Cos'è la geotermia, i sistemi di condizionamento e il futuro

Energia geotermica

Sicuramente sai cos'è l'energia geotermica in termini generali, ma Conosci tutte le basi di questa energia?

In modo molto generale diciamo che l'energia geotermica lo è energia termica dall'interno della Terra.

In altre parole, l'energia geotermica è l'unica risorsa energetica rinnovabile che non deriva dal sole.

Inoltre, possiamo dire che questa energia non è un'energia rinnovabile in quanto tale, da allora il suo rinnovamento non è infinito, Però è inesauribile a misura d'uomo, quindi è considerato rinnovabile per scopi pratici.

Origine del calore all'interno della Terra

La causa principale del calore all'interno della Terra è il decadimento continuo di alcuni elementi radioattivi come l'uranio 238, il torio 232 e il potassio 40.

Un altro dei origini dell'energia geotermica sono collisioni di placche tettoniche.

In alcune regioni, tuttavia, il calore geotermico è più concentrato, come accade nelle vicinanze di vulcani, correnti magmatiche, geyser e sorgenti termali.

Uso dell'energia geotermica

Questa energia è stata utilizzata per un minimo di 2.000 anni.

I romani usavano le sorgenti calde servizi igienici e, più recentemente, questa energia è stata utilizzata per il riscaldamento di edifici e serre e per la generazione di energia elettrica.

Attualmente esistono 3 tipologie di giacimenti dai quali possiamo ricavare energia geotermica:

  • Serbatoi ad alta temperatura
  • Serbatoi a bassa temperatura
  • Serbatoi di roccia calda secca

Serbatoi ad alta temperatura

Diciamo che c'è un deposito di alta temperatura quando l'acqua del serbatoio raggiunge temperature superiori a 100ºC per la presenza di una fonte di calore attiva.

Affinché il calore geotermico possa creare energia geotermica utilizzabile, le condizioni geologiche devono consentire di formare a serbatoio geotermico, simili a quelli contenuti nel petrolio o nel gas naturale, costituiti da a roccia permeabile, arenarie o calcare, ad esempio, sormontato da a strato impermeabile, come l'argilla.

schema ad alta temperatura

La falda acquifera riscaldata dalle rocce scorre verso l'alto al serbatoio, dove rimangono intrappolati sotto lo strato impermeabile.

Quando ci sono crepe in detto strato impermeabile è possibile la fuoriuscita di vapore o acqua in superficie, che appare sotto forma di sorgenti termali o geyser.

Queste sorgenti termali sono state utilizzate fin dall'antichità e possono essere facilmente utilizzate per il riscaldamento e processi industriali.

bagni termali

Terme romane di Bath

Serbatoi a bassa temperatura

I serbatoi a bassa temperatura sono quelli in cui la temperatura dell'acqua, che utilizzeremo, si trova tra 60 e 100 ° C.

In questi depositi, il valore del flusso di calore è il valore normale della crosta terrestre, quindi non è necessaria l'esistenza di 2 delle condizioni precedenti: esistenza di una fonte di calore attiva e isolamento dell'accumulo di fluidi.

Schema a bassa temperatura

Solo il presenza di un magazzino alla profondità opportuna in modo che, con il gradiente geotermico esistente in detta area, vi siano temperature che ne rendano economico lo sfruttamento.

Serbatoi di roccia calda secca

Il potenziale di energia geotermica es Mucho maggiore se il calore viene estratto dalle rocce calde secche, che non contengono acqua naturalmente.

Sono a temperatura compresa tra 250 e 300 ° C già uno profondità tra 2.000 e 3.000 metri.

Per il suo sfruttamento è necessario rompere rocce calde secche, a renderli porosi.

Allora viene introdotta acqua fredda dalla superficie attraverso un tubo, facendolo passare attraverso la roccia calda fratturata, in modo che si riscaldi e poi, il vapore acqueo viene estratto attraverso un altro tubo per usare la sua pressione per azionare una turbina e generare energia elettrica.

profilo di roccia calda

Il problema con questo tipo di sfruttamento sono le tecniche per fratturare le rocce a tale profondità e per la perforazione.

Sebbene siano stati compiuti molti progressi in queste aree utilizzando tecniche di trivellazione petrolifera.

Energia geotermica a bassissima temperatura

Possiamo considerare il sottosuolo a piccole profondità come a fonte di calore a 15ºC, totalmente rinnovabile e inesauribile.

