Geotermia a bassa entalpia: differenze tra le versioni

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La '''barriera reattiva permeabile''' è una tecnica di bonifica di siti contaminati.
La '''pompa di calore geotermica''' (detta anche ''impianto geotermico a bassa [[entalpia]]'') è un impianto di [[climatizzazione]] degli edifici che sfrutta lo [[calore|scambio termico]] con il sottosuolo superficiale, per mezzo di una [[pompa di calore]]. Poiché il calore nel sottosuolo proviene in gran parte dal [[nucleo terrestre]], la geotermia a bassa entalpia è classificata come fonte di [[energia rinnovabile]], nonostante la pompa di calore consumi di per sé [[energia elettrica]], solitamente prodotta a partire da altre [[fonte di energia|fonti di energia]] (es. [[combustibili fossili]]).


Il principio di funzionamento si basa sullo scavo di una trincea a valle idrogeologico del terreno da bonificare, che viene riempita con un materiale reattivo (capace cioè di degradare gli inquinanti a sostanze non tossiche, o meno tossiche); i moti di falda portano l'acqua inquinata a transitare attraverso la barriera, nella quale avvengono reazioni di ossidoriduzione che riducono la concentrazione di alcuni inquinanti.
==Descrizione==


== Materiali utilizzati ==
La [[pompa di calore]] permette di scambiare il calore tra una “sorgente” a temperatura inferiore rispetto al “pozzo”, ovvero il punto dove si immette il calore. In un impianto di riscaldamento, l’edificio (più esattamente: il circuito dei terminali di riscaldamento dell’edificio) rappresenta il “pozzo caldo”; viceversa, in un impianto di condizionamento l’edificio è la “sorgente fredda” dalla quale viene estratto il calore. Il vantaggio economico ed energetico della pompa di calore è dato dal rapporto tra il calore immesso o estratto dall’edificio e il consumo di energia (solitamente elettrica, oppure calore in una [[pompa di calore ad assorbimento]]), detto COP ([[coefficiente di prestazione]]), un rapporto compreso fra 3 e 6 per le pompe di calore geotermiche.<ref>{{Cita web|url=http://www.energysavers.gov/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12640 |titolo=Energy Savers: Geothermal Heat Pumps |editore=Energysavers.gov |data= |accesso=30 marzo 2011}}</ref>


I materiali reattivi utilizzati sono: ferro zerovalente, leghe bimetalliche, zeoliti, carboni attivi, carbonati e idrossidi di calcio, torba.
Il suolo rappresenta per la pompa di calore una “sorgente” (quando essa lavora in riscaldamento) o un “pozzo” (in modalità raffrescamento) di calore. Rispetto all’aria atmosferica, che è la sorgente adoperata dalle pompe di calore aerotermiche, la temperatura del suolo ad una certa profondità subisce variazioni annuali molto più contenute: a profondità di 5-10 m la temperatura del suolo è pressoché costante tutto l’anno ed è equivalente all’incirca alla temperatura media annuale dell’aria, ovvero circa 10-16 °C.<ref>{{Cita web|url=http://www1.eere.energy.gov/geothermal/geothermal_basics.html |titolo=Geothermal Technologies Program: Geothermal Basics |editore=US Department of Energy |data= |accesso=30 marzo 2011}}</ref>
Ciò significa che il suolo, rispetto all’aria, è più caldo d’inverno e più fresco d’estate, a vantaggio del rendimento della pompa di calore.


La scelta del materiale dipende dal tipo di composti chimici presenti nell'acqua di falda: sorgenti organici clorurati, nitrati, sostanze radioattive ecc.
Lo scambio di calore con il sottosuolo può avvenire in tre modi:
* ''scambio diretto'', dove il circuito dell’evaporatore/condensatore della pompa di calore è a diretto contatto con il sottosuolo;
* ''impianti a circuito chiuso'', dove la pompa di calore effettua lo scambio termico col suolo indirettamente, a mezzo di un circuito idraulico nel quale scorre un fluido termovettore;
* ''impianti a circuito aperto'', nei quali viene prelevata acqua di [[falda idrica|falda]] sulla quale viene effettuato lo scambio termico.


Il materiale più utilizzato e che presenta le applicazioni più interessanti è il ferro zerovalente (Zero Valent Iron, ZVI), per la sua capacità di ridurre i composti organici clorurati - come il TCE ([[tricloroetilene]] o trielina), DCE ([[dicloroetilene]]) e il VC ([[vinilcloruro]]) - a composti meno tossici e pericolosi, operando la riduzione del cloro presente nei composti con la contemporanea ossidazione del ferro <ref>{{Cita pubblicazione| autore = Gillham R. W., O’ Hannesin S. F.
In climi freddi, dove il carico termico dell’edificio è sbilanciato a favore del riscaldamento, il suolo potrebbe raffreddarsi per via del prelievo di calore: è però possibile accoppiare la pompa di calore geotermica a un impianto di [[pannello solare termico|pannelli solari termici]] e immagazzinare nel suolo il calore accumulato in estate.
| titolo = Enhanced degradation of halogenated aliphatics by zero valent iron | rivista=Ground Water
| volume=32 (6) | anno = 1994 | url = http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1745-6584.1994.tb00935.x/abstract | format=abstract | doi=10.1111/j.1745-6584.1994.tb00935.x
| pagine= pp. 958-967}}</ref>
.


