Geotermia
Fabio Nicotera
Created on February 28, 2024
Lezione sugli impianti geotermici per la scuola superiore
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Transcript
Geotermia
Piombo - Pb - n.o. +4 Ossigeno - O - n.o. -2Pb+4 O-2 --- > Pb2O4 --- > PbO2
Principi e tecniche
Sonde geotermiche
Impianti a bassa entalpia
Geotermia in Italia
Entropia ed entalpia
Corpi ipoabbissali
Gradiente geotermico
Struttura della Terra
INDEX
Struttura della Terra
01
Il gradiente geotermico dà la misura dell'aumento di temperatura con la profondità. Sino alle profondità raggiungibili con le moderne tecniche di perforazione, il gradiente geotermico medio è 2,5°-3°C/100 m.
02
Gradiente geotermico
Le rocce intrusive sono quelle che si formano in seguito al raffreddamento lento del magma al di sotto della superficie della crosta terrestre. Possono a loro volta essere suddivise in due sotto-categorie: plutoniche (raffreddamento a grandi profondità)ipoabissali (raffreddamento a profondità ridotte)
Corpi ipoabissali
03
L'entalpia misura quindi il contenuto termico, cioè l'energia scambiata a pressione costante.
S= entropia - grado di disordine di un sistema fisicoH= entalpia - quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente
Entropia ed entalpia
04
L'entalpia posseduta da un sistema termodinamico è una funzione di stato definita come la somma dell'energia interna E e del prodotto della pressione P per il volume V: H = E+PxVL'entalpia può essere espressa in joule (nel Sistema internazionale) oppure in calorie, ed esprime la quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. Tuttavia poiché, normalmente, non è possibile conoscere il valore assoluto dell'energia interna di un sistema o di una sostanza, durante una determinata trasformazione termodinamica, si può misurare solo la variazione di entalpia (ΔH) e non il suo valore assoluto.
Entalpia
I sistemi geotermici a bassa entalpia sono caratterizzati da serbatoi geotermici con temperature inferiori a 90°C. Questi sistemi possono essere impiegati in gran parte del territorio italiano, sfruttando il gradiente geotermico presente già a profondità inferiori a 15 metri dal piano della superficie terrestre.
Entalpia
Geotermia in Italia
05
La geotermia: una nuova ricchezza per l’Italia
L’Italia rappresenta una zona straordinaria dal punto di vista geologico e vulcanologico, per la presenza della crosta terrestre più sottile e perché al di sotto di essa si inabissa la piattaforma ionica, sospinta dalla grande zolla africana. La piattaforma, inabissandosi, fonde e fa risalire magma in superficie, creando l’arco vulcanico delle Eolie e degli altri vulcani sottomarini.
Le centrali geotermiche sfruttano il vapore caldo che emerge da alcune zone della crosta terrestre.I Sistemi geotermici possono essere a vapore dominante, quando l’aria, ad alta temperatura determina la formazione di accumuli di vapore, o ad acqua dominante,se l’acqua rimane allo stato liquido. Se il fluido non raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l’acqua calda potrà essere utilizzata per la produzione di calore per esempio in impianti di teleriscaldamento.
Centrali geotermiche
Le pompe di calore geotermiche utilizzano il terreno o l’acqua che si trova nel sottosuolo come fonte o come dispersore di calore. Il trasporto del calore avviene per mezzo della stessa acqua o mediante un liquido antigelo. Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso.
IMPIANTI GEOTERMICI A BASSA ENTALPIA
06
La pompa di calore geotermica è un sistema capace di generare calore attraverso l’utilizzo del calore naturalmente presente nel terreno o nelle acque di falda nelle vicinanze di un’abitazione.
SONDE GEOTERMICHE
07
Una pompa di calore estrae calore da una sorgente esterna all’edificio e lo ottimizza per il riscaldamento interno. Nel caso specifico della pompa di calore geotermica, la fonte di calore proviene dalle acque sotterranee o direttamente dal terreno a profondità che variano tra 70 e 150 m.
PRINCIPI E TECNICHE
08
Una volta raggiunta una temperatura sufficientemente elevata, l’acqua innesca il cambio di stato da liquido a gassoso di un liquido refrigerante speciale. Il vapore generato viene quindi compresso da un compressore alimentato ad energia elettrica o a gas con l’obiettivo di aumentare la pressione e provocare un repentino aumento della temperatura.
SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
La temperatura risultante risulta sufficientemente alta da poter essere utilizzata per riscaldare l’acqua necessaria all’impianto di riscaldamento e per la produzione di acqua calda sanitaria.
SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
Le sonde geotermiche verticali sono delle tubature in polietilene, dalla forma a “U”, che vengono installate nel suolo con l'ausilio di macchine trivellatrici. Le sonde possono essere installate a profondità variabili, anche a seconda delle caratteristiche geologiche del terreno, con valori normalmente compresi tra i 70 e 130 metri (ma in alcuni casi anche superiori). Necessitano di una perforazione nel terreno di circa 10-15 cm di diametro, che una volta completata risulterà completamente invisibile.
SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
Dopo che le tubazioni sono state inserite, lo spazio tra le sonde e il foro di perforazione viene riempito con una miscela composta normalmente di cemento e bentonite. La miscela, una volta solidificata, svolge delle funzioni fondamentali: aumenta lo scambio termico con il terreno, garantisce solidità strutturale alla colonna verticale e inoltre impermeabilizza il foro, impedendo così il passaggio di acqua tra eventuali falde acquifere sovrapposte e scongiurando in questo modo possibili fenomeni di inquinamento.
SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
All’interno della sonda geotermica circola, a circuito chiuso, una soluzione di acqua e antigelo, che in inverno assorbe il calore del terreno e lo cede alla pompa di calore geotermica, che provvede poi a distribuirlo all'edificio. In fase di raffrescamento estivo, avviene il processo opposto: il calore viene sottratto all'ambiente interno e, sempre tramite la pompa di calore, ceduto al terreno.La profondità a cui è installata la sonda dipende sia dalle caratteristiche specifiche del terreno, sia dalla potenza termica richiesta dall’edificio. Indicativamente, per riscaldare e raffrescare -con pannelli radianti- un edificio di 100 m², occorrono sonde geotermiche installate a circa 100 metri di profondità.
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
Questa tecnologia sfrutta una fonte di calore che in realtà non è propriamente geotermica, poiché dipende più dall’irraggiamento solare accumulato negli strati superficiali del terreno che dal calore endogeno del sottosuolo.I collettori, che sono degli scambiatori di calore in materiale plastico, sono interrati orizzontalmente a circa 1-2 metri di profondità, al di sotto del limite di congelamento. Già a queste basse profondità, la temperatura del terreno nel corso dell’anno è relativamente stabile, essendo compresa mediamente tra gli estremi 5-20 °C.
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
Il circuito chiuso non va in profondità ma viene posto orizzontalmente e riempito con fluidi particolari capaci di riscaldarlo tramite sensori geotermici. Il circuito deve in ogni caso essere installato a una profondità superiore a quella in cui è possibile il congelamento del terreno e i suoi tubi possono essere lineari o a spirale. Scongiurare il rischio di congelamento del terreno vuol dire installare i tubi tra uno e tre metri di profondità: in ogni caso, più si va in profondità, più la pompa di calore avrà rese migliori.
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
L’area in cui realizzare il circuito viene calcolata in base ad una serie di elementi imprescindibili, come ad esempio la superficie dell’abitazione da scaldare, la temperatura minima che si vuole ottenere, l’isolamento dello stabile, i confini di proprietà del terreno. Inoltre, anche le caratteristiche morfologiche del territorio devono essere adatte. Per impiantare il circuito orizzontale è necessario disporre di un terreno abbastanza pianeggiante .
La posa di collettori orizzontali richiede grandi superfici, che a seconda dei casi corrispondono dalle due alle tre volte la superficie interna da riscaldare/raffrescare.E’ fondamentale che i collettori vengano interrati in superfici erbose drenanti, non piantumate né occupate da edifici o altri manufatti.
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
Servirsi del magma della Terra per acquisire energia inesauribile e a basso costo, un’energia pulita per le generazioni del domani. Questo l’obiettivo dell’azienda Quaise Energy, una startup realizzata da un team dei ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology). E per riuscire in questo progetto farà ricorso ad una tecnologia basata sul girotrone. Un tubo sottovuoto che genererà onde millimetriche ad elevata potenza perché alimentato da un fascio di elettroni che corre al suo interno in un forte campo magnetico. Sprigionando così un’energia capace di distruggere qualunque tipologia di roccia. In questo modo saranno raggiunte profondità davvero considerevoli, 20 km, avendo accesso agli strati sotterranei più caldi. A queste profondità la roccia arriva infatti a circa 500°C, e l’acqua pompata si nebulizzerebbe immediatamente sotto forma di vapore, da potersi convertire in elettricità. L’energia geotermica sarebbe così disponibile praticamente ovunque, eliminando quasi interamente le emissioni inquinanti dovute ai combustibili fossili. Con un ritorno positivo per tutto l’ambiente.