ENERGIA / FONTI RINNOVABILI - ARTICOLO

La geologia della geotermia

inserito il: 18.02.2010
tratto da 'Infoimpianti'

Scarica le figure e le tabelle relative all'articolo nel PDF qui di fianco

Noi terrestri abbiamo un Sole che ci illumina e ci trasmette luce ed energia termica; siamo meno consapevoli che abbiamo un altro Sole proprio sotto i nostri piedi ed è il nostro pianeta. La sola crosta terrestre, che ha una massa trascurabile rispetto a quella del pianeta (fig. 1), ha energia termica stimata in 1,5 x 1012 TWh, anche se solo in parte sfruttabile; a titolo di confronto, l’energia elettrica prodotta dagli Usa in un anno è di circa 4 x 103 TWh, quasi un miliardo di volte inferiore. La potenza termica proveniente dal sottosuolo e dissipata dalla Terra nello spazio, in conseguenza dello scambio termico, ammonta a circa 8 TW, corrispondente a 16 kW/km2, pari alla metà della potenza elettrica mondiale.

Che origine ha questo calore? All’inizio della sua vita, il nostro pianeta aveva una temperatura di circa 7.000°C: tale contenuto termico si sta esaurendo, ma allo stesso tempo c’è una produzione di calore dovuta alla radioattività di alcuni isotopi che, presenti alla nascita della Terra, hanno un tempo di dimezzamento di miliardi di anni (es. torio 232, uranio 238, potassio 40). Pertanto, il nostro pianeta contiene sia del calore iniziale sia del calore derivante dalla radioattività; inoltre, c’è il calore dovuto all’energia potenziale che si genera dai processi di differenziazione del mantello e del nucleo e quello di attrito emesso come energia elastica dei terremoti (ogni anno avvengono centinaia di migliaia di terremoti conseguenti al moto delle dodici placche). Parte di questa energia, definita “geotermica”, può essere utilizzata dall’uomo e ha il vantaggio di essere continua e costante 24 ore al giorno, lungo tutto l’arco dell’anno, e non periodica, come quella solare, o casuale, come quella eolica.

Quando si dispone nel sottosuolo di un fluido o un solido con temperatura superiore a 150°C si ha una “risorsa ad alta entalpia”, idonea per la produzione di energia elettrica; per temperature comprese tra 150 e 85°C si ha una “risorsa a media entalpia”, utilizzabile per la produzione di energia elettrica ricorrendo a un fluido intermedio (es. vapore) e per lo sfruttamento diretto del calore; per temperature non superiori a 85°C si ha una “risorsa a bassa entalpia”, idonea per lo sfruttamento diretto del calore a mezzo di pompe di calore (geoscambio col sottosuolo, di cui ci occuperemo qui di seguito) e del teleriscaldamento.

IL GRADIENTE TERMICO DEL SOTTOSUOLO
Mentre la produzione elettrica e il teleriscaldamento richiedono particolari aree dove la risorsa geotermica presenti cospicui flussi di calore, il geoscambio col sottosuolo a mezzo di pompe di calore è utilizzabile ovunque, giacché si sfrutta la stazionarietà della temperatura del terreno, che a partire da 20 - 30 metri di profondità e sino a 100 metri si mantiene, nelle nostre regioni e indipendentemente dal tipo di roccia, costantemente sui 13 - 15°C, cioè con valori più elevati in inverno (ma certamente non a Lampedusa!) e inferiori in estate nei confronti dell’aria atmosferica. Oltre i 100 metri, la temperatura aumenta in media di 3°C ogni 100 metri di profondità.

Possiamo calcolare tale valore prendendo atto che quello prodotto dalla radioattività di una tonnellata di roccia terrestre è mediamente pari a 6 nanowatt (in realtà gli isotopi radioattivi sono maggiormente concentrati nella crosta terrestre, ove la produzione di calore varia da 0,1 a 1 microwatt per tonnellata di roccia); se moltiplichiamo tale dato per la massa della Terra, pari a 6x1021 tonnellate, abbiamo una produzione di calore pari a 36 terawatt. Altra fonte di calore è il calore latente dovuto alla solidificazione del nucleo fuso della Terra; ogni secondo il raffreddamento del pianeta porta alla solidificazione di 6.000 tonnellate di nucleo, con una produzione di calore pari a 1 terawatt. Se dividiamo tale potenzialità termica, 36+1 terawatt, per la superficie della Terra, 510 milioni di km2, ricaviamo una disponibilità termica di circa 70 kW/km2, cioè 0,07 W/m2. Considerando un valore medio della conduttività termica del terreno di 2,3 W/mK, si ha il gradiente medio di 0,07/2,3 = 0,03 K/m, cioè di 3°C per ogni 100 metri, valore da intendersi variabile da zona a zona.

