Modelli di scambio termico in pozzo sulla base della caratterizzazione geotermica di un reservoir a bassa entalpia: studio di sensitività sulla efficienza dei sistemi di condizionamento a pompa di calore

Tra i temi di attualità, quello del risparmio energetico è tra i più dibattuti negli ultimi anni; tale tema è strettamente correlato al problema del riscaldamento globale, infatti, mentre sul prossimo esaurimento delle risorse energetiche tradizionali non vi sono ancora certezze assolute, per quanto riguarda l’azione nociva dei gas serra, la Comunità Scientifica Internazionale si ritrova d’accordo su una netta presa di posizione contro l’emissione di tali sostanze, provocata in larga parte dall’utilizzo dei combustibili fossili. In questo contesto, l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedano l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia, ove una corretta progettazione e l’utilizzo di tecnologie non convenzionali può portare alla riduzione anche dell’80% dei consumi, con conseguente abbattimento delle emissioni. Tra questi interventi innovativi, il più comune e conosciuto è sicuramente quello del solare termico e fotovoltaico; ma ne esistono anche di altri, ancora non molto pubblicizzati in Italia, ma ampiamente conosciuti e utilizzati in altri paesi dell’Unione. Tra questi, vi è il sistema di riscaldamento analizzato in questa tesi: la pompa di calore geotermica. Tale sistema, come verrà spiegato nell’elaborato di laurea, ha indubbi vantaggi economici, energetici ed ambientali, a fronte di una non trascurabile spesa iniziale. Attualmente, nel Nord Italia, si incominciano a vedere impianti di questo tipo, sulla scia del successo riscontrato nei paesi confinanti (in particolare Austria e Svizzera). La progettazione si basa attualmente su modelli statici, sviluppati dall’Università Svizzera del Canton Ticino, per l’utilizzo della pompa di calore nel territorio alpino. Obiettivo della tesi, è la verifica di tali modelli, di cui si è venuto a conoscenza grazie alla collaborazione con l’Università SUPSI, sulle condizioni idrogeologiche della Pianura Padana, soffermandosi su alcuni parametri fondamentali della progettazione di una pompa di calore geotermica, quali la conduttività e la capacità termica volumetrica dei terreni incontrati, la presenza di falde, ed i parametri geometrici del pozzo, al fine di dare una valutazione tecnica ed economica dell’impianto. Tali analisi è stata infatti fino ad ora affrontata in maniera sommaria dai perforatori, che eseguono generalmente sempre lo stesso modello di pozzo geotermico, sulla base degli esempi consolidati di Svizzera e Germania. Alcune misure di temperatura in situ sono state rilevate in collaborazione con la società Geotermia SRL di Mantova, ditta specializzata nella perforazione di pozzi geotermici (tale esperienza è parte centrale dell’estratto “Laboratorio di Tesi Ls”), mentre la parte modellistica della tesi è stata sviluppata in collaborazione con lo studio di progettazione Studio Seta SRL di Faenza, il cui stabile è climatizzato in parte con una pompa di calore geotermica.

Valutazione del potenziale geotermico (bassa entalpia) dell'acquifero freatico costiero e di quello semiconfinato della Provincia di Ravenna.