Il materiale utilizzato nelle barriere ZVI è il ferro microscopico, con una granulometria compresa tra 0.25 e 2 mm; la superficie specifica di questo materiale è di 0.3 mq/g.
Altri nomi per le pompe di calore geotermiche sono “sistemi di geoscambio”, “impianti closed/open loop”, “geotermia superficiale” ecc.
Con dimensioni più ridotte sarebbe possibile ottenere superfici specifiche maggiori, ma ciò andrebbe a svantaggio della conducibilità idraulica, che è un parametro critico in questo tipo di opere.
Il nome “geotermia a bassa entalpia” deriva dalla definizione, data dal D.Lgs. 22/2010, dei fluidi estratti dal sottosuolo per la produzione di calore e/o elettricità: al di sotto dei 90 °C si parla di fluidi a bassa entalpia.


È importante lo studio delle cinetiche di reazione all'interno della barriera (che può essere condotto con prove in reattore batch chiuso o di trasporto in colonna, utilizzando preferibilmente acqua di falda), considerando i tempi di dimezzamento delle sostanze (che presentano per lo più cinetiche di degradazione del primo ordine) e le concentrazioni massime in uscita, per il dimensionamento dello spessore della barriera e della quantità di reagente necessario.
I costi di installazione dell’impianto sono molto maggiori, rispetto alle soluzioni convenzionali (caldaia a metano o gasolio), tuttavia i minori costi di mantenimento permettono un recupero dell’investimento in tempi inferiori a 10 anni, con una vita dell’impianto non inferiore a 25 anni.<ref>{{Cita web|url=http://apps1.eere.energy.gov/consumer/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12640 |titolo=Energy Savers: Geothermal Heat Pumps |editore=Apps1.eere.energy.gov |data=24 febbraio 2009 |accesso=8 giugno 2009}}</ref>
Nel 2010, in Europa, erano operative circa 1 milione di pompe di calore geotermiche in 19 Stati.<ref>{{Cita web|url=http://www.eurobserv-er.org/pdf/baro205.asp|titolo=Eurobserv’er: heat pump barometer|editore=Eurobserv’er |data=2011 |accesso=2 marzo 2012}}</ref>


== Tipologie costruttive ==
==Storia==
La pompa di calore fu teorizzata da [[William Thomson|Lord Kelvin]] nel 1853 e sviluppata da [[Peter Ritter von Rittinger]] nel 1855. Le pompe di calore aerotermiche si diffusero presto in Europa e Stati Uniti. Nel 1912, l’ingegnere svizzero Heinrich Zoelly inventò la prima pompa di calore geotermica. A fine anni Quaranta, Robert C. Webber inventò la prima pompa di calore a scambio diretto.<ref>{{Cita web |url= http://www.igshpa.okstate.edu/about/about_us.htm|titolo=History |accesso=24 marzo 2009 |opera=About Us |editore=International Ground Source Heat Pump Association}}</ref>
Nel 1946 fu installata una pompa di calore geotermica nel [[Commonwealth Building (Portland, Oregon)]]. Gli impianti a circuito aperto dominarono questa nicchia di mercato fino a quando, nel 1979, lo sviluppo del polibutilene per le tubazioni rese economicamente realizzabili gli impianti a circuito chiuso. Dopo la crisi petrolifera del 1973, la geotermia a bassa entalpia cominciò a diffondersi, soprattutto in Svezia e in Germania dove, nel 1980, fu installato il primo impianto a [[sonda geotermica|sonde geotermiche]]. Nel 2004, nel mondo erano presenti circa un milione di impianti geotermici a bassa entalpia, con una potenza totale di 12 GW.<ref name="world">{{Cita news | cognome =Lund | nome =J. | last2 =Sanner | first2 =B. | last3 =Rybach | first3 =L. | last4 =Curtis | first4 =R. | last5 =Hellström | first5 =G. |data = settembre 2004| titolo =Geothermal (Ground Source) Heat Pumps, A World Overview | periodical =Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin | publication-place =Klmath Falls, Oregon | editore =Oregon Institute of Technology | volume =25 | issue =3 | pagine =1–10 | url =http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull25-3/art1.pdf | issn =0276-1084 | accesso=21 marzo 2009 | postscript =<!--None-->}}</ref>


La trincea riempita con il reagente può essere rettilinea (trincea continua) o avere ai lati due barriere impermeabili che incanalano il flusso (funnel and gate).
==Scambiatore di calore al suolo==
[[Image:Pond Loop Close Up.jpg|thumb|right|Impianto geotermico a circuito chiuso orizzontale]]


Un'ulteriore alternativa è l'inserimento, all'interno di una barriera impermeabile, di alcune colonne di reagente che lavorano come reattori interrati (reactive vessel).
Le pompe di calore geotermiche forniscono (o sottraggono) calore all'edificio, scambiandolo con il suolo a basse profondità (1-200 m). I componenti dell’impianto sono quindi tre: [[scambiatore di calore]] al suolo, pompa di calore e terminali di riscaldamento/raffrescamento.


Ad esclusione della [[Germania]], la tipologia di barriera più impiegata rimane la trincea continua, che ha il vantaggio di non alterare il flusso di falda.
Come ricordato poc'anzi, gli scambiatori di calore al suolo si dividono in tre categorie:
* scambio diretto;
* circuito chiuso;
* circuito aperto.


È fondamentale evitare la formazione di flussi preferenziali, che porterebbero all'aggiramento della barriera da parte del plume inquinante oppure al sovrasfruttamento di parte della barriera, a svantaggio di un'altra.
Gli scambiatori possono avere diverse configurazioni, classificate per tipo di fluido e per schema. Negli impianti a scambio diretto, il circuito del refrigerante della pompa di calore è a diretto contatto con il suolo; negli impianti a circuito chiuso viene fatto circolare un fluido contenente acqua e additivi antigelo; gli impianti a circuito aperto operano lo scambio termico sull’acqua di falda.


