Una soluzione geotermica per il progetto di un complesso residenziale a Sommerach

Nel comune bavarese di Sommerach è stata realizzata una soluzione per 35 lotti di terreno con abitazioni mono e bifamiliari che prevede l'impiego di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili per lo sfruttamento della geotermia di superficie. L'incarico prevedeva la realizzazione di un complesso residenziale con sistemi di riscaldamento e climatizzazione senza produzione di fumi, polveri sottili e rumore. Per conseguire l'obiettivo, l'azienda produttrice di energia elettrica «ÜZ Mainfranken» (unterfränkische Überlandzentrale) ha realizzato un progetto per la fornitura di riscaldamento e raffrescamento. Grazie alla collaborazione con Erdwärme Plus, azienda specializzata in progettazione nel settore, Jansen e l'azienda di trivellazioni Geowell, è stato possibile offrire un pacchetto completo per energia elettrica e calore. Per ottenere la potenza termica necessaria con poche trivellazioni di profondità limitata, si è ricorsi all'impiego della sonda geotermica JANSEN powerwave single-u.

La «Überlandzentrale Mainfranken»

ÜZ Mainfranken è un consorzio energetico fondato nel 1910 su iniziativa di un comitato cittadino e ha la propria sede in Lülsfeld (Baviera). Per fornire energia elettrica e calore alle singole famiglie, ÜZ ha ideato un progetto da lei stessa denominato «fornitura di riscaldamento e raffrescamento» che si basa sull'impiego di energia elettrica prodotta nella regione. Utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili prive di emissioni e con l'ausilio di pompe di calore si sfrutta l'energia «fredda» presente in prossimità della superficie. L'energia geotermica così prodotta viene poi portata al livello necessario per il riscaldamento. Grazie a questa tecnica ⅘ dell'energia necessaria per riscaldare, raffrescare e produrre acqua calda sanitaria vengono prodotti a costo zero dal proprio appezzamento di terreno.

⅕ dell'energia viene invece prelevato dalla rete sotto forma di energia elettrica da fonti rinnovabili. Il progetto è poi completato da un adeguato sistema di tariffazione. Nell'autunno 2018 l'azienda di fornitura di energia elettrica è stata insignita del premio bavarese per l'energia «Hauptpreis». ÜZ-Mainfranken ha ottenuto l'onorificenza per il progetto «ÜZ - diamo un valore all'energia rinnovabile». Oltre 6350 impianti che producono energia da fonti rinnovabili sono connessi alla rete del consorzio energetico.

Gemeinsam mit Kommunen entwickelt die ÜZ-Mainfranken darüber hinaus die wärmetechnische Erschliessung von Neubaugebieten, die Nutzung der oberflächennahen Geothermie mit Erdsonden und den Einsatz von Wärmepumpen mit kombinierten Speichern. Das Gesamtkonzept verbindet die Sektoren Strom und Wärme. Dem Häuslebauer wird die Wärmequelle schlüsselfertig bereitgestellt. Der Vorteil für die Kommunen als Auftraggeber sind CO2-neutrale Siedlungen mit abgas-, feinstaub und lärmfreien Heizungs- und Klimatisierungssystemen. Das nachhaltige Konzept sichert die Energieversorgung für mehrere Generationen. Den Kunden kann ein Gesamtpaket geboten werden: Strom und Wärme von einem Anbieter und das zu attraktiven Tarifen.

Als mittlerweile fünftes Projekt dieser Art der ÜZ wurden nun in der fränkischen Gemeinde Sommerach 35 Grundstücke mit Ein- bzw. Zwei-Familienhäusern erschlossen (Bild unten, Luftaufnahme). Der Energiebedarf pro Grundstück beträgt im Schnitt rund 15’000 kWh, das entspricht einer Heizleistung von ca. 7.5 kW. Dafür wurden insgesamt 117 Erdwärmesonden mit 40 bzw. 30 Metern Tiefe gebohrt.

35

lotti di terreno

117

sonde geotermiche

Immagine aerea del comune di Sommerach. Per il totale dei 35 lotti di terreno verranno praticate trivellazioni per circa 4400 metri lineari di sonde geotermiche.

La sfida posta dalla limitazione della profondità di trivellazione

Originariamente il progetto prevedeva comuni sonde geotermiche a doppia U con trivellazioni a profondità elevata. Durante la fase di progettazione, l'area da urbanizzare è divenuta soggetta ad una limitazione della profondità di trivellazione. Questo significa che in questo territorio le trivellazioni per le sonde geotermiche, per specifici motivi idrogeologici, possono raggiungere al massimo 40 m di profondità.

Dato che le comuni sonde geotermiche a doppia U hanno una capacità di trasmissione del calore limitata e visto che in questo caso, per motivi di spazio, il numero di trivellazioni per singolo lotto di terreno è limitato, si è resa necessaria una soluzione speciale: sonde geotermiche con elevata capacità di trasmissione del calore per poter raggiungere la necessaria potenza termica anche con meno trivellazioni e a minore profondità. Con l'ausilio di un profilo geologico e grazie alle specifiche tecniche del tubo corrugato JANSEN powerwave, l'azienda Erdwärme Plus ha prodotto una simulazione energetica sulla base della quale poter pianificare correttamente il progetto. La sonda geotermica powerwave single-u di Jansen, in virtù della migliore trasmissione del calore, ha permesso di ottenere valori di potenza più elevati rispetto alle sonde geotermiche tradizionali. In questo modo si è potuto coprire il fabbisogno energetico con una minore profondità di trivellazione.

