Quando e dove conviene usare un impianto geotermico?

I vantaggi nell'installazione di una pompa di calore geotermica

Installare una pompa di calore geotermica garantisce un risparmio per la climatizzazione di un edificio, in quanto permette una riduzione dei consumi anche del 70% rispetto ai sistemi tradizionali. Tuttavia, gli impianti di questo tipo possono avere costi anche molto elevati, quindi è importante valutare attentamente l’effettiva convenienza dell’investimento.

Gli impianti geotermici offrono numerosi vantaggi:

• Energia rinnovabile e sostenibilità ambientale: l’energia geotermica è una fonte di energia rinnovabile disponibile tutto l’anno, anche di notte;
• Risparmio energetico: gli impianti geotermici possono ridurre i costi di riscaldamento fino al 60% rispetto ai sistemi tradizionali, e fino all’80% in alcuni casi particolari;
• Versatilità: gli impianti geotermici possono essere utilizzati per riscaldare un edificio in modo indipendente o in combinazione con altre fonti di energia;
• Lunga durata e affidabilità;
• Costi di manutenzione relativamente bassi;
• Silenziosità: gli impianti geotermici sono silenziosi e poco impattanti sul paesaggio.

È però importante notare che l’installazione di un impianto geotermico richiede un investimento iniziale significativo. Pertanto, è fondamentale valutare attentamente l’effettiva convenienza dell’investimento.

Come funziona un impianto geotermico a bassa entalpia

Innanzitutto, è bene definire cosa intendiamo geotermia “a bassa entalpia”. Questo termine deriva dalla definizione fornita dal D.Lgs. 22/2010 in materia di fluidi estratti dal sottosuolo per la produzione di calore e/o elettricità: i fluidi sono a bassa entalpia quando si trovano a una temperatura minore di 90 °C.

ATTENZIONE!
Si definisce impianto geotermico ad alta entalpia un impianto che sfrutta il calore proveniente dal sottosuolo terrestre a temperature molto elevate, spesso superiori ai 150°C, ed è in genere utilizzato per la produzione di energia geotermoelettrica. Serbatoi geotermici ad alta entalpia si trovano in aree geografiche interessate da fenomeni vulcanici o tettonici. L’acqua e i gas riscaldati nel sottosuolo salgono fino in superficie ad alta pressione sotto forma di geyser o soffioni e possono essere utilizzati per la produzione di energia elettrica azionando le turbine delle centrali geotermoelettriche, convertendo l’energia meccanica della turbina in energia elettrica tramite un alternatore.

I sistemi geotermici a bassa entalpia sfruttano, per climatizzare un edificio, il calore presente nel primo strato del sottosuolo (considerabile energia rinnovabile), con profondità compresa tra 1 e 200 m circa, prelevandolo attraverso un fluido vettore e una Pompa di Calore (PdC). Come noto, la pompa di calore consente lo scambio di calore tra una “sorgente” a temperatura più bassa e un “pozzo”, in cui viene immesso il calore. Durante la stagione invernale (riscaldamento), l’edificio ha funzione di “pozzo caldo”, mentre durante il periodo estivo, l’edificio rappresenta la “sorgente fredda” da cui viene estratto il calore. Contrariamente, il suolo agisce da “sorgente” di calore per la pompa di calore durante la modalità di riscaldamento, o da “pozzo” di calore in modalità di raffrescamento.

Rispetto alle PdC ad aria, le PdC geotermiche presentano il vantaggio che la temperatura del suolo a una certa profondità varia molto meno durante l’anno: a partire da una profondità di 20 m, la temperatura del suolo è quasi costante durante tutto l’anno, pari circa alla temperatura media annuale dell’aria (10-16 °C), con un aumento di temperatura pari circa di 1°C ogni 33 m in più di profondità.

Questo significa che il suolo è più caldo in inverno e più fresco in estate rispetto all’aria, a vantaggio della prestazione della pompa di calore. La prestazione di una PdC è infatti esprimibile tramite il rapporto tra il calore immesso o estratto dall’edificio (effetto utile) e il consumo di energia (spesa), noto come COP (coefficiente di prestazione), che per le pompe di calore geotermiche varia tra 3 e 6.

ATTENZIONE!
In zone climatiche fredde c’è il rischio che il suolo si raffreddi a causa dell’ingente prelievo di calore. Una soluzione è abbinare la pompa di calore geotermica a un impianto solare termico. In questo modo, è possibile immagazzinare nel suolo il calore accumulato durante la stagione estiva, compensando così eventuali perdite di calore e garantendo un sistema più efficiente e sostenibile.

Gli scambiatori di calore al suolo si dividono in tre categorie:

• Scambio diretto;
• Circuito chiuso;
• Circuito aperto.

A seconda del tipo di impianto, il circuito del refrigerante della pompa di calore può essere a diretto contatto con il suolo (scambio diretto), o può far circolare un fluido contenente acqua e additivi antigelo (circuito chiuso), o può operare lo scambio termico sull’acqua di falda (circuito aperto).

Scambio diretto

Nel caso dello scambio diretto, lo scambio termico avviene con il terreno. Il refrigerante esce dalla pompa di calore, circola in una tubazione a diretto contatto con il terreno, scambia calore con esso e ritorna alla pompa di calore. Questo tipo di impianto è molto efficiente, ma richiede un controllo di qualità maggiore sui tubi, poiché il gas refrigerante potrebbe fuoriuscire anche da piccole crepe.

