Mathematical models for the use of low and medium temperature geothermal energy

La presente tesi si basa sullo studio di ricerca dell’energia geotermica, energia continuamente emessa sottoforma di calore dal nostro pianeta, che si propaga dalle zone più profonde della Terra verso la superficie. Le attività di ricerca sono state svolte per valutare differenti aspetti legati all’energia geotermica e più specificamente i modi con cui questa energia può essere estratta. Il presente lavoro è stato effettuato considerando i diversi livelli di temperatura per i quali viene classificata l’energia geotermica: bassa temperatura, media temperatura e alta temperatura, come di seguito descritto in dettaglio. Geotermia a bassa temperatura: questa energia è trasferita dal terreno mediante una pompa di calore utilizzando un fluido termovettore che può essere acqua o una miscela contenente acqua e fluido anticongelante. Per tale tecnologia sono stati analizzati i risultati derivanti dalla prova denominata GRT (Ground Response Test), che permette di valutare la temperatura media del terreno e determina la conduttività termica del terreno stesso ed il coefficiente globale di scambio termico lineare tra il fluido termovettore ed il sottosuolo. L’accuratezza del GRT è stata analizzata per differenti dimensioni cementizia del diametro dello scambiatore di calore al terreno e per differenti velocità dell’acquifero. Le simulazioni sono state eseguite mediante un software che applica il Metodo agli Elementi Finiti (FEM). Successivamente il metodo FEM è stato applicato anche per valutare l’energia e l’analisi strutturale sui pali di fondazione utilizzati come scambiatori di calore a terreno. A tal fine è stato analizzato l’effetto combinato di carichi strutturali con quelli derivanti da sollecitazioni termiche nei periodi di riscaldamento e raffrescamento. I risultati ottenuti sono in accordo sia con le teorie presenti in letteratura che con i dati sperimentali raccolti in bibliografia. Gli studi svolti sulla geotermia a bassa temperatura si concludono con uno studio di confronto in Pianura Padana tra diverse pompe di calore e differenti fluidi termovettori all’interno di un campo di sonde geotermiche. Tale studio ha dimostrato i possibili benefici usando acqua pura come fluido termovettore in quasi tutte le condizioni, visto l’utilizzo delle pompe di calore sia per il riscaldamento che per il raffrescamento, permettendo in tal modo che il terreno si rigeneri tra una stagione e l’altra. L’uso dell’evaporatore allagato in una pompa di calore geotermica permette maggiore attrattiva nei confronti degli impianti geotermici nel prossimo futuro. Geotermia a media temperatura: in questo caso sono stati studiati i sistemi ATES (stoccaggio energetico in acquiferi termali). I sistemi ATES sono un particolare tipo di stoccaggio termico nel quale si usa acqua del sottosuolo con temperature variabili tra 15°C 130°C. I pozzi di estrazione e di reiniezione dovranno essere sufficientemente distanti per evitare il cortocircuito. Questa tecnologia può essere usata anche per acquiferi a bassa temperatura; in questo caso l’acqua dell’acquifero è usata come raffreddamento al condensatore durante il periodo estivo, mentre è raffreddato in inverno per trasferire calore all’evaporatore. I pozzi sono usati alternativamente al fine di accumulare uno stoccaggio di energia frigorifera durante il periodo invernale e uno stoccaggio di energia termica durante il periodo estivo. Il lavoro della tesi è stato focalizzato sull’interferenza termica del pozzo di reiniezione sulle condizioni di temperatura indisturbata lungo l’acquifero, in funzione dello spessore dell’acquifero. I risultati del modello FEM sono stati poi confrontati con la soluzione analitica proposta da vari autori (Carslaw-Jaeger, Lauwerier, Ghassemi). L’obiettivo è valutare la distanza tra i due pozzi così da prevenire l’interferenza termica in funzione dello spessore dell’acquifero. Geotermia ad alta temperatura: consente l’estrazione di vapore secco surriscaldato in assenza di fase liquida (in questo caso è definito “sistema di vapore dominante”) o acqua in fase liquida miscelata a vapore (in questo caso è definito “sistema ad acqua dominante). Generalmente la profondità di questi sistemi è tra 3 km e 15 km in corrispondenza di intrusioni magmatici. Per questi sistemi la ricerca si è concentrata sullo scambio termico tra roccia e acqua, considerandola variazione della temperatura di uscita dell’acqua in funzione del tempo. Inizialmente lo studio si è concentrato sullo scambio di calore all’interno di una singola frattura; l’analisi si è poi estesa al caso di roccia con multiple fratture. Il modello proposto è stato descritto in letteratura mediante metodi analitici, per poi essere confrontato con metodi FEM. I modelli sono stati applicati ad un sito nelle Filippine dove erano disponibili alcuni dati sperimentali