Tramite un idoneo sistema di captazione e una pompa di calore è possibile trasferire il calore da questa sorgente a 15ºC ad un sistema che arriva a 50ºC, e quest'ultimo utilizzato per il riscaldamento e l'ottenimento di acqua calda sanitaria da utilizzare in casa.

Inoltre, la stessa pompa di calore può assorbire calore dall'ambiente a 40ºC e consegnarlo al sottosuolo con lo stesso sistema di captazionePertanto, il sistema che può risolvere il riscaldamento domestico può risolvere anche il raffreddamento, cioè la casa ha un unico impianto per la sua climatizzazione integrale.

Lo svantaggio principale di questo tipo di energia è il necessitano di una superficie sepolcrale molto ampia del circuito esternoTuttavia, il suo principale vantaggio è il pPossibilità di utilizzarlo come impianto di riscaldamento e raffrescamento ad un costo molto contenuto.

Nello schema seguente si possono vedere diverse modalità di captazione o cessione di calore a pavimento per un successivo utilizzo in riscaldamento, raffrescamento e per l'ottenimento di ACS (acqua calda sanitaria). Spiegherò la procedura di seguito.

schema impianti di condizionamento

Aria condizionata di una casa, un condominio, un ospedale, ecc. può essere raggiunto individualmente, poiché non richiede grandi investimenti per il sistema, a differenza degli impianti geotermici ad alta e media temperatura.

Questo sistema per sfruttare l'energia solare assorbita dalla superficie terrestre si basa su 3 elementi principali:

  1. Pompa di calore
  2. Circuito di scambio con la Terra
    1. Scambio termico con acque superficiali
    2. Scambio con il terreno
  3. Circuito di scambio con la casa

Pompa di calore

La pompa di calore è una macchina termodinamica che si basa sul ciclo di Carnot eseguito da un gas.

Questa macchina assorbe il calore da una fonte per consegnarlo a un'altra che si trova a una temperatura più elevata.

L'esempio più tipico sono i frigoriferiQuesti hanno una macchina che estrae il calore dall'interno e lo espelle verso l'esterno, che è a una temperatura più elevata.

Altri esempi di pompe di calore sono i condizionatori d'aria e i condizionatori d'aria per le case e le automobili.

In questo schema, puoi vedere che il file Il bulbo freddo assorbe calore dal terreno in uno scambio e il liquido che circola nel circuito del bulbo freddo assorbe il calore fino ad evaporare.

schema pompa di calore

Il circuito che trasporta l'acqua con il calore da terra si raffredda e ritorna a terra, il recupero della temperatura del suolo è molto veloce.

Il bulbo caldo invece, all'interno della casa, riscalda l'aria dandole calore.

La pompa di calore “pompa” calore dal bulbo freddo al bulbo caldo.

Prestazione (energia fornita / energia assorbita) dipende dalla temperatura della sorgente che fornisce il calore evaporato.

Sistemi di condizionamento convenzionali assorbire calore dall'atmosfera, che in inverno può raggiungere temperaturas sotto -2 ° C.

A queste temperature l'evaporatore non può catturare praticamente calore e il le prestazioni della pompa sono molto basse.

In estate, quando fa più caldo, la pompa deve rinunciare al calore dell'atmosfera eventualmente presente 40°C, con quello che il le prestazioni non sono buone come ci si potrebbe aspettare.

Tuttavia, il sistema di captazione geotermica, avendo una fonte per temperatura costante, le prestazioni sono sempre ottimali indipendentemente dalle condizioni di temperatura atmosferica. Quindi questo sistema è molto più efficiente di una pompa di calore convenzionale.

Circuiti di scambio con la Terra

Scambio termico con acque superficiali

Questo sistema è basato su mettere l'acqua in contatto termico proveniente da una sorgente superficiale con l'evaporatore / condensatore, a seconda delle esigenze, per l'assorbimento o cessione di calore a dette acque.

Vantaggio: presenta è che ha un file a basso costo

Sconveniente:  non sempre c'è una fonte d'acqua disponibile.

Scambio con il terreno

Questo può essere diretto quando lo scambio tra il terreno e l'evaporatore / condensatore della pompa di calore è effettuato tramite tubo di rame interrato.

Per una casa possono essere necessari tra 100 e 150 metri di tubo.