La profondità di scavo, con le tecniche attualmente disponibili, non può superare i 25-30 m: ciò rappresenta un limite di applicazione per questa tecnologia.
===Scambio diretto===
{{Main|Pompa di calore geotermica a scambio diretto}}


Generalmente la trincea viene scavata con una escavatrice a braccio rovescio, ma è stato sperimentato con successo l'utilizzo di una benna mordente <ref>
Nella pompa di calore geotermica a scambio diretto, lo scambio termico avviene con il terreno. Il refrigerante in uscita dalla pompa di calore, circolando in una tubazione inserita a diretto contatto con il terreno, scambia calore con esso, e ritorna alla pompa di calore. Il nome “scambio diretto” implica quindi l’assenza di un circuito (e di un fluido) intermedio tra terreno e pompa di calore. Non vi sono però interazioni dirette tra refrigerante e terreno, se non lo scambio termico, e nel circuito di scambio con il terreno non circola acqua.
{{Cita pubblicazione | autore = Di Molfetta A., Sethi R.| titolo = Clamshell excavation of a permeable reactive barrier | rivista= Environmental Geology
| volume= 50 (3) | anno = 2006
| url = http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00254-006-0215-3
| format=abstract | doi=10.1007/s00254-006-0215-3
| pagine= pp. 361-369}}</ref>
.


Durante lo scavo, le pareti devono essere sostenute con un palancolato affinché non crollino.
Gli impianti a scambio diretto sono molto più efficienti rispetto a quelli a circuito chiuso. Ciò è dovuto all’assenza di un circuito intermedio (ciascuno scambiatore comporta comunque delle perdite) e dall’elevata conducibilità termica dei tubi di [[rame]] utilizzati per lo scambiatore, che per contro sono molto più costosi rispetto ai tubi in [[HDPE]] utilizzati nelle [[sonda geotermica|sonde geotermiche]]. In confronto alle sonde geotermiche, la lunghezza richiesta è inferiore del 70-85% e il diametro dei tubi è circa la metà. È richiesto un maggior controllo di qualità sui tubi, perché il gas refrigerante potrebbe fuoriuscire anche da crepe molto piccole. Il rame deve essere protetto dalla corrosione in suoli acidi con una protezione catodica o con un anodo sacrificale.


== Applicazioni pratiche ==
In alcuni Paesi europei, questi impianti non sono più ammessi, a causa del rischio di fuoriuscita di lubrificante del compressore della pompa di calore.
Al 2005, le barriere installate in tutto il mondo sono circa 50, di cui una quarantina in [[USA]] e [[Canada]].
In Europa questa tecnologia è diffusa soprattutto in [[Germania]].


In [[Italia]] è presente una barriera permeabile reattiva, che utilizza il ferro zerovalente, ad [[Avigliana]]. È stata costruita nel 2004-2005 per la bonifica di un sito contaminato nei pressi di una industria siderurgica, molto vicino al fiume [[Dora Riparia]] <ref> {{Cita pubblicazione | cognome = Di Molfetta A., Sethi R. | titolo = Ingegneria degli acquiferi
===Circuito chiuso===
| url = http://www.springer.com/engineering/civil+engineering/book/978-88-470-1850-1
La maggior parte degli impianti geotermici a bassa entalpia è composta da tre circuiti:
| editore = Springer | ISBN = 9788847018501 | anno = 2012}}</ref>
* circuito di climatizzazione;
.
* circuito primario della pompa di calore;
* circuito secondario di scambio termico col suolo.


Nella costruzione è stata utilizzata una tecnica di scavo con benna mordente, che ha permesso di contenere di molto i tempi e i costi <ref>{{Cita pubblicazione
Il circuito secondario è solitamente in [[politetilene ad alta densità]], all’interno del quale si utilizzano miscele di acqua e antigelo ([[glicole propilenico]], [[glicole etilenico]], [[alcol denaturato]], [[metanolo]] o [[cloruro di calcio]]).
| autore = Di Molfetta A., Sethi R.
Il glicole etilenico è economico, ma è tossico anche a basse concentrazioni; la pur remota possibilità di un suo sversamento in falda ha spinto molte autorità di controllo a proibirne l’utilizzo. Il glicole propilenico ha sostituito in molti casi quello etilenico, pur essendo più caro e meno efficiente energeticamente. Il metanolo e l’alcol denaturato sono infiammabili e pertanto il loro utilizzo è sconsigliabile. Negli ultimi anni si sta affermando l’utilizzo di soluzioni di cloruro di calcio, per via della maggiore economicità e della minore viscosità, che riduce il consumo energetico per la pompa di circolazione (che mediamente è pari a circa 1/10 del consumo della pompa di calore); si rendono però necessarie componenti idrauliche speciali anti-corrosione. Una particolare importanza è inoltre rivestita dal materiale di riempimento della sonda (grout geotermico) e in particolare dalla sua [conducibilità termica] <ref>{{Cita pubblicazione| autore = Casasso A., Sethi R.| titolo = Efficiency of closed loop geothermal heat pumps: A sensitivity analysis| rivista= Renewable Energy| volume= 62| anno = 2014| url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148113004217| format=abstract| doi= 10.1016/j.renene.2013.08.019| pagine= pp. 737-746}}</ref>.
| titolo = Clamshell excavation of a permeable reactive barrier
| rivista= Environmental Geology
| volume= 50 (3) | anno = 2006
| url = http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00254-006-0215-3
| format=abstract | doi=10.1007/s00254-006-0215-3
| pagine= pp. 361-369}}</ref>
.