Inoltre, il materiale dei tubi (rame) deve essere protetto dalla corrosione in suoli acidi. Questi impianti hanno un’efficienza molto maggiore rispetto a quelli a circuito chiuso, in quanto manca un circuito intermedio: ciò consentirebbe di avere tubazioni molto più piccole e corte.

Tuttavia, il rame ha un costo nettamente superiore rispetto ad altri materiali utilizzati per sonde a circuito chiuso, e non bisogna dimenticare che questo tipo di impianto è proibito in alcuni paesi, perché presentano il rischio di fuoriuscita di lubrificante del compressore della PdC.

Circuito aperto

Nel caso di un circuito aperto, l’interazione termica avviene con acqua di falda (la cui temperatura oscilla tutto l’anno tra gli 8 e i 12 °C) o, più raramente, con acqua proveniente da corpi idrici superficiali come fiumi o laghi. L’acqua prelevata può essere reimmessa nello stesso corpo idrico superficiale oppure nello stesso acquifero da cui è stata prelevata.

Prelievo e reimmissione avvengono tramite trincee drenanti o pozzi, ed è importante che i due punti di presa/resa siano realizzati a una distanza adeguata per evitare la cortocircuitazione termica. Quest’ultima si verifica quando l’acqua, termicamente alterata dal pozzo di reimmissione (detta anche “plume termico”), raggiunge il pozzo di prelievo.

 I vantaggi di un sistema aperto rispetto a un sistema a circuito chiuso sono i seguenti:

• Maggiore rendimento della PdC, in quanto l’acqua prelevata non subisce lo stesso raffreddamento che avviene nel terreno attorno a una sonda geotermica. Questo significa che fino a quando non avviene la cortocircuitazione termica, il rendimento della pompa di calore è superiore;
• Costi di installazione inferiori e minori necessità di spazi, rispetto agli impianti a sonde geotermiche o a circuito chiuso orizzontale.

Tuttavia, lo svantaggio principale di questa configurazione è la possibilità che si formino cricche e incrostazioni, che possono accorciare la vita utile dell’impianto: sono pertanto sconsigliati in presenza di acqua con alti contenuti di sali disciolti.

Circuito chiuso

Abbiamo tenuto il circuito chiuso per ultimo, in quanto è il più diffuso e su questo ci concentreremo anche nel seguito.
Un impianto a circuito chiuso può esser classificato sulla base del posizionamento e della tipologia degli elementi di scambio termico nel terreno.

• Circuito chiuso orizzontale: in questo caso, i tubi vengono disposti orizzontalmente in una trincea. La profondità di questa trincea è maggiore rispetto a quella in cui potrebbe verificarsi il congelamento del terreno (in genere intorno a 1-3 m). I tubi possono essere lineari o a spirale. Un’altra configurazione talvolta utilizzata è il basket geotermico, che consiste in una tubazione a spirale con un’altezza di 2-3 metri, inserita nel terreno. La potenza scambiabile con il terreno dipende dalla lunghezza della tubazione e dall’area occupata, ma indicativamente si aggira tra 15 e 40 W/m². è bene ricordare che la superficie esterna necessaria all’installazione di sonde geotermiche orizzontali deve essere tra il 100% e il 150% della superficie da riscaldare. Una variante è l’installazione di tubi in piccoli stagni: in questo caso, si sfrutta l’inerzia termica dell’acqua. Tuttavia, è importante verificare la possibilità di utilizzare questa soluzione in base alle normative locali specifiche, poiché spesso esistono regolamentazioni specifiche per l’uso di acque di superficie o falde sotterranee. Questo sistema è ideale quando c’è spazio sufficiente e il terreno è adatto.
  
• Circuito chiuso verticale (sonde geotermiche): qui, i tubi sono posizionati verticalmente in un foro appositamente realizzato. La profondità di perforazione può variare da 20 a 200 metri. Le sonde geotermiche possono avere diverse configurazioni, come a U, a doppia U o coassiale. All’interno del foro, lo spazio attorno ai tubi viene riempito con un materiale chiamato grouting geotermico, che ha una buona conducibilità termica (calcestruzzo contenente inerti silicei e additivi). Le sonde geotermiche sono spesso adottate quando lo spazio per un impianto a circuito chiuso orizzontale è limitato o quando non è disponibile una falda idrica per un impianto a circuito aperto. La potenza termica ottenibile da sonde verticali è anche funzione del tipo di terreno, come sarà spiegato in seguito.
  
• Pali geotermici (energy piles): in questo caso, il circuito idraulico è inserito all’interno di un palo di fondazione. Sono stitemi utilizzati in genere in terreni argillosi, caratterizzati da conducibilità termiche più basse rispetto altri terreni. Per tale motivo l’efficienza dell’impianto è inferiore. D’altro canto, siccome questo sistema non richiede una perforazione specifica per le sonde, consente una riduzione dei costi di installazione.

Da cosa è composto un impianto geotermico a circuito chiuso

La maggior parte degli impianti geotermici a circuito chiuso è quindi costituita da tre elementi fondamentali, come riportato anche in Figura 1.

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Nei prossimi paragrafi verrà completata la descrizione sull'impianto geotermico a circuito chiuso e, oltre a questo, si parlerà di:

• Cosa valutare prima di procedere all'installazione;
• I sistemi di incentivazione.