  • Vantaggi: basso costo, semplicità e buone prestazioni.
  • Svantaggi: possibilità di fughe di gas e congelamento di aree del terreno.

O anche può essere un circuito ausiliario quando ha una serie di tubi interrati, attraverso i quali circola l'acqua, che a sua volta scambia calore con l'evaporatore / condensatore.

Per una casa possono essere necessari tra 100 e 200 metri di tubo.

  • Vantaggi: bassa pressione nel circuito, evitando così grandi differenze di temperatura
  • Svantaggi: costo alto.

Scambio circuiti con la casa

Questi circuiti può essere con uno scambio diretto o con una distribuzione di acqua calda e fredda.

Scambio diretto Si basa sulla circolazione di un flusso d'aria sulla superficie dell'evaporatore / condensatore sul lato della casa per lo scambio di calore e sulla distribuzione di questa aria calda / fredda in tutta la casa, attraverso tubi isolati termicamente.

Con un unico sistema di distribuzione si risolve la distribuzione del caldo e del freddo in casa.

  • Vantaggi: di solito hanno un costo contenuto e molta semplicità.
  • Svantaggi: basso rendimento, moderato comfort ed è applicabile solo ad abitazioni di nuova costruzione o dotate di impianto di riscaldamento a convezione.

Il sistema di distribuzione dell'acqua calda e fredda si basa sulla circolazione di un flusso d'acqua sulla superficie dell'evaporatore / condensatore sul lato della casa per lo scambio termico.

L'acqua viene solitamente raffreddata a 10 ° C in estate e riscaldata a 45 ° C in inverno per essere utilizzata come mezzo di condizionamento dell'aria.

Il riscaldamento a pavimento è il metodo più performante e più confortevole per risolvere il riscaldamento però non può essere utilizzato per il raffrescamento, quindi se si utilizza questo metodo o quello dei radiatori ad acqua calda bisognerà installare un altro sistema per poter utilizzare il raffrescamento.

  • Vantaggi: comfort e prestazioni molto elevati.
  • Svantaggi: costo alto.

Prestazioni dei sistemi di condizionamento

Efficienza energetica di un impianto di condizionamento che utilizza come fonte di calore il sottosuolo a 15ºC è almeno di 400% in riscaldamento e 500% in raffrescamento.

Quando si sta riscaldando c'è solo un contributo di energia elettrica del 25% dell'energia totale richiesta. E quando viene utilizzato per raffreddare le prestazioni sono più del doppio di quelle di una pompa di calore scambiando con l'aria a 40 gradi, quindi in questo caso c'è anche un risparmio energetico di oltre il 50% rispetto a un condizionatore d'aria convenzionale.

Ciò significa che per pompare dal polo freddo al polo caldo 4 unità di energia (ad esempio 4 calorie), è necessaria solo 1 unità di energia.

Nella refrigerazione, per ogni 5 unità pompate, è necessaria 1 unità per pomparle.

Questo è possibile da allora non genera tutto il calore, ma la maggior parte viene trasferita solo da una fonte all'altra.

Le unità di energia che forniamo alla pompa di calore sono sotto forma di energia elettrica, quindi sostanzialmente produciamo CO2 nell'impianto di produzione di energia elettrica, anche se in quantità molto inferiore.

Tuttavia, potremmo usare pompe di calore diverse da quelle elettriche, ma la loro fonte di energia era il solare termico ma sono ancora in fase sperimentale.

Si confrontiamo questo sistema con un sistema di riscaldamento a cattura di energia solare attraverso i pannelli possiamo vederlo presenta un grande vantaggioCome non necessita di accumulatori di grandi dimensioni per compensare le ore di mancanza di radiazione solare.

Il grande accumulatore è la massa terrestre questo ci fa avere una fonte di energia a temperatura costante, che nell'ambito di questa applicazione si comporta come infinita.

Performance

Tuttavia, quello che lo fa L'opzione migliore per utilizzare questa fonte di energia è combinarla con l'energia solare termica., per non spostare la pompa di calore come detto sopra (che anche) ma per aggiungere calore al sistema, dato che nelle applicazioni di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria, l'acqua può essere portata a 15ºC usando l'energia geotermica per dopo, aumentare la temperatura dell'acqua con l'energia solare.

In questo caso l'efficienza della pompa di calore aumenta in modo esponenziale.