Negli ultimi anni è stato proposto l'utilizzo del ferro zerovalente microscopico e nanoscopico per il trattamento in prossimità della sorgente contaminante. Tale materiale è caratterizzato da dimensioni estremamente ridotte e quindi da un'elevata reattività, sebbene sia necessario iniettarlo con altri composti che le mantengano in sospensione, per evitare l'aggregazione delle particelle <ref >{{Cita pubblicazione | autore = Tiraferri A., Sethi R. | titolo = Enhanced transport of zerovalent iron nanoparticles in saturated porous media by guar gum | rivista= Journal of Nanoparticle Research
La pompa di circolazione può essere esterna o inclusa all’interno della pompa di calore.
| volume= 11 (3) | anno = 2009 | url = http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11051-008-9405-0 | format=abstract | doi= 10.1007/s11051-008-9405-0 | pagine= pp. 635 -645}}
Nel circuito secondario sono inoltre presenti [[vaso di espansione|vasi di espansione]] e [[valvola di sicurezza|valvole di sicurezza]] per il controllo della pressione
</ref>{{Cita pubblicazione
| autore = Tiraferri A., Chen K. L., Sethi R., Elimelech M.
| titolo = Reduced aggregation and sedimentation of zero-valent iron nanoparticles in presence of guar gum
| rivista= Journal of Colloid and Interface Science
| volume= 324 (1-2) | anno = 2008
| url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979708005328
| format=abstract | doi= 10.1016/j.jcis.2008.04.064
| pagine= pp. 71-79}}</ref>
.
Può essere inoltre iniettato direttamente in falda mediante l'utilizzo di strumentazione ad infissione diretta.


== Vantaggi ==
[[Image:Pump Pack.jpg|thumb|right|Pompa di circolazione del circuito secondario]]
* l'impianto è completamente interrato, con un minore impatto visivo rispetto ad altre tecniche;
* il consumo di energia è limitato alla costruzione e ad alcune operazioni di manutenzione, mentre il funzionamento è basato sul deflusso naturale della falda;
* è possibile trattare aree molto vaste;
* dopo l'installazione, il sito torna ad essere fruibile;
* i costi di gestione sono ridotti.


== Svantaggi ==
Il circuito chiuso può essere installato orizzontalmente a profondità di 1-3m, oppure verticalmente in una perforazione effettuata appositamente ([[sonda geotermica verticale|sonde geotermiche]]) oppure in un [[palo di fondazione]] (pali geotermici).
* si effettua una depurazione sul plume di inquinante ma non sulla sorgente;
* può rendersi necessaria una rigenerazione del reagente: per il ferro zerovalente è stato proposto l'utilizzo di ultrasuoni.


== Note ==
====Circuito chiuso verticale====
{{references|1}}
{{Main|Sonda geotermica verticale}}
Un circuito chiuso verticale è composto da due o più tubi installati verticalmente nel terreno, che formano un circuito chiuso nel quale scorre il fluido termovettore. La lunghezza della perforazione può essere compresa tra 20 e 200m.
La perforazione può essere effettuata appositamente ([[sonda geotermica verticale]]), o per un palo di fondazione (pali geotermici o energy piles).


Le sonde geotermiche possono avere configurazione a U (due tubi, mandata e ritorno, collegati al fondo), a doppia U oppure coassiale (due tubi concentrici, con la mandata nel tubo interno e il ritorno nell’anello esterno, o viceversa). All’interno del perforo, lo spazio attorno ai tubi è solitamente riempito con un [[grouting]] geotermico, ovvero un [[calcestruzzo]] preparato con inerti silicei e additivi ad elevata conducibilità termica.

Le sonde geotermiche sono molto utilizzate là dove non c’è spazio sufficiente per un impianto a circuito chiuso orizzontale, o una falda idrica sfruttabile per un impianto a circuito aperto. Nei campi sonde, la distanza tra le perforazioni è compresa tra 5 e 10m.
Indicativamente, le sonde geotermiche sono in grado di fornire una potenza compresa tra 40 e 70 W per metro di perforazione.

Nei pali geotermici, invece, il circuito idraulico è inserito all’interno di un [[palo di fondazione]]. In questo modo è possibile limitare i costi d’installazione, poiché la perforazione non è effettuata appositamente per le sonde. Per contro, il rendimento dell’impianto è inferiore, sia per la minore conducibilità termica dei terreni argillosi nei quali si usa questo tipo di fondazione, sia per la presenza di lunghe tubazioni orizzontali superficiali di distribuzione del fluido, che comportano perdite termiche consistenti. Un esempio molto noto di queste installazioni è l’aeroporto di Zurigo.<ref>{{Cita web|url=http://www.fierabolzano.it/klimaenergy/mod_moduli_files/Belliardi.pdf
|titolo=Il Dock Midfield dell’aeroporto di Zurigo: heating and cooling dalla geotermia di grandi infrastrutture |editore=SUPSI|data= |accesso=5 marzo 2012}}</ref>
Le profondità dei pali termici oscillano tra 10 e 30m; il rendimento è compreso tra 15 e 30 W per metro di perforazione, circa la metà del rendimento delle sonde geotermiche.