L’obiettivo della tesi è la caratterizzazione termica e la definizione del potenziale geotermico dell’acquifero freatico costiero e quello semiconfinato della provincia di Ravenna. L'area di studio si estende dalla foce del fiume Reno sino alla foce del Fiume Savio, per una lunghezza complessiva pari a 30 km circa ed una larghezza di 10 km nel punto di massima distanza dal mare. Il lavoro svolto per il raggiungimento dello scopo suddetto si compone di diverse fasi. Innanzitutto è stato necessario misurare le temperature dell’acquifero. Per tale motivo sono state effettuate due campagne di monitoraggio (giugno e dicembre 2010) durante le quali, mediante apposite sonde, sono stati reperiti i dati di temperatura della falda freatica. Queste operazioni sono state possibili grazie a una rete di 56 piezometri omogeneamente distribuita sull’area di studio. In un secondo momento, si è organizzato un database in cui raccogliere tutti i valori registrati. Tale documento è stato il punto di partenza per la fase successiva, l’elaborazione dei dati. Mediante i software Excel ed EnviroInsite sono stati realizzati profili di temperatura, mappe e sezioni di temperatura dell’acquifero, le quali mostrano efficacemente le condizioni termiche dell’acquifero. Diverse le anomalie termiche riscontrate. Queste risultano giustificabili solo parzialmente dai consueti fattori proposti in letteratura quali: il clima, i corsi fluviali, la litologia, la copertura vegetale. Si è evidenziata, infatti, una particolare interazione tra il drenaggio superficiale (gestito dalle idrovore) e gli scambi di calore tra i diversi orizzonti dell’acquifero. Considerata la condizione di bassa entalpia in cui si trova l’acquifero ravennate, la valutazione del potenziale geotermico non è stata eseguita mediante il metodo proposto da Muffler & Cataldi (1977); si è determinato, invece, il rendimento potenziale di una pompa di calore geotermica. La pompa di calore risulta essere, infatti, l’unica tecnologia (attualmente in commercio) in grado di sfruttate il calore presente nell’acquifero. Possiamo concludere che nonostante i rendimenti calcolati risultino lievemente al di sotto delle soglie di rendimento consigliate in bibliografia, l’installazione della suddetta tecnologia può risultare economicamente vantaggiosa.

Geotermia a bassa entalpia: Validazione dei software applicativi.

Trovare una fonte alternativa ai combustibili fossili non costituisce più una scelta, ma un obbligo. Lo sfruttamento dell’energia geotermica sta diventando una realtà sempre più diffusa, in quanto una forma di energia rinnovabile, pulita, economicamente conveniente, e con una giusta politica energetica potrebbe dare il suo importante contributo all’energia ottenuta da fonte rinnovabile. Ci sono però dei fattori da non sottovalutare, l’installazione e il funzionamento di impianti geotermici per il riscaldamento o raffrescamento di edifici può produrre alterazioni sull’ambiente circostante e nella falda acquifera. Attraverso un attento studio vengono presi in considerazione tutti i fattori che potrebbero provocare un cambiamento dell’equilibrio preesistente, e vengono individuate le soluzioni che permettono la fattibilità del progetto rispettando i parametri imposti dalla legge. Nell’istallazione di sistemi geotermici a bassa entalpia, il principale elemento da tenere sotto osservazione riguarda la previsione e il controllo delle temperature, in modo tale da impedire lo sviluppo di anomalie termiche. Il sistema preso in considerazione in questa tesi è un sistema geotermico open loop: attraverso un pozzo di adduzione viene prelevata acqua direttamente dalla falda acquifera, per il riscaldamento o il raffrescamento di un edificio, e reimmessa, ad una temperatura diversa, attraverso un pozzo di reimmissione. Si valuta l’impatto del sistema nel sottosuolo e le temperature raggiunte a seguito della messa in opera dell’impianto. In particolare, è proposto un modello numerico MODFLOW di un sistema open loop in un acquifero di sabbia e ghiaia, al fine di determinare l’influenza della reimmissione dal punto di vista idrico e termico. I dati risultanti da questo modello saranno confrontati con quelli ottenuti utilizzando un potente software, COMSOL MULTIPHYSICS. Infine si effettua l’analisi e il confronto dei dati ottenuti dai due software nelle diverse configurazioni del sistema e se ne individua la più adatta alle caratteristiche del sito in esame.

Simulazione numerica di un sistema geotermico a bassa entalpia open-loop in presenza di un gradiente geotermico anomalo

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea magistrale consiste nella modellazione e simulazione numerica, tramite il software commericale COMSOL MULTIPHYSICS, di un reservoir geotermico a bassa entalpia sfruttato mediante un impianto di teleriscaldamento a pompa di calore accoppiato ad un sistema open-loop.

