Sistema geotermico

1.4.2 Caratteristiche e uso dei sistemi geotermici

I sistemi geotermici sono costituiti da tre componenti principali: una fonte di calore, un pozzo di calore e uno scambiatore di calore. Tipicamente la fonte di calore è il terreno, mentre il pozzo di calore è un ambiente costruito (in generale, una struttura). Tuttavia, può verificarsi anche il contrario, cioè la fonte di calore è un ambiente costruito mentre il dissipatore di calore è il terreno. Lo scambiatore di calore è generalmente costituito da uno o più elementi contenenti un fluido che trasferisce il calore tra la sorgente di calore e il pozzo di calore.

L’utilizzo del terreno come serbatoio di calore, cioè come sorgente o pozzo di calore, è il risultato di lunghi sviluppi storici che spesso possono essere affrontati solo sulla base di considerazioni indirette (Cataldi, 1999). Qui di seguito sono elencati alcuni esempi dei primi sviluppi del loro tipo. All’inizio dei tempi sumeri e accadici, il terreno era impiegato come un dissipatore di calore per conservare il ghiaccio (e il cibo) nelle cosiddette “case di ghiaccio” costruite parzialmente o completamente sottoterra (per esempio Dalley, 2002), sulla base della limitata affezione di questi ambienti alle condizioni termiche di superficie. Nel paleolitico e nell’antica Roma, il terreno era usato come fonte di calore per il bagno e il riscaldamento degli spazi (per esempio Armstead, 1973), sulla base della presenza di fonti di acqua calda nel sottosuolo (per esempio sorgenti termali). Nel 1904 il terreno fu usato come fonte di calore per la produzione di energia elettrica attraverso la costruzione della prima centrale geotermica da parte del principe Piero Ginori Conti in Italia (es. Lungonelli, 2003).

Una caratteristica chiave dei sistemi geotermici è il modo in cui l’energia termica raccolta dal terreno viene utilizzata attraverso tali sistemi. Nei sistemi geotermici poco profondi, viene tipicamente fatto un uso indiretto dell’energia geotermica. In questi casi si utilizzano macchine o dispositivi che modificano (aumentano o diminuiscono) l’apporto di energia trasferita tra il terreno e l’ambiente di destinazione, oltre a macchine o dispositivi che costringono un fluido termovettore a scorrere (scambiando calore) tra di loro. Nei sistemi geotermici profondi si può fare un uso diretto dell’energia geotermica quando non si mira ad un uso indiretto. A differenza del caso precedente, in questa circostanza si possono evitare le macchine che modificano l’apporto di energia trasferita tra il terreno e l’ambiente di destinazione e sono necessarie solo le macchine che costringono un fluido termovettore a fluire tra il terreno e l’ambiente di destinazione.

I sistemi geotermici poco profondi possono essere utilizzati per fornire riscaldamento, raffreddamento e acqua calda, utilizzando temperature disponibili nel sottosuolo inferiori a 25°C. Questi sistemi sono adatti per uso domestico e su piccola scala in quasi tutte le località geografiche. I sistemi geotermici profondi possono essere utilizzati per fornire riscaldamento e acqua calda, nonché energia elettrica, utilizzando temperature disponibili nel sottosuolo superiori a 25°C e fino a 200°C. Questi sistemi sono adatti per usi di media e grande scala, ma possono essere applicati in luoghi più particolari rispetto ai sistemi geotermici poco profondi.

Oltre alla classificazione dei sistemi geotermici proposta in precedenza, un ulteriore criterio viene spesso impiegato per caratterizzare questi sistemi ed è legato alla presenza di anelli chiusi o aperti nello scambiatore di calore. In base a questo criterio, i sistemi geotermici possono essere classificati nella maggior parte dei casi come sistemi a circuito chiuso o aperto. I sistemi a circuito chiuso usano una miscela a base d’acqua che circola attraverso tubi sigillati per trasferire il calore dal suolo alla sovrastruttura o viceversa. I sistemi a circuito aperto usano direttamente l’acqua freatica estratta o iniettata nelle falde acquifere attraverso pozzi nel processo di scambio di calore considerato.

La differenza cruciale tra i sistemi a circuito chiuso e quelli a circuito aperto è che in questi ultimi si verifica lo scambio di massa, in contrasto con i primi, e il trasferimento di calore è più favorevole. Tuttavia, anche se forniscono il più alto rendimento energetico, i sistemi a circuito aperto richiedono un maggiore input finanziario e presentano rischi tecnici relativi, per esempio, all’inquinamento del sottosuolo (Boënnec, 2008). Poiché non c’è scambio di massa con il terreno, i sistemi a ciclo chiuso minimizzano i rischi ambientali e i problemi di precipitazione dei minerali, e non richiedono la necessità di ottenere licenze estrattive (Narsilio et al., 2014). I sistemi geotermici poco profondi possono essere a ciclo aperto o chiuso. I sistemi geotermici profondi sono a ciclo aperto.