====Circuito chiuso orizzontale====
[[Image:3-ton Slinky Loop.jpg|thumb|right|Impianto a circuito chiuso orizzontale, prima di essere ricoperto con il terreno di riporto]]

Il circuito chiuso può essere posato orizzontalmente in una trincea, posta a profondità maggiori di quelle alla quale si può verificare il congelamento del terreno. Il tubo può essere lineare o a spirale (earth coils); un’altra configurazione usata talvolta è il basket geotermico, ovvero una tubazione a spirale di altezza 2-3 m, inserita nel terreno. La potenza scambiabile dipende dalla lunghezza della tubazione e dall’area occupata: indicativamente, la potenza scambiabile con il terreno è di 15-40 W/mq. Indicativamente, una casa con carico di punta di 10 kW, richiede tre tubazioni DN20 o DN 32 lunghe 120-180 m.<ref name=Chiasson1999>{{Cita pubblicazione | titolo = Advances in modeling of ground source heat pump systems | url = http://www.solis.pl/index.php/content/download/375/1291/file/GROUND%20SOURCE%20HEAT.pdf | anno = 1999 | autore = Chiasson, A.D. | publisher = Oklahoma State University
| accesso=23 aprile 2009 | postscript = <!--None-->}}</ref>

I tubi sono installati a 1-3 m di profondità: maggiore è la profondità di installazione, maggiore sarà l’inerzia termica e migliore il rendimento della pompa di calore. Rispetto alle sonde geotermiche verticali, il rendimento della pompa di calore è più basso, tuttavia i minori costi di installazione rendono comunque competitiva questa soluzione.
Una variante del circuito chiuso orizzontale sono gli impianti installati in piccoli stagni, che sfruttano l’inerzia termica dell’acqua.

[[Image:Pond Loop Being Sunk.jpg|thumb|right|Impianto a circuito chiuso orizzontale installato in uno stagno]]

===Open loop===
In un circuito aperto, lo scambio termico avviene con l’acqua di falda o, più raramente, proveniente da corpi idrici superficiali (fiumi e laghi).
L’acqua prelevata può essere reimmessa in un corpo idrico superficiale, oppure nello stesso acquifero da cui è stata estratta, tramite trincee drenanti o pozzi. I due pozzi (prelievo e reimmissione) devono essere installati a una distanza sufficiente, in modo da evitare la cortocircuitazione termica, che si verifica quando l’acqua termicamente alterata dal pozzo di reimmissione (plume termico) raggiunge il pozzo di prelievo.

Il vantaggio, rispetto agli impianti a circuito chiuso, sono:
* maggiore rendimento della pompa di calore: l’acqua prelevata, infatti, non risente dello scambio termico (a differenza del terreno attorno a una sonda, nel quale si forma un gradiente termico), fino a quando non avviene la cortocircuitazione termica;
* soprattutto per gli impianti di grande potenza, minore costo di installazione e minori spazi occupati, rispetto agli impianti a sonde geotermiche e ancor più rispetto agli impianti a circuito chiuso orizzontale.

Lo svantaggio principale di questi impianti è il rischio di formazione di cricche e incrostazioni, che accorciano la vita utile dell’impianto. Per questo motivo, l’installazione di impianti geotermici a circuito aperto è sconsigliata in presenza di alti contenuti di sali disciolti.

====Standing column well====
Le ''standing column well'' sono un particolare sistema a circuito aperto, nel quale si utilizza lo stesso pozzo per il prelievo a la reimmissione. L’acqua viene infatti prelevata al fondo del pozzo e, dopo lo scambio termico con la pompa di calore, reimmessa nella parte superiore del pozzo. Scendendo poi verso il fondo del pozzo, l’acqua scambia calore con la roccia circostante.<ref>{{Cita news | cognome =Orio | nome =Carl D. | last2 =Johnson | first2 =Carl N. | last3 =Rees | first3 =Simon J. | last4 =Chiasson | first4 = A. | last5 =Deng | first5 =Zheng | last6 =Spitler | first6 =Jeffrey D. | anno =2004 | titolo =A Survey of Standing Column Well Installations in North America | periodical =ASHRAE Transactions | editore =ASHRAE | volume =11 | issue =4 | pagine =637–655 | url=http://www.hvac.okstate.edu/research/Documents/Orio_Johnson_Rees_Chiasson_Deng_Spitler_05.pdf | accesso=25 marzo 2009 | postscript =<!--None-->}}</ref>
Esistono numerose applicazioni di questa tecnologia a [[New York]] e nel [[New England]].

==Pompa di calore e terminali di climatizzazione==
[[Image:Water to Air Heat Pump.jpg|thumb|left|Pompa di calore acqua-aria]]
[[Image:Water to Water Heat Pump.jpg|thumb|right|Pompa di calore liquido-acqua]]

La pompa di calore è l’unità centrale degli impianti geotermici a bassa entalpia. Con la stessa macchina è possibile effettuare il riscaldamento e il raffrescamento dell’edificio, produrre [[acqua calda sanitaria]] e alimentare serpentine per lo scioglimento di ghiaccio e neve (ad es. per rampe dei garage).

Il trasporto del calore all’interno dell’edificio può avvenire tramite aria o liquido.
I terminali di climatizzazione più adatti per le pompe di calore geotermiche sono i [[pannelli radianti]], perché lavorano a temperature più basse in riscaldamento e più alte in raffrescamento, garantendo quindi maggiori rendimenti della pompa di calore. È comunque possibile utilizzare i [[ventilconvettore|ventilconvettori]]: bisogna però tenere conto del fatto che, viste le minori temperature del fluido raggiungibili con la pompa di calore, in caso di retrofit di un impianto esistente è necessario aumentare la portata del fluido e quindi la sezione dei tubi di distribuzione.

