La previsione di sostenibilità tecnica ed ambientale nell’uso della risorsa geotermica a bassa temperatura
Umberto Puppini
Consiglio Nazionale dei GeologiCoordinatore Commissione Sviluppo Geotermia
Le pompe di calore geotermiche:i vincoli e le opportunità per lo sviluppo
Milano, 11 Dicembre 2008Centro Congressi Stelline – Sala Leonardo
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In Europa
Il potenziale geotermico a bassa temperatura è presente ovunque
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come indicatore di distribuzione del fabbisogno idrico ed energetico
• Gran parte del sottosuolo contieneacqua, usata da lungo tempo direttamente tramite infrastrutture distribuite in tutto il territorio (75%fabbisogno).• La distribuzione del fabbisogno idrico coincide con quella del fabbisogno energetico. Le stesse acque sotterranee hanno proprietà termiche utili e sono una risorsa rinnovabile.
Distribuzione densitàpopolazione
Fonte: APAT
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Una definizione di risorsa rinnovabile
Nella Proposta di Direttiva per lo Sviluppo delle Fonti Rinnovabilidi Energia :‘L’Energia Geotermica è energia immagazzinata in forma di calore sotto la superficie solida della terra’e
‘…sorgenti di energia non fossili e rinnovabili: eolica, solare, geotermica, moto ondoso, maree, idroelettrica, biomassa, gas discariche, gas impianti depurazione, biogas’
Obiettivo del Consiglio Europeo:il 20% del fabbisogno coperto entro il 2020 da risorse rinnovabili
(17% per l’Italia),compresa quella geotermica
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Quando si presenta una risorsa geotermicarinnovabile utile?
Esistenza serbatoio naturale (per esempio bacino montano o terreno poroso)
Alimentazione (per esempio con ricarica idrica o con fonte termica ipogea o con entrambi)
Logistica favorevole (accessibilità al serbatoio)
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1 Strutture idrogeologiche con acquiferi a porosità primaria di formazione recente (bianco)
2+4+5 Strutture idrogeologiche con acquiferi a porositàsecondaria di formazione antica (rosso, verde scuro,verde chiaro)
Distribuzione serbatoisotterranei (acquiferi)
Fonte: Civita (mod.)
Oltre 1/3 del territorio italiano èinteressato da una significativa circolazione idrica sotterranea
Tutto il resto del sottosuolo italiano è un estifero (aestus = calore) con flusso di calore costante
ed anche Carta Idrogeologica d’Italia Scala 1:50.000 (1995)
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Alimentazione (precipitazioni e flusso di calore)
Fonte: Bernacca
Flusso di calore geotermico
0,04 - 0,1 W/m2
2
Temperatura
Zona di oscillazionestagionale
Inverno Estate
Gradiente geotermico = c. 0.1-0.3 °C/km
Irraggiamento
100-300 W/m
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Accessibilità fonti geotermiche a bassa temperatur
Direttiva sulle Risorse Energetiche RinnovabiliQuanto? < 25 (40) °CDove? < 400 m di profondità
Salvo che nei primi 10 m, dove subisce oscillazioni di periodo stagionale, la temperatura del sottosuolo è stabile ed è vicina alla temperatura media annuale, che varia con latitudine e altitudine
In Italia, 6-22 °C nei primi 100 m circa
In profondità le temperature crescono di 1°-3° C ogni 100 m per il solo flusso termico endogeno, che corrisponde a 0,04-0,1 W x m-2
Esempi:Bergamo 40° C a 400 mVeronese 28° C a 280 m(Grado 60° C a 1.000 m)(Pavia 60 °C a 2.000 m)
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…i maggiori agglomerati urbani si estendono sopra serbatoi geotermici a bassa temperatura con circolazione idrica
sotterranea significativa
Dunque TUTTE le regioni hanno
serbatoi geotermici a bassa temperatura ed…
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1. Risorse e Rischidel Sottosuolo Urbano
Il Sottosuolo Urbano e le Risorse Geotermiche Rinnovabili
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La Risorsa Sottosuolo
Valore potenziale positivo, per uso estensivo eintensivo
Il Sottosuolo è un volume destinabile a Parcheggi auto, laboratori, uffici, abitazioniViabilità urbana ed interurbana per trasporto su gomma e su ferro Stoccaggi (vasche acqua, serbatoi combustibili, magazzini commercio al minuto e all’ingrosso etc.)Sottoservizi (condotte, cavidotti, polifere, canali, cunicoli per trasporto acqua potabile, energia, combustibili, dati etc.)Dispersione: correnti vaganti (messe a terra, protezioni catodiche), acque meteoriche (gronde), acque grigie (imhof)
Magazzino di calore naturale o artificiale!
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Valore potenziale negativo
Falda a quote variabili con latitudine, stagione, regime precipitazioni, regime pompaggi
Contaminazioni della falda
Suolo/Terreno contaminato
Discariche abusive
Terreni compressibili
Instabilità (subsidenza, versanti, scavi etc.)
