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GIORNATA DI STUDIO: 5 OTTOBRE 2016 – GEOFLUID – PIACENZA
La giornata di studio è stata organizzata dall’ANIM e dall’Università di Bologna, Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali, nell’ambito di GEOFLUID, “Mostra internazionale delle tecnologie e attrezzature per la ricerca, estrazione e trasporto dei fluidi sotterranei”, e ha avuto luogo il 5 ottobre, con ampia e specializzata partecipazione di un pubblico particolarmente interessato alle novità dell’incontro.
L’interesse dei partecipanti è stato focalizzato dalla novità rappresentata dalla proposta di interventi scientifici, tecnici e normativi, relativi allo stoccaggio termico nel sottosuolo in conseguenza di operazioni di geoscambio.
Si tratta di una operazione e di una tecnologia non ancora pienamente comprese a livello nazionale, oggetto di studio e sperimentazione, ma con promesse di pieno sviluppo nel medio termine, allorché saranno recepiti i vantaggi legati allo stoccaggio del calore nel sottosuolo.
Obiettivo specifico della giornata di studio è stato di puntualizzare le conoscenze a livello nazionale per lo sviluppo dei sistemi di stoccaggio termico, soprattutto in relazione alle necessarie condizioni favorevoli del sottosuolo interessato, suggerendo anche le ulteriori attività di studio e legislative per favorire la crescita degli utilizzi integrati dei sistemi a geoscambio, con accumulo intermedio di calore.
Presentazione
Il Prof. Ezio Mesini, Presidente della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna e Vice Presidente ANIM, ha introdotto i lavori, ricordando la partecipazione di ANIM a tutte le manifestazioni di GEOFLUID, sin dalla fondazione della Fiera. Con la giornata di studio sull’utilizzo dell’energia geotermica a bassa entalpia si contribuisce a diffondere principi innovativi che possono favorire l’incremento dell’utilizzo della risorsa geotermica.
Ha preso la parola, quindi, l’Ing. Domenico Savoca, Presidente ANIM, che ha portato i saluti dell’Associazione Nazionale Ingegneri Minerari e ha richiamato l’interesse crescente delle imprese e degli utilizzatori verso nuove tecnologie di sfruttamento geotermico, che portino ad ampliare l’impiego di energie alternative e la conseguente riduzione dell’effetto serra. Non risulta ancora completata a livello nazionale la fase regolamentare circa l’utilizzo della geotermia a bassa entalpia, pertanto, permangono ancora in molte regioni gli ostacoli alla creazione di un ambiente amministrativo favorevole allo sviluppo delle pompe di calore geotermiche, inoltre, l’attività di stoccaggio del calore nel sottosuolo dovrà trovare un adeguato assetto giuridico, per non comprometterne lo sviluppo futuro.
Si riportano di seguito i riassunti degli interventi dei relatori:
Coordinatore: Prof. Ezio Mesini
Il progetto E-USE(aq) nell’ambito di Climate-KIC
Sara Picone - ASTER S.cons.p.A.
Marco Pellegrini e Cesare Saccani - Centro Interdipartimentale Energia e Ambiente, Università di Bologna
Il progetto E-USE(aq) Europe-wide Use of Sustainable Energy from Aquifersè un progetto di Innovazione cofinanziato nell’ambito della Climate-KIC, la prima delle Knowledge Innovation Communities lanciate dall’EIT. Climate KIC è una partnership di istituti di ricerca, imprese e amministrazioni locali, che sviluppano soluzioni innovative per il contrasto ai cambiamenti climatici. Lo stoccaggio di energia termica nei corpi acquiferi (Aquifer Thermal Energy Storage o ATES) per ricavarne riscaldamento o raffreddamento attraverso le pompe di calore comporta significative riduzioni delle emissioni di CO2ed un ridotto fabbisogno di energia elettrica rispetto alle prestazioni (alti coefficienti di prestazione o COP).La tecnologia ATES si presta fortemente ad una integrazione con le altre rinnovabili termiche (e.g. solare termico, fotovoltaico), al recupero di cascami termici ma anche alla combinazione con utilizzi innovativi o trattamenti migliorativi della risorsa acquifera. Casi applicativi in Olanda hanno mostrato ad esempio che combinare i sistemi ATES con la bonifica degli acquiferi può accelerare i processi di degradazione biologica del contaminante. Nonostante questo, la tecnologia ATES non viene ancora applicata in larga scala a livello Europeo. Il progetto E-USE ha identificato le principali barriere alla diffusione in una ancora limitata conoscenza della tecnologia e del suo potenziale, nell’incertezza rispetto ai processi autorizzativi, nella mancanza di chiarezza rispetto agli elementi finanziari di ritorno dell’investimento. Andando ad agire su queste barriere, E-USE(aq) ha identificato con valutazioni di fattibilità una serie di siti pilota in Olanda, Belgio, Spagna ed Italia nei quali verranno realizzate combinazioni innovative di ATES. Raccogliendo dati nei siti pilota sull’efficacia e sostenibilità ambientale ed economica, la replicabilità di combinazioni innovative della tecnologia ATES verrà facilitata.
In Belgio verrà realizzato un impianto ATES di riscaldamento e raffrescamento per un grande centro di distribuzione. La soluzione progettata permetterà di risparmiare oltre il 60% sui consumi di energia per riscaldamento e 20% sul raffrescamento.In Emilia-Romagna, il CIRI Energia Ambiente dell’Università di Bologna ed ASTER hanno coinvolto gli attori del territorio per individuare siti di potenziale interesse in cui il team di progetto può fornire un contributo in fase di design, concentrandosi in particolar modo su edifici del settore produttivo e terziario.
I sistemi di geoscambio non convenzionali e le geostrutture energetiche: spunti sullo stato dell’arte a livello europeo
Francesco Tinti - Università degli Studi di Bologna
Secondo le statistiche pubblicate nel Country Update Report 2016 e presentate all’European Geothermal Energy Congress - EGC2016 di Strasburgo, la situazione delle pompe di calore geotermiche in Italia è la seguente: si stimano installate circa 13.200 unità operative per una capacità totale (lato condensatore) di 744 MWth e una fornitura di energia termica pari a 1268 GWhth all’anno. Di tutte le unità installate, si stima che 800 siano di nuova installazione, nel 2015, pari al 6% del totale.
A livello europeo, il settore delle pompe di calore rappresenta la stragrande maggioranza degli utilizzi geotermici, diretti e indiretti, termici ed elettrici, arrivando, secondo le stime presentate all’EGC2016, a coprire il 67% del totale.
Tra le possibili metodologie ed applicazioni delle pompe di calore geotermiche, non ancora pienamente esplorate, vi sono lo stoccaggio di calore del sottosuolo e l’utilizzo delle geostrutture energetiche come scambiatori alternativi. Non sussistono ancora indagini statistiche esaustive che quantifichino la penetrazione nel mercato delle diverse alternative e applicazioni della geotermia superficiale a livello europeo, anche se primi numeri e dati stanno emergendo da alcuni stati, quali Olanda e Svezia.
La presentazione intende fare un excursus sullo stato dell’arte riguardante la tecnologia degli UTES e delle geostrutture energetiche, evidenziando le differenze con i metodi e gli utilizzi “classici” delle pompe di calore geotermiche.
Simulazione numerica di risorse geotermiche a bassa entalpia utilizzando strumenti e procedure per le simulazioni di risorse geotermiche ad alta entalpia
Ester Maria Vasini, Stefano Bonduà, Francesco Tinti, Villiam Bortolotti
DICAM, Università di Bologna
E’ nota l’importanza della simulazione numerica come strumento usato per un corretto sfruttamento dei reservoir geotermici ad alta entalpia. In tale ambito, il lavoro di modellazione e simulazione sviluppato in diversi decenni di attività ha permesso di mettere a punto un bagaglio di competenze, per descrivere i flussi di massa e calore nel sottosuolo, altamente sofisticato, sia da un punto di vista teorico che pratico.
Dato il crescente e vasto sfruttamento della bassa entalpia, risulta pertanto interessante l’idea di travasare tali competenze, opportunamente adattate, dall’alta alla bassa entalpia, soprattutto per valutare la sostenibilità dello sfruttamento della risorsa nel lungo medio periodo.
Uno fra i più utilizzati simulatori per l’alta entalpia, sia in campo accademico che industriale, è TOUGH21, un simulatore composizionale modulare, multidimensionale, per flusso non isotermo, in mezzi porosi e fratturati. TOUGH2 è un codice sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, USA) open source ma non free. TOUGH2 non possiede adeguati strumenti di pre e post-processing, per questo motivo presso il DICAM sono stati sviluppati strumenti ad esso dedicati. TOUGH2Viewer2 permette una visualizzazione interattiva 3D del modello numerico. VORO2MESH2 permette di realizzare griglie completamente non strutturate Voronoi 3D, rendendo possibile una migliore modellazione delle geometrie degli strati geologici.
Una variante di TOUGH2 è T2Well3, un codice di simulazione accoppiata pozzo - serbatoio in condizioni di transitorio che, opportunamente accoppiato con un modulo termodinamico per la alta entalpia ha permesso di interpretare le prove di produzione in modo integrato ottimizzando le attività di ingegneria di serbatoio.
Considerando la robustezza e l’estrema flessibilità di TOUGH2, risulta naturale cercare di utilizzarlo anche per la bassa entalpia. Questo comporta innanzitutto la messa a punto di un specifico modulo termodinamico e l’adattamento degli strumenti di pre e post-processing, con cui sarà possibile seguire l’evoluzione del sistema geotermico anche su area geografica ampia.
1Pruess, K., Oldenburg, C., Moridis, G., 1999, LBNL, University of California, Berkeley, California 94720
2Bonduá, S., Battistelli, A., Berry, P., Bortolotti, V., Consonni, A., Cormio, C., Geloni, C., Vasini E.M., 2015, Proceedings, TOUGH Symposium 2015, LBNL, September 28-30.
3Pan, L., Oldenburg, C.M., Wu, Y. and Pruess, K., 2011,”, LBNL,University of California, Berkeley California 94720.
Il primo esempio di Living lab sullo stoccaggio di calore nel terreno
Nicolò Giordano e Giuseppe Mandrone - Università degli Studi di Torino
Lo stoccaggio stagionale di energia termica è una metodologia che prevede di produrre calore in estate ed accumularlo in un mezzo per un suo utilizzo nella stagione invernale. Le sorgenti possono essere molteplici (solare, CHP, calore di scarto…) e le tipologie di stoccaggio si dividono in: calore sensibile, calore latente, calore di reazione chimica. Nella prima categoria si può utilizzare l’acqua (ottima capacità termica) o la roccia/terreno; distinguiamo sistemi con serbatoi di acqua interrati, sistemi ad acqua di falda (ciclo aperto) e sistemi a sonde geotermiche (ciclo chiuso). Germania, Olanda, Danimarca e Svezia sono state e sono le nazioni più attive dal punto di vista della ricerca e della costruzione di questi impianti. In particolare nei Paesi Bassi, la situazione geologica ed idrogeologica permette lo sfruttamento di impianti a ciclo aperto molto efficaci con impatti decisamente limitati sull’ambiente circostante. A Torino (Grugliasco), come Dipartimento di Scienze della Terra abbiamo messo a punto un sito sperimentale (Living Lab) di accumulo stagionale di energia termica prodotta da pannelli solari. L’impianto è costituito da 4 sonde geotermiche da 27 m e un tubo di monitoraggio dell’acqua di falda. Il sistema è monitorato in continuo da circa trenta sensori di temperatura e portata, che permettono di conoscere in tempo reale da remoto lo stato termico del terreno, la produzione e l’accumulo di energia. Oltre a questo monitoraggio diretto, si sta portando avanti lo studio di una metodologia geofisica per l’individuazione del pennacchio termico indotto dal sistema in esame.
Pompe di calore a integrazione geotermica per la climatizzazione ambientale
Massimiliano Abbenante, Pamela Vocale, Giorgio Pagliarini - Università degli Studi di Parma
Il fabbisogno energetico per la climatizzazione degli edifici costituisce una quota di grande rilevanza nel bilancio energetico nazionale.
Avendo ormai consolidato le politiche di controllo sulle prestazioni dell’involucro e degli impianti tradizionali, gli indirizzi comunitari e nazionali puntano attualmente alla riduzione dei consumi per la climatizzazione attraverso la richiesta di un progressivo aumento della quota di energia rinnovabile e la valorizzazione di accumuli termici che possano supplire allo sfasamento tra domanda (carichi termici dell’edificio) e offerta (impianto).
A tale scopo, le pompe di calore elettriche invertibili (HP) rappresentano la soluzione più adeguata, sia per le loro elevate prestazioni energetiche che derivano dalla valorizzazione dell’energia termica immagazzinata in serbatoi termici a bassa temperatura (aria esterna, terreno, acqua di falda), sia per l’assenza di emissioni locali in atmosfera, aspetto quest’ultimo di grande rilevanza in ambito urbano.
In tale quadro, la messa a punto di una innovativa HP multi sorgente in grado di interagire con una molteplicità di serbatoi caratterizzati da livelli termici differenti per massimizzare le prestazioni energetiche a costi contenuti, rappresenta un’applicazione interessante. Queste pompe di calore sono in grado di sfruttare appieno le singole peculiarità dei serbatoi termici più comuni (aria, acqua di falda, reflui fognari), integrandole con un accumulo termico a basso costo costituito dal terreno.
Ciò può essere realizzato accoppiando la pompa di calore a due serbatoi termici (ad es. aria e terreno) con un sistema di controllo che permette alla pompa di scegliere tra un serbatoio e l’altro durante la stagione. In queste HP il terreno viene visto come un accumulo termico da utilizzare in appoggio ad altri serbatoi (ad es. aria o acqua) con il vantaggio di poter sottodimensionare lo scambiatore geotermico riducendone così drasticamente il costo rispetto alle pompe geotermiche tradizionali.
Virtù e pecche nelle potenzialità della geotermia nell’edilizia
C. Alimonti, E. Soldo - Università di Roma “La Sapienza”
La geotermia questa sconosciuta, verrebbe da dire. Si perché ancora oggi si incontrano persone che non hanno chiaro cosa sia e quali siano le declinazioni che il termine può avere. Anche nei documenti ufficiali sulle fonti rinnovabili la geotermia sembra essere relegata ad un ruolo minore. Ma è veramente così? Quali sono gli aspetti che la rendono vulnerabile ed invece quelli che la esaltano. È indubbio che questo bilancio debba essere presente e ancora una volta è l’uomo ad essere al centro della sostenibilità di una scelta. Solo un corretto approccio all’utilizzo dei sistemi geotermici può elevare questa figlia di un dio minore al ruolo che le spetta.
Si tratta di prendere coscienza di quelli che sono i punti deboli, le pecche, e valorizzarli così da superare ogni ritrosia ed aumentare la fiducia e la credibilità in un sistema di impianti che nel settore edile possono svolgere un ruolo chiave per entrare sempre più in una economia di tipo circolare. Le virtù, al contrario, vanno promosse senza commettere l’errore di puntare su di esse. Questo errore è stato commesso quando i primi impianti si sono proposti sul mercato. Il risultato è stato un boomerang che è tornato sulla testa non di chi ha proposto e venduto ma più generalmente sulle tecnologie facendo perdere credibilità.
E allora ripartiamo da quello che abbiamo sperimentato e cerchiamo di proporre tutto quello che oggi chiamiamo geoscambio o “shallowgeothermic” per poter guardare al domani con fiducia e certi di lasciare ai posteri qualcosa di utile.