==Underground/Aquifer Thermal Energy Storage==
[[Image:HeatAndColdStorageWithHeatPump.svg|thumb|right|Pompa di calore con stoccaggio del caldo e del freddo]]
In climi freddi, dove il consumo energetico per il riscaldamento è molto superiore rispetto a quello per il condizionamento, il bilancio energetico del suolo può essere deficitario, portando ad un suo progressivo raffreddamento, con conseguente riduzione del rendimento della pompa di calore. Un modo per rimediare a questo inconveniente è lo stoccaggio di calore nel sottosuolo, utilizzando a tale scopo dei [[pannello solare termico|pannelli solari termici]] che ricevono calore dal sole e, senza l’ausilio della pompa di calore, immettono calore nel sottosuolo, innalzandone la temperatura. In questo modo, durante l’inverno, la pompa di calore lavorerà con un rendimento più elevato.<ref>{{Cita web|url=http://www.icax.co.uk/interseasonal_heat_transfer.html |titolo=Interseasonal Heat Transfer |editore=Icax.co.uk |data= |accesso=16 settembre 2011}}</ref>
Questa soluzione si chiama Underground Thermal Energy Storage (UTES) o, nel caso di impianti a circuito aperto, Aquifer Thermal Energy Storage (ATES).<ref name=vlaanderen>{{Cita libro |cognome=Van Passel|nome=Willy|last2=Sourbron|first2=Maarten|last3=Verplaetsen|first3=Filip |last4=Leroy|first4=Luc |last5=Somers|first5=Yvan |last6=Verheyden|first6=Johan |last7=Coupé|first7=Koen|curatore=Organisatie voor Duurzame Energie Vlaanderen|titolo=Warmtepompen voor woningverwarming|url=http://www2.vlaanderen.be/economie/energiesparen/doc/brochure_warmtepomp.pdf|formato=PDF|datadiaccesso=23 marzo 2009|pagine=28}}</ref>

==Efficienza energetica==
Il COP di una pompa di calore geotermica varia fra 3 e 6: ciò significa che, per ciascun kWh elettrico consumato, vengono prodotti 3-6 kWh termici. Il rendimento di energia primaria del sistema di generazione di energia elettrica in Italia è di circa il 40%: ciò significa che, per produrre 1 kWh elettrico, è necessario consumare 1/0.4 = 2.5 kWh termici.
Di conseguenza, una pompa di calore geotermica è in grado di produrre da 3 a 6 kWh termici consumando 2.5 kWh termici (che, a loro volta, sono serviti per produrre 1 kWh di energia elettrica). Il rendimento di energia primaria di una pompa di calore geotermica è quindi variabile tra il 120% e il 240%, mentre le migliori caldaie a condensazione raggiungono rendimenti del 90%. Una pompa di calore geotermica, confrontata con una caldaia a condensazione, permette quindi un risparmio energetico compreso tra il 25% e il 62.5%.

Il COP della pompa di calore dipende in gran parte dalle temperature dei due termostati (fluido del circuito di scambio al suolo e fluido dell’impianto di climatizzazione): minore è la loro differenza, più alto è il COP. Di conseguenza, i terminali di climatizzazione che permettono le maggiori performance sono i pannelli radianti, che lavorano a <29 °C in riscaldamento e a 16 °C in raffrescamento, seguiti dai ventilconvettori (45 °C in riscaldamento e 7 °C in raffrescamento).

==Aspetti ambientali==
Secondo l’agenzia di protezione ambientale statunitense ([[EPA]]), le pompe di calore geotermiche sono il sistema di climatizzazione più efficiente, meno inquinante e più conveniente economicamente.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome= Environmental Protection Agency|titolo= Space Conditioning: The Next Frontier - Report 430-R-93-004|publisher= EPA|anno= 1993}}</ref>
Uno dei più grandi vantaggi è sicuramente l’assenza di emissioni sul posto, che rende questi impianti adatti alle aree urbane. Le emissioni di [[gas serra]] avvengono però nella fase di generazione dell’energia elettrica, e dipendono quindi dal mix energetico adottato da ciascun Paese. In [[Svezia]], per esempio, la produzione di energia elettrica avviene solo per il 2% con [[combustibili fossili]], pertanto l’adozione di pompe di calore geotermiche permette riduzioni della CO_2 emessa di circa il 65-77%; in [[Polonia]], dove il [[carbone]] è ancora ampiamente utilizzato nelle [[centrale termoelettrica|centrali termoelettriche]], gli impianti di geoscambio causano più emissioni climalteranti rispetto alle caldaie a metano o gasolio. In Italia, il risparmio di emissioni rispetto ai combustibili fossili è di circa il 30% . Un altro impatto potenzialmente significativo è la fuoriuscita del refrigerante della pompa di calore: nonostante i [[CFC]] siano stati aboliti a causa del loro effetto di alterazione dell’ozono, i fluidi utilizzati al loro posto ([[HFC]]) hanno ancora un elevatissimo potere di effetto serra (GWP), pari anche a più di 1000 volte quello della CO_{2}. Ciononostante, visti i limitati quantitativi di refrigerante contenuti nella pompa di calore, questo impatto ambientale è marginale rispetto alla produzione di [[anidride carbonica]].<ref> {{Cita pubblicazione |autore= Saner D., Juraske R., Kubert M., Blum P., Hellweg S., Bayer P.|anno= 2010|titolo= “Is it only CO_2 that matters? A life cycle perspective on shallow geothermal systems” |rivista= Renewable and Sustainable Energy Reviews |volume= 14 |numero= 7|pagine= 1798-1813 |publisher= Elsevier|doi= 10.1016/j.rser.2010.04.002 |id=PMID |pmc= |url= |accesso= }}</ref>
Un potenziale impatto ambientale è rappresentato dalla fuoriuscita del fluido termovettore delle sonde geotermiche: tuttavia, viste le modeste quantità utilizzate e l’utilizzo di fluidi a bassa tossicità, questo impatto è pressoché trascurabile.

