa scala, è possibile visualizzare i dati tecnici e le informazioni contenute nelle relazioni tecniche e geologiche. Questo strumento rappresenta il primo esempio di struttura informatizzata ed on line a livello Nazionale.

Ad oggi si stanno realizzando alcuni progetti che riguardano in particolar modo la realizzazione della Carta delle conducibilità termiche in scala 1:10000 della Regione Toscana, si sta procedendo con il censimento degli impianti realizzati e l’elaborazione della carta delle conducibilità termiche in scala 1:250000 inoltre, tramite l’elaborazione geostatistica di tutte le stratigrafie presenti nel territorio emiliano (circa 25000) è stato possibile, fissate 3 profondità di interesse (30, 60, 100 metri), produrre tre carte delle conducibilità termiche per le rispettive profondità.


Note:
1 May H. Dickson and Mario Fanelli. 
2 Sistemi di geoscambio/sonde geotermiche: sono delle sonde solitamente in polietilene installate nel sottosuolo in grado di scambiare il calore con il terreno tramite un FLUIDO TERMOVETTORE che vi circola all’interno (acqua additiva o acqua di falda, fiume o lago). Il principio di funzionamento delle sonde geotermiche sta nel trasferimento di calore dal suolo al fluido che circola all’interno dalla sonda.
3 Gradiente inteso come gradiente geotermico: la variazione di temperatura all'incremento della profondità entro la CROSTA terrestre; questo parametro viene generalmente indicato con il valore dell'aumento della temperatura in gradi Celsius ogni 100 m di profondità. Talvolta viene usato il termine grado geotermico indicante quanti metri di profondità sono necessari per avere un incremento di un grado di temperatura. In base alla conduttività termica, variabile in base al tipo di terreno o di roccia, si osserva un diverso gradiente termico (variazione della temperatura in funzione della profondità). Questo gradiente può variare da 1 °C ogni 30 m della parte superficiale della CROSTA terrestre a 1 °C ogni 10 - 15 m dei sedimenti marini. Il gradiente geotermico viene fortemente influenzato dalla circolazione di acqua idrotermale.
4 Terreno indisturbato, omogeneo ed isotropo: un terreno si dice indisturbato quando conserva le sue caratteristiche fisiche e chimiche. Si dice isotropo quando le proprietà in un punto si manifestano ugualmente in tutte le direzioni; se queste proprietà sono costanti in tutti i punti della massa il materiale è detto omogeneo.
5 Kirkham e Powers, 1972.
6 FREQUENZA angolare: il modulo della velocità angolare media è definito dal rapporto fra l'angolo spazzato da un vettore che ruota ed il tempo impiegato a compiere questa rotazione. Ossia:  ω(t)=Δθ/ΔT   dove ω è la velocità angolare, Δθ è l'angolo percorso e Δt è il tempo impiegato a percorrerlo.
7 Costante di fase: in generale, con il termine fase si indica un particolare istante durante lo svolgersi di un fenomeno periodico (un moto, un segnale elettrico, un'oscillazione, etc). Più precisamente, in Fisica la fase viene misurata tramite un angolo, detto angolo di fase. La costante di fase indica la posizione del moto corrispondente all'istante considerato come iniziale.
8 Dumping depth: o profondità di smorzamento è la profondità a cui la semiampiezza dell’oscillazione A/2 diventa 1/e del valore in superficie. Questa grandezza si ricava dalla seguente relazione:  d=√365DT/π . DT è detta diffusività termica ed in prima approssimazione è indipendente dalla temperatura.
9 Dati forniti da:
http://www3.interscience.wiley.com/journal/110559729/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0; http://www.actahort.org/books/661/661_8.htm; http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity.