L’energia idrotermica

Le energie rinnovabili

Per “energie rinnovabili” intendiamo quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono “esauribili” nella scala dei tempi “umani” e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

La Direttiva europea 2009/28/CE (conosciuta anche come direttiva RES – Renewable Energy Sources) relativa all’uso dell’energia da fonti rinnovabili riconosce come tali (art. 2 – definizioni) l’energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas.
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L'energia idrotermica

L’energia idrotermica può essere sinteticamente indicata come il calore presente nell’acqua di laghi, fiumi, falde acquifere, in quantità e a temperature pressochè costante per tutto l’anno. Questo calore può essere utilizzato se nell’acqua viene immersa una tubazione all’interno del quale circola un fluido (acqua o acqua glicolata) ad una temperatura inferiore a quella dell’acqua (definita sorgente fredda).

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Approfondimento sull’energia idrotermica

In ogni punto della superficie terrestre è presente un flusso di calore che, proveniente dal mantello terrestre (strato semifluido di roccia ad elevate temperature), si trasmette per conduzione attraverso le formazioni rocciose della crosta terrestre. L’intensità del flusso geotermico è legata alla profondità alla quale nel punto considerato si trova il mantello terrestre e determina un gradiente di temperatura che varia generalmente da 0,10 K/m a 0,0167 K/m. Il fenomeno fisico brevemente descritto consente di sfruttare la presenza di acqua, infiltrata nel sottosuolo a causa della permeabilità di questo, o comunque presente nelle formazioni geologiche, anche a limitata profondità, che non solo ha una temperatura indipendente da quella dell’aria esterna, ma anzi viene riscaldata da questi fenomeni conduttivi, più o meno intensi, e fornisce quindi un’ottima sorgente di calore a bassa entalpia ad uso delle pompe di calore appositamente progettate.

Gli acquiferi superficiali possono essere utilizzati anch’essi per lo sfruttamento dell’energia idrotermica, ma sono caratterizzati da una variazione più significativa della temperatura media stagionale, che tuttavia diminuisce con la profondità e con la massa dell’acquifero considerato.

L’energia idrotermica può essere sfruttata solo se vi è un acquifero che, per profondità e consistenza e ove consentito dalla legislazione locale, sia idoneo all’impiego impiantistico. Numerose amministrazioni locali limitano sia gli emungimenti dalle falde sotterranee che le temperature di reimmissione del fluido dopo l’utilizzo.

Anche in questo caso, come già per la geotermia, è opportuno evitare la confusione tra l’energia idrotermica e l’energia idraulica, o l’energia idroelettrica. Nel primo caso infatti lo scopo è lo sfruttamento del calore a bassa entalpia per la climatizzazione degli ambienti, mentre negli altri casi l’acqua è utilizzata quale forza motrice gratuita ad esempio per la produzione di energia elettrica, necessitando di quantità e di tipologie impiantistiche completamente diverse.
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I sistemi geotermici ad anello aperto e chiuso

L’energia idrotermica si ricava da sistemi geotermici, ad anello aperto o chiuso, e comprende le tipologie impiantistiche atte allo sfruttamento dell’energia rinnovabile sottoforma di acqua a bassa entalpia contenuta negli acquiferi sotterranei e superficiali. Un sistema viene definito aperto, in opposizione ai sistemi geotermici tradizionali che sono definiti ad anello chiuso, in quanto il fluido termovettore circolante nelle sonde non entra in contatto con l’ambiente esterno, ma rimane confinato all’interno delle sonde stesse, mentre nel caso dell’energia idrotermica il fluido termovettore viene prelevato dall’ambiente ed ivi reimmesso una volta avvenuto lo scambio termico direttamente con la pompa di calore oppure con uno scambiatore intermedio.

Nei mesi invernali il calore viene trasferito agli ambienti riscaldati, viceversa in estate il calore in eccesso presente negli edifici viene ceduto all’acqua che viene reimmessa nell’acquifero. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore, motori che tutti noi conosciamo nella forma più diffusa rappresentata dal frigorifero. Gli impianti idrotermici sfruttano la temperatura costante che l’acqua ha lungo tutto il corso dell’anno e le sue ottime caratteristiche di scambio termico. Più la differenza tra temperatura esterna e temperatura costante dell’acqua è alta, migliore sarà il rendimento della pompa di calore.

Per tutte le installazioni impiantistiche è estremamente opportuno installare uno scambiatore di calore adeguatamente dimensionato ad interposizione tra il circuito dell’acquifero che si vuole sfruttare e il circuito che va ad alimentare la pompa di calore. Questo sia per evitare che le impurità presenti nell’acquifero possano compromettere il funzionamento della pompa di calore sia per separare fisicamente i due circuiti ed evitare possibili contaminazioni dell’acquifero utilizzato, condizione spesso posta come vincolante dalle normative sull’utilizzo degli acquiferi sotterranei o superficiali.
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Acquiferi sotterranei e superficiali

Gli acquiferi sotterranei hanno, come già accade per il terreno nelle applicazioni geotermiche, una temperatura che dipende sempre meno dalla temperatura esterna quanto più è profondo e consistente l’acquifero considerato. Inoltre gli acquiferi sotterranei sono esposti agli stessi fenomeni di riscaldamento per conduzione attraverso le formazioni rocciose della crosta terrestre che costituiscono il “motore” dell’energia geotermica, con l’importante vantaggio della mobilità e dell’ottimo scambio termico dell’acqua, il che permette di realizzare pozzi poco profondi e ottenere ottime prestazioni con costi di investimento limitati.

Per gli acquiferi superficiali, caratterizzati certamente da variazioni stagionali maggiori della temperatura, va considerata la notevole inerzia termica che porta anche in questo caso ad avere escursioni di temperatura stagionali di molto inferiori a quelle dell’aria esterna.
Per acquiferi sotterranei si intendono tutte le risorse idriche presenti nel sottosuolo, brevemente elencabili nel seguente modo:

  • FALDE FREATICHE E ARTESIANE
    Per falde freatiche si intendono terreni, sabbie o ghiaie, saturi d’acqua e caratterizzati spesso da uno scorrimento attraverso le porosità presenti nel sottosuolo e quindi caratterizzate da una direzione e velocità del flusso idrologico.
  • CAVITA’ E TORRENTI CARSICI
    Per cavità e torrenti carsici si intendono veri e propri laghi e corsi d’acqua sotterranei creati dall’azione erosiva (chimica e meccanica) dell’acqua rispetto a dolomie, calcari e carbonati. Tale tipologia di acquifero non è generalmente di semplice sfruttamento.
Per acquiferi superficiali infine si intendono tutte le superfici d’acqua quali mari, laghi, fiumi, torrenti e canali.

Per tutte le tipologie di acquiferi esposti andrà opportunamente valutato se realizzare lo scambiatore di calore esterno all’acquifero stesso, realizzando quindi opportuni pozzi di emungimento e di reimmissione, oppure realizzare un circuito chiuso per mezzo di uno scambiatore immerso nell’acquifero che si vuole sfruttare, in posizione opportuna perché non sia influenzato dalle variazioni climatiche stagionali e da eventuali variazioni nella massa d’acqua che potrebbero portarlo allo scoperto o comunque ridurne in maniera significativa lo scambio termico.
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La pompa di calore ad assorbimento idrotermica

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