La figura 1.11 presenta esempi tipici di sistemi geotermici superficiali e profondi. Tipici sistemi geotermici poco profondi sono i pozzi geotermici orizzontali, i cesti geotermici, i sistemi di cattura delle acque sotterranee, i pozzi geotermici verticali e le geostrutture energetiche. Tipici sistemi geotermici profondi sono sorgenti termali, sistemi idrotermali e sistemi petrotermali.

Figura 1.11. Classificazione dei sistemi geotermici.

Modificato secondo Geothermie Schweiz.

I pozzi geotermici orizzontali sono il tipo più superficiale di sistemi geotermici. Questi sistemi consistono tipicamente in tubi chiusi di polietilene arati o scavati orizzontalmente nel terreno vicino agli edifici a pochi metri di profondità (da una profondità di z= 2-5 m). Nei tubi un fluido termovettore circolante permette lo scambio del calore presente nel terreno (prevalentemente come conseguenza della radiazione solare), specialmente per scopi di riscaldamento in applicazioni residenziali, agricole o di acquacoltura. Tuttavia, si possono ottenere anche scopi di stoccaggio in quelle situazioni in cui i pozzi sono posti sotto gli edifici.

I cestelli geotermici rappresentano un sistema più compatto dei pozzi geotermici orizzontali e possono essere utilizzati per scopi simili. Questi sistemi sono tipicamente sepolti nel terreno a pochi metri di profondità (da una profondità di z= 2-10 m) e consistono in tubi di polietilene chiusi fissati in una geometria a spirale in cui scorre un fluido termovettore. Sono anche possibili applicazioni in cui le bobine a spirale sono situate in serbatoi di acqua superficiale vicino agli edifici, a condizione che tali serbatoi siano situati abbastanza in profondità da evitare condizioni problematiche per il funzionamento del sistema, per esempio il congelamento dell’acqua del serbatoio e quindi del fluido termovettore circolante nei tubi.

I sistemi di cattura dell’acqua di falda utilizzano pozzi aperti circondati da serbatoi di acqua di falda situati a bassa profondità (da una profondità di z= 5-20 m). Questi sistemi possono essere applicati quando non ci sono vincoli idrologici, geologici e ambientali. Sono tipicamente utilizzati per il riscaldamento estraendo l’energia termica presente nell’acqua sotterranea. Per piccole costruzioni, si possono usare pozzi singoli. Le costruzioni più grandi di solito richiedono pozzi doppi. I pozzi di estrazione e di iniezione possono essere impiegati per assicurare un campo termico sotterraneo equilibrato, che è essenziale per le prestazioni e, in alcuni casi, per le preoccupazioni ambientali.

I pozzi geotermici verticali consistono in tubi di polietilene chiusi che sono incorporati verticalmente nel terreno sotto o accanto agli edifici a profondità maggiori delle applicazioni precedenti (da una profondità di z= 50-300 m). Un materiale di riempimento (per esempio bentonite) è solitamente posto nel foro per migliorare lo scambio di calore tra il terreno e i tubi. Un fluido termovettore che circola nei tubi permette lo scambio di calore per il riscaldamento, il raffreddamento, lo stoccaggio e la produzione di acqua calda nelle più diverse tipologie di costruzione. Singoli pozzi di trivellazione possono alimentare piccole costruzioni residenziali. I campi di trivellazione sono necessari quando si vuole alimentare con energia termica costruzioni più grandi. Apporti energetici più elevati di quelli trasferiti attraverso sistemi geotermici meno profondi possono essere raggiunti attraverso pozzi geotermici verticali a causa dei livelli di temperatura più elevati che caratterizzano il terreno alle profondità considerate.

Le geostrutture energetiche sono nuovi sistemi geotermici che accoppiano (da una profondità di z=10-50 m) il ruolo di supporto strutturale di qualsiasi struttura a contatto con il terreno con il ruolo di scambiatore di calore dei sistemi geotermici poco profondi, con risultati comparabili e anche più favorevoli dei sistemi precedentemente descritti.

Le sorgenti termiche possono essere generalmente classificate come sistemi geotermici profondi, sebbene si possano trovare anche a profondità caratteristiche dei sistemi geotermici poco profondi. Questi sistemi utilizzano pozzi aperti circondati da serbatoi di acqua freatica calda che si trovano relativamente in profondità nel sottosuolo (da una profondità di z= 500-1000 m). Sono tipicamente usati per scopi balneari e medici, estraendo l’energia termica presente nell’acqua del sottosuolo.

I sistemi idrotermici estraggono l’acqua freatica attraverso pozzi aperti da profondità che permettono alla temperatura e all’energia termica presente di essere sufficientemente alta per realizzare applicazioni di riscaldamento su larga scala (da una profondità di z= 1000-4000 m). Gli usi tipici di questi sistemi sono per il teleriscaldamento, ma anche il riscaldamento di grandi costruzioni industriali o agricole può essere convenientemente ottenuto.

Anche i sistemi Pietrotermici estraggono l’acqua freatica attraverso pozzi aperti, ma da profondità maggiori rispetto ai sistemi idrotermici (da una profondità di z= 4000-6000 m). La temperatura e l’energia termica presenti nell’acqua a queste profondità possono essere utilizzate per la produzione e la fornitura di energia elettrica su larga scala.