Gli impianti a circuito aperto possono provocare un depauperamento degli acquiferi, la contaminazione tra acquiferi differenti e, in alcuni casi, anche subsidenza.<ref>{{Cita news |url= http://www.spiegel.de/international/zeitgeist/0,1518,541296,00.html
|accesso=24 febbraio 2009 |titolo= Buildings Crack Up as Black Forest Town Subsides |data=19 marzo 2008 |nome= Mark |cognome= Waffel |journal= Spiegel Online International |editore= [[Der Spiegel]]}}</ref>

==Aspetti economici==
Le pompe di calore geotermiche sono caratterizzate da alti costi di installazione e bassi costi di mantenimento. Di conseguenza, esse rappresentano un investimento a medio-lungo termine.

In generale, il risparmio sui costi di mantenimento dell’impianto oscillano tra il 20 e il 60%, rispetto ad impianti tradizionali a combustibili fossili<ref name="economics">{{Cita pubblicazione | cognome =Lienau | nome =Paul J. | last2 =Boyd | first2 =Tonya L. | last3 =Rogers | first3 =Robert L. |data = aprile 1995| titolo =Ground-Source Heat Pump Case Studies and Utility Programs | place =Klamath Falls, OR | publisher =Geo-Heat Center, Oregon Institute of Technology | url =http://geoheat.oit.edu/pdf/hp1.pdf | accesso=26 marzo 2009 | postscript =<!--None-->}}</ref>

Per quanto riguarda i tempi di ritorno dell’investimento, non esistono molti dati al riguardo, tuttavia mediamente essi sono inferiori ai 10 anni e dipendono da:
* dimensioni installazione: soprattutto negli impianti a circuito aperto si hanno consistenti risparmi su impianti più grandi (economie di scala);

* costi di installazione: nei mercati più maturi, come nel Nord Europa, i costi di trivellazione ed installazione (soprattutto per gli impianti a circuito chiuso) sono inferiori;

* costo dell’energia elettrica e dei combustibili fossili: il mix energetico per la produzione di energia elettrica, la concorrenza tra gli operatori, la tassazione e le accise sui carburanti determinano forti differenze tra un Paese e l’altro;

* incentivi, sgravi fiscali, finanziamenti agevolati.

Anche le pompe di calore geotermiche possono essere installate dalle [[Energy service company|ESCO]], società che si caricano dei costi di installazione di interventi di efficienza energetica, condividendo i guadagni derivati dal risparmio energetico.

==Incentivi Fiscali==
Se vengono installati impianti di condizionamento a pompa di calore, in sostituzione di impianto tradizionali esistenti, è possibile usufruire di incentivi fiscali (detrazioni fiscali per la riqualificazione energetica degli edifici, pari al 65% della spesa effettuata) o del Conto Energia Termico.


== Voci correlate ==
== Voci correlate ==
* [[Pompa di calore]]
*[[Bonifica dei suoli]]
* [[Coefficiente di prestazione|COP]]
* [[Sonda geotermica verticale]]
* [[Geotermia]]
* [[Energia rinnovabile]]
* [[Energia geotermica]]
* [[Centrale geotermica]]
* [[Centrale geotermoelettrica]]

==Note==
{{Reflist|2}}

==Collegamenti esterni==
* [http://apps1.eere.energy.gov/consumer/your_home/space_heating_cooling/index.cfm/mytopic=12640 Geothermal Heat Pumps] ([[EERE]]/[[USDOE]]).
* [http://www.toolbase.org/Technology-Inventory/HVAC/geothermal-heat-pumps#initialcost Cost calculation]
* [http://geoexchange.org Geothermal Heat Pump Consortium]
* [http://www.igshpa.okstate.edu/ International Ground Source Heat Pump Association]
* [http://www.gshp.org.uk/ Ground Source Heat Pump Association] (GSHPA)

{{portale|energia|ingegneria}}


{{Portale|ecologia e ambiente|Ingegneria}}
[[Categoria:Tecnologie ambientali]]


[[Categoria:Bonifica]]
[[de:Wärmepumpenheizung]]
[[en:Ground source heat pump]]
[[es:Climatización geotérmica]]
[[fi:Maalämpö]]
[[fr:Pompe à chaleur#Pompe .C3.A0 chaleur g.C3.A9othermique]]
[[ja:地中熱]]
[[nl:Koude-warmte-opslag]]
[[ro:Pompă de căldură geotermală]]
[[sv:Markvärme]]

Versione delle 10:06, 30 set 2013

La barriera reattiva permeabile è una tecnica di bonifica di siti contaminati.

Il principio di funzionamento si basa sullo scavo di una trincea a valle idrogeologico del terreno da bonificare, che viene riempita con un materiale reattivo (capace cioè di degradare gli inquinanti a sostanze non tossiche, o meno tossiche); i moti di falda portano l'acqua inquinata a transitare attraverso la barriera, nella quale avvengono reazioni di ossidoriduzione che riducono la concentrazione di alcuni inquinanti.

Materiali utilizzati

I materiali reattivi utilizzati sono: ferro zerovalente, leghe bimetalliche, zeoliti, carboni attivi, carbonati e idrossidi di calcio, torba.

La scelta del materiale dipende dal tipo di composti chimici presenti nell'acqua di falda: sorgenti organici clorurati, nitrati, sostanze radioattive ecc.

