Geotermia

DEFINIZIONE

È la scienza (dal greco terra e calore) che si occupa del calore accumulato nel sottosuolo: calore che ha origine principalmente dal decadimento di sostanze radioattive presenti nelle rocce. Questo calore è in grado di mantenere, all’interno della terra, temperature che mediamente crescono con la profondità di circa 30°C ogni 1.000 m e che, nel nucleo centrale, superano i 6.500°C. Le variazioni di temperatura con la profondità non sono tuttavia sempre costanti, specie se le configurazioni geologiche del terreno sono come quelle che danno origine alle acque termali, alle fumarole e ai soffioni caldi.

L’energia geotermica può essere utilizzata in vari modi ed è normalmente così classificata:

• Geotermia ad alta energia Utilizza acqua surriscaldata e vapori a più di 180°C e serve a produrre direttamente energia elettrica. Il primo impianto di questo tipo è stato realizzato a Larderello (Pisa) nel 1906.
• Geotermia a media energia Utilizza acqua surriscaldata e vapori a temperature comprese fra 100 e 180°C. Con l’aiuto di un fluido intermedio serve a produrre energia elettrica.
• Geotermia a bassa energia Utilizza calore a temperature comprese fra 30 e 100°C. Serve per il teleriscaldamento, per stabilimenti termali e per processi tecnologici.
• Geotermia a energia molto bassa Utilizza calore a temperature inferiori a 30 °C e serve soprattutto ad alimentare pompe di calore.

COLLETTORI ORIZZONTALI INTERRATI

Sono impianti che utilizzano il calore che si trova accumulato negli strati più superficiali della terra: calore che, fino ad una profondità di 5 metri, si trova disponibile a temperature variabili da 8 a 13°C (ved. diagramma). Questo calore deriva soprattutto dal sole e dalle piogge. Infatti, fino ad una profondità di 5 metri, l’energia geotermica non dà alcun contributo significativo, in quanto apporta meno di 1 caloria ogni 10 metri quadrati di terreno. Pertanto bisogna installare di questi collettori in zone dove può arrivare, senza alcun impedimento, il calore proveniente dal sole e dalle piogge. A tal fine, non si deve coprire il terreno sotto cui sono posti i collettori con costruzioni (garages, prefabbricati, porticati) e neppure con pavimenti impermeabilizzati o con terrazze. Si deve anche evitare che piante, siepi o altri arbusti possano creare significative zone d’ombra.
Questi collettori possono essere realizzati con tubi in polietilene, polipropilene o polibutilene, posti in opera ad una profondità variabile da 0,8 a 2,0 m. Nei tubi è fatto circolare un fluido composto da acqua e antigelo. Lo sviluppo dei collettori può essere del tipo a serpentini o ad anelli e deve rispettare le seguenti distanze minime:

• 2,0 m dalle zone d’ombra indotte da edifici confinanti, muri di cinta, alberi, siepi o altri impedimenti;
• 1,5 m dalle reti degli impianti interrati di tipo non idraulico: reti elettriche, del telefono e del gas;
• 2,0 m dalle reti degli impianti interrati di tipo idraulico: reti dell’acqua sanitaria, delle acque di scarico e piovane;
• 3,0 m da fondazioni, recinzioni, pozzi d’acqua, fosse settiche, pozzi di smaltimento e simili;

Nel progettare i sistemi di captazione del calore bisogna evitare non solo sottodimensionamenti, ma anche sovradimensionamenti: cioè, bisogna evitare soluzioni che possono rubare troppo calore al sottosuolo. Un raffreddamento eccessivo del terreno può infatti provocare gravi conseguenze, sia per il funzionamento della pompa di calore sia per la vegetazione, specie nel caso di congelamento delle radici.

COLLETTORI A SERPENTINI

Sono normalmente posti a profondità variabili da 0,8 a 1,2 metri. Se realizzati con tubi in PE-X, si utilizzano i diametri 20/16 e 25/20,4. Sono collettori che richiedono ampie superfici da lasciare a prato, equivalenti a circa due o tre volte la superficie da riscaldare. Per non raffreddare troppo il terreno, i serpentini vanno realizzati con ampi interassi: da 40 a 50 cm. Il dimensionamento di questi collettori si effettua in base alla resa termica del terreno, che è influenzata soprattutto dalla sua compattezza e dalla quantità d’acqua che in esso si ritrova È consigliabile considerare salti termici di 3-4°C. Inoltre è bene non superare lunghezze di 100 metri con i singoli serpentini, per evitare perdite di carico troppo alte: cioè per non ridurre troppo la resa globale dell’impianto. Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi connessi all’uso di antigelo. Con una pompa di calore che ha in dotazione il circolatore per la sorgente fredda, perdite di carico e portata dei collettori devono essere compatibili con le prestazioni di tale circolatore.

