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.

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.

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.

Modeling and Model Predictive Control of an Industrial Hydraulic System

This thesis aims to illustrate the construction of a mathematical model of a hydraulic system, oriented to the design of a model predictive control (MPC) algorithm. The modeling procedure starts with the basic formulation of a piston-servovalve system. The latter is a complex non linear system with some unknown and not measurable effects that constitute a challenging problem for the modeling procedure. The first level of approximation for system parameters is obtained basing on datasheet informations, provided workbench tests and other data from the company. Then, to validate and refine the model, open-loop simulations have been made for data matching with the characteristics obtained from real acquisitions. The final developed set of ODEs captures all the main peculiarities of the system despite some characteristics due to highly varying and unknown hydraulic effects, like the unmodeled resistive elements of the pipes. After an accurate analysis, since the model presents many internal complexities, a simplified version is presented. The latter is used to linearize and discretize correctly the non linear model. Basing on that, a MPC algorithm for reference tracking with linear constraints is implemented. The results obtained show the potential of MPC in this kind of industrial applications, thus a high quality tracking performances while satisfying state and input constraints. The increased robustness and flexibility are evident with respect to the standard control techniques, such as PID controllers, adopted for these systems. The simulations for model validation and the controlled system have been carried out in a Python code environment.