Il Rischio Sottosuolo
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A che serve la Geologia?
A definire un bilancio preliminare tra Potenzialità e Criticitàd’uso della Fonte Geotermica
Pianificazione a vari livelli (PGT, Piani Emergenza, Piani Caratterizzazione, PUGSS, etc.)Raccolta, organizzazione, interpretazione dati a scala piccola (1:10.000)Dati a scala di sito = incremento di significatività = maggior valoreIndagini dirette (per es. sondaggi meccanici, test e misure di campo, misure di livello) e indirette (per es. sondaggi geofisici)
Costi < 0,1/1 % valore operaImprevisti connessi > 0,5/5 % valore opera
Studi = Strumenti di supporto per le decisioni = Supporto alla ProgettazioneOrganizzazione, elaborazione e interpretazione dei dati con modelli analitici (per es. verifiche di subsidenza dei terreni) o numerici (per es. modelli di flusso e di trasporto di calore per le falde)
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Indagini e studi precedentiIntervisteRaccolta dati idrometrici, idrografici, idrogeologici
Modello Concettuale PreliminareSchematizzazione dei fondamentali meccanismi (geologici,idrogeologici, meccanici, idraulici, idrochimici, biologici, termici etc.) che interessano attivamente o potenzialmente sottosuolo
NELL’INTERAZIONE CON IMPIANTI A FONTE GEOTERMICA
Pianificazione indagini
Previsioni effetti + modalità costruttive + gestione
Approccio metodologico per la previsione
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TestRispostaTermica
Durata almeno
50 ore
updown
Computer
Power usagevoltage (V) and current (I)
Potenza scambiata col terreno = V x Ioppure(T - T ) x S x Q
C
Riscaldatore(a gas o elettrico)
T Tup down
Flussimetro-
Pompa Flow = Q
0
2
4
6
8
10
12
14
10 100 1000 10000 100000 100000Time since heat on (seconds)
Power (kW)
Temperature displacement (°C)
Temperature displacement (K); heat into ground (kW)
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Supporto alle decisioni per la progettazionePozzo di presa Pozzo di resa
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Supporto alle decisioni per la progettazione
Fogli di calcoloe modelli numerici
Modflow2000SEAWATFeflowHEAT3
etc.
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Modellazione del flusso della falda e delle variazioni termiche a 10, 15, ...100 anni per verifica effetto prelievo e restituzione d’acqua di falda usata dalle pompe di calore
PosizioneDimensioneProfonditàTipologia e modalità costruzione opere
Supporto alle decisioni per la progettazione
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Uso sostenibile: alcune esigenze di cautela
Progetti produzione energia termica con risorse sotterranee possibilmente non pregiate e con restituzione al ciclo dell’acqua (acque superficiali o sotterranee) o al terreno (effetti calore): non affidarsi al caso
Cercare la longevità dei sistemi alimentati da fonte geotermica
Necessità anagrafe- impianti esistenti- pozzi pubblici- contaminazioni- strutture interrate (PUGSS?)
Validazione previsioni
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Potenza termica installata al 2015
e installabile(MWt)
Quantitàsollevata
(m3/anno)
0250.000.000Pozzi per uso potabile (valore 2006)
~ 200 ?112.900.000Pozzi controllo innalzamento falda03.400.000Pozzi per uso irriguo
019.800.000Pozzi per uso industriale
> 410 ?529.000.000Totali stimati
~ 20 ?24.600.000Barriere idrauliche (bonifiche)~ 13063.700.000Progetti Pubblici + Progetti Privati
~ 6054.600.000A2A
MilanoStima impiego acqua di falda a bassa temperatura
e potenze installate
Non considera sistemi a circuito chiusoOggi almeno 100 MWt già operanti (equivalenti a circa 30.000 TEP)Al 2015 saranno realizzati impianti per un totale di quasi 200 MWt di potenza installataAl 2020 installabili 400 MWt se si convertissero impianti esistenti (Progetto Vettabia e altri
sistemi di abbassamento della falda tuttora attivi), ad esempio per sistemi di teleriscaldamento.
Fonti: Agenda 21, Acquedotto Milanese
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Conclusione:le fonti a bassa temperatura sono una risorsa
rinnovabile, ubiquitaria, a basso costo e…
Nella sola città di Milano a medio termine copriranno circa il 4 % del fabbisogno termico civile annuale medio (estate ed inverno)40 t/a di CO2 non emesse a fronte della produzione di 100 MWt di energia termica con fonte rinnovabile equivalgono a circa il 2,6 % delle emissioni prevedibili al 2010 a Milano (circa 1,5 Mt/a).Consentono usi multipli e/o integrati a costi competitiviNon influenzano la possibilità d’uso di risorse profonde a media ed alta temperaturaLimitano o azzerano gli impatti acustici e visivi
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.Usare energia pulita.…coltivando le risorse geotermiche rinnovabili comealberi di un giardino segreto, a Milano, in Lombardia…
Grazie