COLLETTORI AD ANELLI

Sono posti su più piani e a profondità variabili da 0,6 a 2,0 metri. Se realizzati con tubi in PE-X, si utilizzano i diametri 20/16 e 25/20,4. Rispetto ai collettori con serpentini, occupano minor superficie di terreno e richiedono minor movimenti di terra. Gli anelli possono essere chiusi o aperti. Mentre i fossi possono svilupparsi con geometrie molto varie, in relazione al tipo e all’estensione del terreno disponibile. Con fossi del tipo sotto rappresentato, i collettori ad anelli devono svilupparsi su piani (in genere 2, 3 o 4) fra loro distanti non meno di 40 cm e il il calore asportabile da ogni metro di tubo può considerarsi uguale a quello riportato nella tabella relativa ai collettori con serpentini. Anche il dimensionamento degli anelli è in pratica uguale a quello dei serpentini. Va tuttavia considerato che la lunghezza degli anelli è correlata a quella dei fossi e quindi può superare anche i 100 m. In tali casi si devono adottare tubi con diametri in grado di mantenere le perdite di carico entro limiti accettabili: vale a dire entro limiti non troppo penalizzanti per la resa globale dell’impianto.

SONDE GEOTERMICHE

Sono impianti che utilizzano il calore disponibile nel sottosuolo fino ad una profondità di 200 metri e anche oltre. Tale calore, fino a 15 metri, è fornito essenzialmente dal sole e dalle piogge. Poi, dai 15 ai 20 metri, questi apporti si riducono fino quasi ad annullarsi, ed inizia a dare un significativo contributo l’energia geotermica. Infine, oltre i 20 metri, è in pratica solo quest’ultima forma di energia a rifornire di calore il sottosuolo, facendone aumentare la temperatura di circa 3°C ogni 100 metri di profondità. Il disegno sotto riportato serve ad evidenziare i contributi delle varie forme di energia. Le sonde geotermiche (cioè le sonde che derivano dal sottosuolo calore di natura essenzialmente geotermica) sono realizzate con perforazioni il cui diametro varia da 100 a 150 mm. Nei fori, vengono poi inseriti uno o due circuiti ad U, realizzati con tubi in PE ad alta resistenza (in genere con diametri DN 32 e DN 40) specifici per applicazioni geotermiche. Per facilitare il loro inserimento nei fori, questi circuiti sono zavorrati con appositi pesi a perdere di 15-20 Kg. Dopo la posa dei circuiti, il vuoto che sussiste tra le pareti dei fori e i tubi dei circuiti è riempito con una sospensione a base di cemento e sostanze inerti. Per poter ottenere un riempimento in grado di assicurare un buon contatto, e quindi un buon scambio termico, fra il sottosuolo e i tubi delle sonde in genere si ricorre ad una soluzione di cemento e bentonite. La soluzione è iniettata dal basso verso l’alto con l’aiuto di un tubo supplementare inserito nel foro della sonda (ved. relativo disegno). Nei circuiti è infine fatto circolare un fluido composto da acqua e antigelo. Le sonde devono essere realizzate ad una distanza minima dall’edificio di 4-5 m (eventualmente da far verificare ad un Geologo) per evitare danni alle fondazioni. Se si realizzano più sonde bisogna prevedere fra loro una distanza di almeno 8 m, per evitare interferenze termiche: cioè per evitare che le sonde si rubino vicendevolmente calore, diminuendo così la loro resa termica globale.
Per realizzare queste sonde vanno comunque adottate tecniche e precauzioni che esigono l’intervento di imprese specializzate. Bisogna inoltre attenersi alle prescrizioni che riguardano il rispetto del sottosuolo. Il dimensionamento delle sonde si effettua in base alla resa termica del sottosuolo (ved. tabella). In genere si può considerare una resa termica media di 50 W per ogni metro di sonda. È consigliabile prevedere salti termici di 3-4°C e scegliere diametri dei circuiti interni che non comportano perdite di carico troppo elevate. Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi connessi all’uso di antigelo. Con una pompa di calore che ha in dotazione il circolatore per la sorgente fredda, perdite di carico e portata delle sonde devono essere compatibili con le prestazioni di tale circolatore.

Fonte: rivista idraulica - Caleffi