LE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
Le pompe di calore utilizzate per il geoscambio col sottosuolo e per sfruttare la stazionarietà costante della temperatura del terreno nell’evolversi delle stagioni hanno lo schema di flusso tradizionale. Il tipo più idoneo di pompa di calore è acqua-acqua, che ricorre all’acqua sia come fluido di scambio col sottosuolo, a monte della pompa, sia come fluido di scambio con l’ambiente interno, a valle della pompa. Oltre ai due circuiti idrici, abbiamo un terzo circuito, quello interno alla pompa di calore dove circola il fluido frigorigeno (fig. 3).

Durante il periodo invernale, il fluido frigorigeno che circola all’interno della pompa di calore assorbe calore nello scambiatore-evaporatore interno dal fluido termovettore (acqua e glicole antigelo) che perviene dalle sonde geotermiche fissate nel sottosuolo (sorgente fredda esterna) ed evapora. Un compressore innalza pressione e temperatura e il vapore condensa in uno scambiatore-condensatore interno cedendo calore al fluido termovettore utilizzato per riscaldare l’ambiente interno, di norma a mezzo di pannelli radianti. Il fluido frigorigeno, privato di buona parte del suo calore, ricicla attraverso una valvola di laminazione che lo espande abbassandone la pressione e, quindi, ritorna allo scambiatore-evaporatore. La pompa di calore può essere reversibile, giacché può produrre anche frigorie in modalità estiva, invertendo il flusso con una valvola a quattro vie; in questa fase, infatti, lo scambiatore e il condensatore della pompa di calore invertono le loro funzioni. L’acqua del circuito di raffrescamento dell’ambiente interno giunge nello scambiatore-evaporatore della pompa di calore (che in modalità invernale funge da condensatore) e parte del suo calore è assorbito dal fluido frigorigeno, che evapora. Il compressore spinge il vapore nello scambiatore-condensatore (che in modalità invernale funge da evaporatore), dove il fluido frigorigeno, condensando, cede calore all’acqua glicolata che circola nelle sonde geotermiche. Il calore assorbito dall’ambiente interno è, quindi, ceduto al terreno, giacché questo si trova a una temperatura più bassa. Si può affermare che in estate si cede al sottosuolo il calore che si assorbe in inverno.

Quanto detto fa comprendere come l’uso della pompa di calore geotermica sia idoneo per impianti di riscaldamento a pannelli radianti (a pavimento, a parete, a soffitto) e a ventilconvettori, che richiedono basse temperature del circuito di acqua calda (quindi una ridotta profondità delle sonde geotermiche), e sia meno idoneo per impianti a termosifoni che richiedono temperature superiori a 50°C, a meno di non utilizzare una caldaia integrativa. Altra considerazione che si ricava, come ricordato in precedenza, è che la pompa di calore, nel “pompare” calore da una sorgente fredda a una calda, utilizza tre fluidi: due esterni alla macchina e che “colloquiano”, uno col sottosuolo (tramite le sonde geotermiche) e uno con l’ambiente da climatizzare (tramite il circuito dell’impianto di climatizzazione), e uno frigorigeno interno - ad esempio R407C - che scambia calore con i due fluidi precedenti.
Il Cop reale di una pompa di calore, cioè il rapporto tra energia termica ottenuta e lavoro fornito, varia da 2 a 5; usualmente in commercio si trovano pompe di calore geotermiche con COP = 4 – 4,5. Ciò significa che per 1 kW di energia elettrica consumata dall’impianto, si prelevano dal sottosuolo 3 - 3,5 kW di energia e si erogano 4 - 4,5 kW (anche 1 kW di energia elettrica utilizzata per la compressione si trasforma in energia termica) (fig. 2). La variazione del Cop deriva dalla varietà delle sorgenti naturali e dall’efficienza delle macchine della pompa di calore e del circuito (es. pompe di circolazione). In modalità di raffrescamento estivo la prestazione della pompa di calore è individuata dall’Energy Efficiency Ratio Eer, dato dal rapporto T1/(T2-T1), dove T1 è la temperatura assoluta dell’ambiente al quale si cede calore e T2 è la temperatura assoluta dell’ambiente che si vuole condizionare. I valori reali dell’Eer sono compresi di norma tra 3 e 5.

I PRINCIPALI PARAMETRI GEOTERMICI
Contrariamente al concetto comune, una roccia va studiata non come un solido, ma come un possibile miscuglio di solido, liquido e gas. La “densità”, com’è noto, è il rapporto tra la massa e il volume; maggiore è la densità e migliore è il trasferimento termico, ma una roccia solida può presentare delle cavità che possono contenere acqua e gas. La “porosità” di una roccia è definita dal rapporto tra il volume dei vuoti e il volume totale; se i vuoti sono pieni di un fluido, liquido o gassoso, la roccia è “satura”. Se i vuoti contengono gas, lo scambio termico è ridotto perché il gas funge da isolante termico. Se la roccia è satura di acqua, come avviene in presenza di una falda freatica, questa può condizionare parecchio, in senso positivo, il trasferimento di calore; in tal caso, è opportuno conoscere il flusso dell’acqua.

La velocità dell’acqua in una roccia porosa satura è funzione della differenza di pressione lungo il cammino sotterraneo del liquido, che a sua volta dipende dalla variazione della densità (spostamento verticale per convezione) e dal gradiente altimetrico (spostamento orizzontale per advezione) o solo da uno dei due parametri. Con strutture a bassa entalpia e con le temperature in gioco, la variazione di densità è trascurabile, mentre diviene prevalente il fenomeno dell’advezione, che ingloba il trasporto di calore sia attraverso il gradiente altimetrico sia attraverso la convezione termica. Quanto accennato ci fa comprendere che lo studio geologico deve esaminare, oltre alle proprietà termiche, anche le proprietà idrauliche del sottosuolo.

La “conducibilità termica ?” di una roccia (tab. 1), espressa in [W/mK], è il rapporto, in condizioni stazionarie, fra flusso di calore e differenza di temperatura che dà origine al trasferimento del calore; dati i ridotti gradienti termici in cui operano le sonde geotermiche, tale parametro può ritenersi costante (al variare della temperatura) per ogni tipo di roccia. La conducibilità termica, che in sostanza è l’attitudine di un terreno a trasmettere calore, non va confusa con la “diffusività termica” (tab. 2), espressa in [m2/giorno], che è il rapporto fra la conducibilità termica e il prodotto fra densità e calore specifico della data sostanza e misura l'attitudine di una sostanza a trasmettere, non il calore, bensì una variazione di temperatura, ovvero la velocità con la quale l’energia termica attraversa una roccia.

La “conducibilità idraulica k” (o anche “permeabilità”), espressa in [m/s], come si comprende, ha le dimensioni di una velocità. Riprendendo il fenomeno dell’advezione, ne va sottolineata l’importanza per lo studio della resa di una sonda geotermica perché l’acqua (non consideriamo altri fluidi) ha una conducibilità termica inferiore a quella delle rocce (0,58 W/mK contro valori che possono giungere a 7,70 W/mK per il quarzo), ma ha una notevole “capacità termica” (la “capacità termica” è il prodotto del calore specifico per la massa e, pertanto, è funzione anche della massa; sono necessari 4.186 J per elevare di 1 K la massa di 1 kg di acqua), di conseguenza il movimento delle acque sotterranee è in grado di trasportare attraverso i vuoti delle rocce consistenti quantità di energia termica. Conclusione: la presenza dell’acqua fa aumentare la conducibilità termica delle rocce, ma quando la velocità della falda è elevata, lo scambio convettivo predomina quello dovuto alla conduttività.

LO STUDIO GEOLOGICO
Da quanto espresso in precedenza, risulta chiaro che, prima di installare le sonde geotermiche, è necessario condurre uno studio geologico per individuare litologia, stratigrafia e idrologia del sottosuolo, oltre a una serie di parametri termici del sottosuolo, come la conducibilità e la diffusività. Buona parte di tali dati spesso è già a conoscenza dei geologi della zona, mentre occorre evitare di lasciarsi influenzare da generici parametri reperibili dalla letteratura tecnica. In mancanza di tale studio, si può incorrere in errori anche del 30% sulla resa termica delle sonde, che in termini numerici può variare da 20 a 100 watt per metro lineare di sonda, ma può considerarsi medio un valore compreso tra 40 e 60 W/m (tab. 3).

La mancanza di uno studio geologico preliminare ha causato spesso in passato il sovradimensionamento dell’impianto, con conseguenti extracosti e un più lento sviluppo della geotermia domestica. L’impiantista termoidraulico, infatti, non ha inizialmente “digerito” l’aspetto geologico del suo lavoro, basilare per fornire precise indicazioni su rendimenti e costi; oggi, con l’avvio sempre più stretto della collaborazione tra termotecnico e geologo, è possibile realizzare impianti geotermici perfettamente idonei all’effettiva richiesta termica. Si ricorda, come affermato in precedenza, che un impianto con sonde geotermiche opera in condizioni ottimali di scambio termico se il circuito di riscaldamento è a pannelli radianti e se, inoltre, è previsto il controllo della temperatura in entrata e uscita dalla pompa di calore.

I TUBI E LA MALTA DI RIEMPIMENTO
Le sonde sono realizzate con tubi di pead (polietilene ad alta densità), diametro di 32 o 40 mm; più resistenti a pressione e temperatura, ma anche più costosi, sono i tubi di pex (polietilene reticolato), idonei per impianti di elevata potenzialità. Il foro di perforazione può contenere la coppia di tubi a U (andata e ritorno), e in tal caso ha un diametro di circa 15 cm, oppure una doppia coppia di tubi; meno diffuse sono le sonde coassiali (fig. 4). Oltre al tipo di sottosuolo, lo scambio termico con esso è strettamente legato al tipo di malta utilizzata per il riempimento dei fori contenenti le sonde, in particolare alla sua conducibilità termica; dipende anche dalla larghezza del foro contenente la sonda e dalla distanza tra le diverse sonde (se sono troppo vicine nascono delle interazioni che ne abbassano la resa termica).

La scelta della malta, che deve avere ottime caratteristiche di fluidità, deve raggiungere due obiettivi: scambio termico ottimale della sonda col sottosuolo e buona impermeabilità per la difesa dalla falda acquifera, problema questo molto importante per grandi impianti con decine di sonde, che potrebbero comportare variazioni nell’idrogeologia del sottosuolo. È superfluo rimarcare la necessità che durante l’esercizio dell’impianto non avvengano fuoriuscite dell’acqua glicolata in caso di rottura di una tubazione; quindi è importante l’assoluta cementazione della sonda. Il collaudo delle sonde geotermiche si effettua con una pressione 1,5 volte quella di esercizio. La malta non va gettata nel foro dall’alto perché la caduta potrebbe danneggiare la tubazione bensì deve essere pompata dal fondo dello scavo con una pompa.

Le malte più utilizzate sono a base di cemento Portland e bentonite, con conducibilità compresa tra 0,6 e 1,5 W/mK, ma la formulazione della miscela va condotta in funzione del tipo di terreno. Data la scarsa conducibilità, la malta di riempimento costituisce la maggiore resistenza allo scambio termico; per tal motivo, occorrerebbe ridurre al minimo il quantitativo di malta e riempire lo spazio rimanente con sabbia, sempre nel rispetto della necessaria impermeabilizzazione (si tratta di un’operazione per operatori esperti).

LA RESA TERMICA E I COSTI
Il calcolo della lunghezza delle tubazioni sufficiente a raggiungere lo scambio termico necessario si esegue dopo aver condotto uno studio geologico del terreno, determinando la conducibilità termica del sottosuolo ? (W/mK), che è proporzionale alla saturazione in acqua e inversamente proporzionale alla porosità, e individuando il numero di sonde necessarie a realizzare la lunghezza richiesta e la distanza tra le sonde a U, solitamente compresa tra 5 e 8 m. La tabella 3 evidenzia che in presenza di acqua nel sottosuolo si ha spesso un migliore scambio termico tra sonde e terreno; rocce sedimentarie (es. marne, arenarie, calcari) sature hanno una conducibilità maggiorata anche del 30% rispetto alla condizione in assenza di acqua.

Dalla stessa tabella si ricava che lo scambio termico di 1 kW richiede una lunghezza di sonde da 10 a oltre 50 m, senza tener conto dei processi termici che avvengono all’interno del terreno, ma generalmente si adotta un rapporto “lunghezza/kW” di 15/1 – 30/1. La profondità delle sonde a U (andata e ritorno dell’acqua glicolata) è normalmente compresa tra 70 e 150 m, ma si possono raggiungere anche 300 m. Orientativamente l’energia termica recuperabile dal suolo in modalità di riscaldamento può considerarsi compresa tra 100 e 150 kWh/m.anno.
Il maggior investimento di un impianto geotermico domestico (fig. 4), con una potenza termica non superiore a 20 kWt, rispetto a uno con struttura tradizionale (caldaia per riscaldamento e pompa di calore estiva), è ammortizzabile in meno di otto anni; dopo tale periodo, il risparmio ai costi attuali è stimabile, indicativamente, in almeno 1.500 euro/anno.

Il costo delle sole sonde geotermiche (escludendo la pompa di calore e il circuito interno all’ambiente) ammonta dal 35 al 50% dell’intero impianto geotermico; ad eccezione delle sonde coassiali, che sono più care, attualmente (anno 2009), in linea generale, tale costo è compreso tra 50 e 65 euro per metro lineare di sonda (o meglio, di perforazione). Il maggior costo dell’impianto geotermico è compensato da taluni vantaggi: a) eliminazione della caldaia giacché la pompa geotermica eroga calorie in inverno e frigorie in estate; b) eliminazione della canna fumaria; c) scambiatori geotermici “invisibili” perché interrati; d) maggiore sicurezza perché non c’è presenza di combustibili (gas naturale, gasolio); e) considerando un funzionamento di 1.800 - 2.400 ore/anno, la vita media dell’impianto è di 20 - 25 anni e il costo della manutenzione è trascurabile.

APPLICAZIONI PARTICOLARI
Oltre al circuito standard illustrato in precedenza, gli impianti geotermici si prestano anche ad applicazioni particolari, in funzione delle reali condizioni del sottosuolo, modificando il criterio di posa delle sonde oppure il loro collegamento.

Le sonde orizzontali
Le sonde orizzontali generalmente si posano a 1,5 - 2 metri di profondità e in qualche caso si raggiungono i 4 - 5 m, ma oltre i 2 metri di profondità la temperatura del terreno non si abbassa sotto 5°C. I tubi di polietilene vanno collocati in un letto di sabbia, per evitare danneggiamenti e avere un buon scambio termico, e distanziati tra loro di circa un metro; possono montarsi anche tubi di rame rivestito. Nella posa, evitare la vicinanza di radici di alberi, che potrebbero soffrire degli sbalzi termici. Le sonde orizzontali richiedono una maggiore lunghezza rispetto a quelle verticali, data la minore efficienza dello scambio termico; infatti, in modalità invernale la resa termica “annua” è compresa tra 50 e 70 kWh/m2. Il rapporto “lunghezza/kW” è solitamente non inferiore a 40/1.

Il direct-cooling
Nel caso di pompe di calore geotermiche, il direct-cooling (o free-cooling) può realizzarsi utilizzando un unico fluido di scambio termico, l’acqua glicolata, facendola circolare in un unico circuito, dalle sonde geotermiche al circuito dell’impianto di climatizzazione (pannelli radianti o ventilconvettori), by-passando la pompa di calore (fig. 5). Il trascurabile consumo energetico, in tal caso, è solo quello dovuto alla pompa di circolazione. Una seconda soluzione, che riduce l’additivazione di glicole propilenico solo all’acqua del circuito interno (e quindi riduce il costo del glicole), è di interporre uno scambiatore tra il circuito del liquido circolante nelle sonde dell’impianto di climatizzazione e il circuito interno.

I pali energetici
Se un edificio da costruire è previsto con le fondazioni su pali, si può prevedere di inserire in un determinato numero di pali delle sonde geotermiche di pead, verificando che le sollecitazioni termiche non danneggino i pali ed evitando il congelamento del fluido termovettore. La presenza delle sonde a U nel calcestruzzo migliora lo scambio termico rispetto alla malta bentonitica, che ha una minore conducibilità termica. La soluzione consente un cospicuo risparmio di terreno e di denaro, evitando l’esecuzione dei pozzi per l’inserimento delle sonde. Orientativamente, per scambiare 1 kW sono necessari da 10 a 25 m di sonda immersa nel palo. Da tenere presente che l’edificio copre il terreno dove avviene lo scambio e quindi lo mantiene a una temperatura più alta rispetto a un terreno scoperto; di conseguenza, il calore da riciclare nel sottosuolo in estate deve essere inferiore al calore prelevato in inverno.

Il circuito aperto
Alla presenza di falda freatica, con profondità non superiore a 30 metri, possono realizzarsi due pozzi, uno di “prelievo” dal quale si preleva l’acqua con una pompa, e uno di “drenaggio” dove si riporta l’acqua scaricata dopo l’uso nel circuito di climatizzazione (fig. 6). L’acqua di falda si mantiene a temperatura all’incirca costante lungo tutto l’anno (10 - 15°C) e rappresenta una fonte di calore più idonea e conveniente del terreno, per quanto detto in precedenza, potendo raggiungere la pompa di calore un COP = 6. Si tratta di un “circuito aperto” perché non c’è un ricircolo e in tal caso la pompa di calore è una classica “acqua – acqua”. Se si ha l’opportunità di disporre di un laghetto o di uno stagno, in alternativa alle sonde verticali, è possibile immergere nell’acqua dei tubi corrugati di polietilene, dal costo modesto, e utilizzare il recipiente idrico come sorgente fredda.