27 Dicembre 2023
17:30

Come funziona la geotermia a bassa entalpia e quali sono le principali tipologie

L'energia geotermica a bassa entalpia, proveniente dai primi strati del sottosuolo, rappresenta una risorsa energetica pulita e rinnovabile, nonché un’alternativa economica per il riscaldamento e la climatizzazione di ambienti in edifici e strutture residenziali.

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Come funziona la geotermia a bassa entalpia e quali sono le principali tipologie
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La geotermia a bassa entalpia è una tra le tipologie di energia geotermica più conosciute. Si tratta di una soluzione energetica rinnovabile e sostenibile che sfrutta il calore proveniente dalle zone più superficiali del sottosuolo per soddisfare le esigenze di riscaldamento e raffreddamento di singoli edifici, abitazioni e complessi residenziali. In questo articolo, esploreremo i principi chiave e le principali tecnologie associate alla sfruttamento dell'energia geotermica superficiale.

Cos'è la geotermia a bassa entalpia?

L’energia geotermica a bassa entalpia è una fonte rinnovabile, pulita e in larga parte indipendente dalle condizioni meteorologiche. I sistemi geotermici a bassa entalpia sono principalmente utilizzati per la climatizzazione di edifici singoli, abitazioni e complessi residenziali, offrendo costi operativi contenuti. Nei primi strati del sottosuolo, fino a qualche decina di metri di profondità, il calore è generalmente legato all'assorbimento dell'energia solare e varia stagionalmente. Tuttavia, già a partire da circa 20 metri di profondità, la temperatura diviene stabile durante tutto l'anno, aumentando con la profondità in funzione del gradiente geotermico terrestre.

Questa tecnologia quindi prevede lo scambio di calore con rocce e/o falde acquifere a profondità che variano dai 2 ai 200 metri, arrivando in alcuni casi fino a 400 metri. Proprio a causa delle profondità moderate, si parla spesso di geotermia superficiale. La sostenibilità e la rinnovabilità dell'energia geotermica superficiale la rendono una risorsa con il potenziale di rivoluzionare profondamente il nostro concetto di approvvigionamento energetico. Tenendo conto che a livello mondiale quasi metà della domanda energetica è destinata alla produzione di calore, la geotermia a bassa entalpia potrebbe assumere un ruolo chiave nel processo di decarbonizzazione. In Europa, oggi, Francia e Germania sono paesi all’avanguardia nello sfruttamento di questa risorsa, registrando una significativa crescita nelle installazioni di impianti a bassa entalpia domestici negli ultimi anni.

Le tipologie di impianto

Un tipico impianto geotermico a bassa entalpia è composto da una pompa di calore in superficie e da tubazioni (dette anche sonde) e pozzi installati nel terreno fino alla profondità di estrazione della risorsa geotermica. All’interno delle sonde circola un fluido termoconvettore, responsabile dello scambio di calore tra sottosuolo e superficie. Questi impianti hanno una duplice funzione: durante i mesi invernali prelevano calore dal terreno per il riscaldamento e la produzione di acqua calda, mentre in estate cedono il calore in eccesso degli ambienti al sottosuolo. Esistono due principali categorie di impianti geotermici, distinte in funzione della tecnica di installazione e dal tipo di fluido termoconvettore utilizzato: i sistemi a circuito chiuso e quelli a circuito aperto.

Sistemi a circuito chiuso

Nei sistemi a circuito chiuso, il fluido termoconvettore, che è generalmente una miscela di acqua e refrigerante (come il glicole o l’etanolo) circola continuamente all’interno delle sonde realizzate in polietilene. Le configurazioni più comuni sono le sonde geotermiche verticali e i collettori orizzontali.

  • Le sonde geotermiche verticali consistono in delle tubature a “U”, singole o doppie, posizionale all’interno di un pozzo e circondate da una malta cementizia. Quest’ultima previene la dispersione laterale del calore e interazioni indesiderate con i fluidi di strato. La profondità di installaione delle sonde geotermiche verticali può variare notevolmente, estendendosi da alcune decine a centinaia di metri sotto la superficie.
  • I collettori, d’altro canto, sono formati da una rete di tubazioni con andamento meandriformente, collegate tra loro in serie o in parallelo. Queste sono stese orizzontalmente in prossimità dell’edificio e tipicamente a profondità non superiori ai 4 metri. I collettori utilizzano principalmente il calore generato dall’assorbimento della radiazione solare.
sistema circuito chiuso
Illustrazione 3D di un sistema a circuito chiuso con stendimento di collettori orizzontali

Sistemi a circuito aperto

Nei sistemi a circuito aperto, l'acqua delle falde acquifere nel sottosuolo viene utilizzata come fluido termovettore. Un sistema geotermico di questo tipo opera attraverso due pozzi: uno destinato all'estrazione dell'acqua e l'altro alla sua iniezione. In pratica, l'acqua viene prelevata direttamente dalla falda, utilizzata per la climatizzazione degli spazi interni e, una volta sfruttato il suo potenziale termico, viene re-iniettata nel sottosuolo attraverso il secondo pozzo. Anche se tali sistemi possono rappresentare una fonte significativa di calore a costi ridotti, presentano la necessità di una manutenzione più frequente. Inoltre, per un funzionamento ottimale, è indispensabile la presenza di un acquifero con caratteristiche idrauliche adeguate, come una buona permeabilità, oltre a una composizione chimica dell'acqua favorevole e un facile accesso alle falde.

sistemi circuito aperti geotermia
Rappresentazione schematica dei sistemi geotermici a bassa entalpia a circuito aperto e circuito chiuso.

Pompe di calore geotermiche

Al cuore di un impianto geotermico vi è una pompa di calore posizionata in superficie, che gestisce il trasferimento del calore, veicolato dal fluido termoconvettore, tra il sottosuolo e l'edificio. Tipicamente, alla profondità in cui vengono posizionate le sonde geotermiche nel sottosuolo, le temperature oscillano tra i 12 e i 18 °C. Tali valori, però, non sono adeguati per garantire il riscaldamento autonomo di un edificio. Per questo motivo, durante il funzionamento invernale, la temperatura del fluido termoconvettore proveniente dal sottosuolo viene elevata da un compressore situato all'interno della pompa di calore, prima di essere distribuito all’edificio. Dopo aver rilasciato il calore nell'ambiente, il fluido circola nuovamente all’interno della pompa di calore e viene re-iniettato nel sottosuolo, dando inizio a un nuovo ciclo.

Durante il funzionamento estivo, al contrario, la pompa di calore lavora in senso inverso, trasferendo calore dall'interno dell'edificio al sottosuolo. Il fluido termovettore penetra nel terreno a temperature superiori ai 20°C, disperde calore e risale con una temperatura ridotta di 4-5 °C.

pompa geotermica schema
Rappresentazione schematica di una pompa di calore geotermica
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