Modellazione numerica del flusso e del trasporto per l’applicazione integrata di geotermia a bassa entalpia e bonifica

L’obbiettivo che si pone questo lavoro è quello di combinare in un unico impianto due tecnologie utilizzate per scopi differenti (impianto integrato): un impianto di climatizzazione geotermico a bassa entalpia di tipo open-loop ed un impianto di bonifica delle acque di falda di tipo Pump&Treat. Il sito selezionato per lo studio è ubicato in via Lombardia, nell’area industriale di Ozzano dell’Emilia (BO), ed è definito “Ex stabilimento Ot-Gal”: si tratta di una galvanotecnica con trattamento di metalli, dismessa alla fine degli anni ’90. Durante una precedente fase di caratterizzazione del sito condotta dalla ditta Geo-Net Srl, sono stati rilevati in falda dei superamenti delle CSC previste dal D.lgs. 152/2006 di alcuni contaminanti, in particolare Tricloroetilene (TCE) e 1.1-Dicloroetilene (1.1-DCE). Successivamente, nel 2010-2011, Geo-net Srl ha eseguito una parziale bonifica delle acque di falda attraverso l’utilizzo di un impianto Pump and Treat. Grazie a tutti i dati pregressi riguardanti i monitoraggi, le prove e i sondaggi, messi a disposizione per questo studio da Geo-Net Srl, è stato possibile eseguire una sperimentazione teorica, in forma di modellazione numerica di flusso e trasporto, dell’impianto integrato oggetto di studio. La sperimentazione è stata effettuata attraverso l’utilizzo di modelli numerici basati sul codice di calcolo MODFLOW e su codici ad esso comunemente associati, quali MODPATH e MT3DMS. L’analisi dei risultati ottenuti ha permesso di valutare in modo accurato l’integrazione di queste due tecnologie combinate in unico impianto. In particolare, la bonifica all’interno del sito avviene dopo 15 dalla messa in attività. Sono stati anche confrontati i costi da sostenere per la realizzazione e l’esercizio dell’impianto integrato rispetto a quelli di un impianto tradizionale. Tale confronto ha mostrato che l’ammortamento dell’impianto integrato avviene in 13 anni e che i restanti 7 anni di esercizio producono un risparmio economico.

Analisi e simulazione di un ciclo Rankine organico per il recupero di energia a bassa entalpia.

Questo lavoro è incentrato sull'analisi e la simulazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) per la produzione di energia da calore a bassa entalpia. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'università di Gent, in Belgio, in particolare grazie al Prof. De Peape e all' Ing. Steven Lecompte; il lavoro in Italia è stato coordinato dal Prof. De Pascale. L'obiettivo principale della tesi è stata la creazione un modello computazionale in grado di descrivere le prestazioni dell'impianto a carico parziale. Ogni elemento dell'impianto è stato analizzato e modellizzato secondo un approccio di simulazione originale in Matlab. I componenti ottenuti sono stati poi combinati a formare la simulazione dell'intero sistema; questa è in grado di prevedere la potenza prodotta ed il rendimento del ciclo al variare delle condizioni esterne. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi confrontati con i dati sperimentali raccolti sull'impianto di prova dell'Università. Questo confronto dimostra un buon accordo dei risultati previsti con quelli misurati. L'errore relativo massimo ottenuto per la potenza elettrica è sotto il 7%, così come quello sul rendimento; Gli errori relativi a pressione ed entalpie sono in genere sotto il 5%. Il modello può perciò dirsi validato e rappresenta un valido strumento di analisi per comprendere la risposta ai carichi parziali anche al di fuori del range di calibrazione. Il modello è stato infine utilizzato per costruire delle mappe del carico parziale e analizzare l'influenza delle variabili del ciclo. Ulteriori applicazioni delle mappe prodotte sono proposte a fine del lavoro.