Distribuzione di energia geotermica

L'energia geotermica è diffusa in tutto il pianeta, soprattutto sotto forma di rocce calde secche, ma ci sono aree in cui si estende forse oltre il 10% della superficie del pianeta e hanno condizioni speciali per sviluppare questo tipo di energia.

Intendo il Zone in cui più evidenti gli effetti di terremoti e vulcani e che, in generale, coincidono con faglie tettoniche importante.

mappa dell'energia geotermica

Tra loro ci sono:

  • La costa del Pacifico del continente americano, dall'Alaska al Cile.
  • Il Pacifico occidentale, dalla Nuova Zelanda, attraverso le Filippine e l'Indonesia, fino alla Cina meridionale e al Giappone.
  • La valle di dislocazione di Kenya, Uganda, Zaire ed Etiopia.
  • I dintorni del Mediterraneo.

Vantaggi e svantaggi dell'energia geotermica

Questa energia, come tutto ciò che esiste, ha le sue parti buone così come le sue parti cattive.

Como Vantaggi possiamo dire che:

  • È distribuito in tutto il pianeta.
  • Le fonti geotermiche più economiche si trovano in aree vulcaniche per lo più situato nei paesi in via di sviluppo, il che può essere molto utile per migliorare la tua situazione.
  • È una fonte inesauribile di energia a misura d'uomo.
  • È l'energia più economico questo è noto.

Loro svantaggi al contrario sono:

  • L'uso della geotermia presenta alcuni problemi ambientali, in particolare, il rilascio di gas solforosi nell'atmosfera, insieme a scarichi di acqua calda nei fiumi, che spesso contengono un alto livello di solidi.

Sebbene in generale le acque reflue possano essere reimmesse nel terreno, dopo aver estratto, in alcuni casi, sali di potassio utilizzabili in commercio.

  • Complessivo la trasmissione del calore geotermico su lunghe distanze non è fattibile. Utilizzare acqua calda o vapore in prossimità della sorgente prima che si raffreddi.
  • La maggior parte delle acque geotermiche si trovano temperature inferiori a 150ºC quindi, in generale, non è abbastanza caldo per la generazione di elettricità.

Queste acque possono essere utilizzate solo per la balneazione, il riscaldamento di edifici e serre e colture all'aperto, o come acqua preriscaldata per caldaie.

  • I i serbatoi di roccia secca e calda sono di breve durataQuando le superfici screpolate si raffreddano rapidamente, la loro efficienza energetica diminuisce rapidamente.
  • I i costi di installazione sono molto alti.

Il futuro della geotermia

Finora, solo perforazione e estrarre calore a profondità di circa 3 km, anche se si prevede di poter raggiungere profondità maggiori, con le quali l'energia geotermica potrebbe essere utilizzata più ampiamente.

L'energia totale disponibilesotto forma di acqua calda, vapore o rocce calde, fino a una profondità di 10 km, si avvicina a 3.1017 tep. 30 milioni di volte l'attuale consumo mondiale di energia. Il che lo indica l'energia geotermica può essere un'alternativa interessante a breve termine.

Le tecniche messe a punto per lo sviluppo delle risorse geotermiche sono molto simili a quelle utilizzate nel settore petrolifero. Tuttavia, da quando il contenuto energetico dell'acqua a 300ºC è mille volte inferiore a quello del petrolio, il capitale può essere investito economicamente nell'esplorazione e la perforazione è molto inferiore.

Tuttavia, la carenza di petrolio può alimentare il crescente utilizzo di energia geotermica.

Processo industriale

D'altronde è sempre stato possibile utilizzo di fonti geotermiche per la generazione di energia elettrica in turbogeneratori di medie dimensioni (10-100 MW) situato vicino ai siti del pozzo, ma la temperatura geotermica minima utilizzabile per la generazione di elettricità era di 150 ° C.

Ultimamente Le turbine senza lama sono state sviluppate per acqua geotermica e vapore fino a 100ºC solo, che consente di espandere il campo di utilizzo di questa energia.

Inoltre, può essere utilizzato nei processi industriali come la produzione di metalli, il riscaldamento di processi industriali di ogni genere, il riscaldamento di serre, ecc.

Ma probabilmente il più grande futuro dell'energia geotermica risiede nell'utilizzo di energia geotermica a bassissima temperatura, per la sua versatilità, semplicità, basso costo economico ed ambientale e possibilità di usalo come sistema di riscaldamento e raffreddamento.


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