Il materiale più utilizzato e che presenta le applicazioni più interessanti è il ferro zerovalente (Zero Valent Iron, ZVI), per la sua capacità di ridurre i composti organici clorurati - come il TCE (tricloroetilene o trielina), DCE (dicloroetilene) e il VC (vinilcloruro) - a composti meno tossici e pericolosi, operando la riduzione del cloro presente nei composti con la contemporanea ossidazione del ferro [1] .

Il materiale utilizzato nelle barriere ZVI è il ferro microscopico, con una granulometria compresa tra 0.25 e 2 mm; la superficie specifica di questo materiale è di 0.3 mq/g. Con dimensioni più ridotte sarebbe possibile ottenere superfici specifiche maggiori, ma ciò andrebbe a svantaggio della conducibilità idraulica, che è un parametro critico in questo tipo di opere.

È importante lo studio delle cinetiche di reazione all'interno della barriera (che può essere condotto con prove in reattore batch chiuso o di trasporto in colonna, utilizzando preferibilmente acqua di falda), considerando i tempi di dimezzamento delle sostanze (che presentano per lo più cinetiche di degradazione del primo ordine) e le concentrazioni massime in uscita, per il dimensionamento dello spessore della barriera e della quantità di reagente necessario.

Tipologie costruttive

La trincea riempita con il reagente può essere rettilinea (trincea continua) o avere ai lati due barriere impermeabili che incanalano il flusso (funnel and gate).

Un'ulteriore alternativa è l'inserimento, all'interno di una barriera impermeabile, di alcune colonne di reagente che lavorano come reattori interrati (reactive vessel).

Ad esclusione della Germania, la tipologia di barriera più impiegata rimane la trincea continua, che ha il vantaggio di non alterare il flusso di falda.

È fondamentale evitare la formazione di flussi preferenziali, che porterebbero all'aggiramento della barriera da parte del plume inquinante oppure al sovrasfruttamento di parte della barriera, a svantaggio di un'altra.

La profondità di scavo, con le tecniche attualmente disponibili, non può superare i 25-30 m: ciò rappresenta un limite di applicazione per questa tecnologia.

Generalmente la trincea viene scavata con una escavatrice a braccio rovescio, ma è stato sperimentato con successo l'utilizzo di una benna mordente [2] .

Durante lo scavo, le pareti devono essere sostenute con un palancolato affinché non crollino.

Applicazioni pratiche

Al 2005, le barriere installate in tutto il mondo sono circa 50, di cui una quarantina in USA e Canada. In Europa questa tecnologia è diffusa soprattutto in Germania.

In Italia è presente una barriera permeabile reattiva, che utilizza il ferro zerovalente, ad Avigliana. È stata costruita nel 2004-2005 per la bonifica di un sito contaminato nei pressi di una industria siderurgica, molto vicino al fiume Dora Riparia [3] .

Nella costruzione è stata utilizzata una tecnica di scavo con benna mordente, che ha permesso di contenere di molto i tempi e i costi [4] .

Negli ultimi anni è stato proposto l'utilizzo del ferro zerovalente microscopico e nanoscopico per il trattamento in prossimità della sorgente contaminante. Tale materiale è caratterizzato da dimensioni estremamente ridotte e quindi da un'elevata reattività, sebbene sia necessario iniettarlo con altri composti che le mantengano in sospensione, per evitare l'aggregazione delle particelle [5] Tiraferri A., Chen K. L., Sethi R., Elimelech M., Reduced aggregation and sedimentation of zero-valent iron nanoparticles in presence of guar gum, in Journal of Colloid and Interface Science, 324 (1-2), 2008, pp. pp. 71-79, DOI:10.1016/j.jcis.2008.04.064. </ref> . Può essere inoltre iniettato direttamente in falda mediante l'utilizzo di strumentazione ad infissione diretta.

Vantaggi

  • l'impianto è completamente interrato, con un minore impatto visivo rispetto ad altre tecniche;
  • il consumo di energia è limitato alla costruzione e ad alcune operazioni di manutenzione, mentre il funzionamento è basato sul deflusso naturale della falda;
  • è possibile trattare aree molto vaste;
  • dopo l'installazione, il sito torna ad essere fruibile;
  • i costi di gestione sono ridotti.

Svantaggi

  • si effettua una depurazione sul plume di inquinante ma non sulla sorgente;
  • può rendersi necessaria una rigenerazione del reagente: per il ferro zerovalente è stato proposto l'utilizzo di ultrasuoni.

Note

  1. ^ Gillham R. W., O’ Hannesin S. F., Enhanced degradation of halogenated aliphatics by zero valent iron, in Ground Water, 32 (6), 1994, pp. pp. 958-967, DOI:10.1111/j.1745-6584.1994.tb00935.x.
  2. ^ Di Molfetta A., Sethi R., Clamshell excavation of a permeable reactive barrier, in Environmental Geology, 50 (3), 2006, pp. pp. 361-369, DOI:10.1007/s00254-006-0215-3.
  3. ^ Di Molfetta A., Sethi R., Ingegneria degli acquiferi, Springer, 2012, ISBN 9788847018501.
  4. ^ Di Molfetta A., Sethi R., Clamshell excavation of a permeable reactive barrier, in Environmental Geology, 50 (3), 2006, pp. pp. 361-369, DOI:10.1007/s00254-006-0215-3.
  5. ^ Tiraferri A., Sethi R., Enhanced transport of zerovalent iron nanoparticles in saturated porous media by guar gum, in Journal of Nanoparticle Research, 11 (3), 2009, pp. pp. 635 -645, DOI:10.1007/s11051-008-9405-0.


Voci correlate

  Portale Ecologia e ambiente
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