JANSEN powerwave single-u

La resistenza termica minore delle sonde a tubo corrugato "powerwave" consente una minore perdita termica nella soluzione antigelo in circolo (esempio di calcolo).

È possibile effettuare trivellazioni in minor numero e meno profonde?

Come è possibile sfruttare il calore geotermico in maniera efficiente, sostenibile e a costi bassissimi? La natura stessa ci viene in aiuto: il terreno è un eccellente accumulatore di calore. Di anno in anno assorbe in modo del tutto naturale grandi qualità di energia solare. Già a 2 m di profondità la temperatura è in media pari a 10° C. Sonde geotermiche relativamente corte possono sfruttare l'elevata rigenerazione termica del terreno: l'energia accumulata si rinnova di anno in anno partendo dalla superficie. Questa energia rinnovabile può essere utilizzata per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Un fattore importante ai fini del calcolo della necessaria lunghezza delle sonde è costituito dalla cosiddetta resistenza termica del foro. Questa indica qual è la potenza termica, ad un definito differenziale di temperatura, che viene trasmessa dal terreno alla soluzione antigelo. Più bassa è la resistenza termica del foro, migliore sarà la trasmissione del calore. Il tubo corrugato JANSEN powerwave, grazie alla maggiore superficie e al flusso più turbolento, è caratterizzato da una resistenza termica particolarmente bassa. Questo tubo in materiale plastico è stato realizzato grazie al lavoro di ricerca e sviluppo combinato di specialisti del settore e istituti di ricerca, fra i quali si annovera l'Institut für Energietechnik (IET) dell'istituto universitario di Rapperswill (Svizzera).

Il fattore di costo rappresentato dalla lunghezza delle sonde geotermiche

L'ondulazione esterna dei tubi corrugati powerwave di JANSEN da 63 mm di diametro garantisce una maggiore superficie di scambio termico (0,22 m²/m) grazie alla quale l'assorbimento di energia dal terreno è sensibilmente facilitata. Allo stesso tempo è migliore anche il trasferimento di calore dal tubo alla soluzione antigelo in circolo, in quanto l'ondulazione interna induce una turbolenza nella soluzione antigelo già a velocità di scorrimento molto basse. Le prestazioni dei sistemi geotermici powerwave di JANSEN possono essere considerate nella progettazione dell'intero sistema, con un risparmio documentato grazie alla maggiore economicità delle trivellazioni per le sonde geotermiche.

La sonda geotermica powerwave single-u impiegata a Sommerach ha un grande volume di accumulo, pari a 4½ l per metro. In un volume così grande è quindi possibile immagazzinare più energia. Ciò garantisce uno scambio di calore ottimale con il terreno, anche durante i periodi di fermo. Il rendimento della pompa di calore aumenta significativamente, sia nei picchi di carico che durante accensioni e spegnimenti ripetuti. Il diametro del tubo, di grandi dimensioni, garantisce infine una perdita di carico minima. Di conseguenza si riduce il consumo di energia elettrica della pompa di circolazione della soluzione antigelo che, a sua volta, consente di ottenere un coefficiente di prestazione stagionale (SCOP) più elevato.

Posa in opera delle sonde geotermiche a Sommerach

Le trivellazioni sono state eseguite dalla ditta incaricata Geowell Erdwärme in maniera accurata e nel rispetto dell'ambiente. La semplicità di montaggio della sonda geotermica si è rivelata di grande vantaggio. Grazie all'ondulazione il tubo possiede un'elevata flessibilità, nonostante il grande diametro. JANSEN powerwave è realizzato nello stabilimento di Oberriet in PE 100 RC di ultima generazione, per resistere a carichi elevati. I segmenti di tubo liscio coestrusi inseriti ogni 100 cm consentono di tagliare il tubo facilmente e quindi di adattare con flessibilità la lunghezza della sonda e di allacciarla in maniera sicura alle condutture di collegamento mediante manicotti elettrosaldabili comunemente reperibili in commercio. La superficie strutturata assicura un'affidabile pressatura a tenuta stagna che garantisce una migliore sigillatura verticale del foro trivellato.

Per l'inserimento della sonda si sono potuti impiegare dei comuni verricelli per sonde, dato che questa è saldata in fabbrica e non necessita di operazioni di saldatura in cantiere. L'azienda di trivellazioni ha avuto a disposizione utensili Jansen di qualità per il montaggio della sonda: pesi accoppiabili per sonde hanno consentito un'accurata messa a dimora della sonda. Sono stati forniti anche accessori per la messa in opera e attrezzature da iniezione per il riempimento degli interstizi intorno alle sonde geotermiche, oltre agli oramai collaudati giunti SmartTight di JANSEN

Altre referenze

ÜZ Mainfranken riteneva di fondamentale importanza, nella realizzazione del progetto di Sommerach, la fornitura di prodotti sicuri da un noto specialista del settore. Per questo motivo è stata utilissima l'informazione che le sonde geotermiche powerwave di JANSEN a singola U erano state utilizzate con successo in altre situazioni di difficile soluzione. Numerose valutazioni pratiche mostrano che le dimensioni degli impianti geotermici possono essere ridotte e quindi risultare più economici.

Altri edifici

Per una unità monofamiliare a Schellenberg (Liechtenstein) il progetto originario prevedeva ad esempio per una pompa di calore da 10,6 kW di potenza termica due sonde a doppia U da 32 mm lunghe 125 m. Grazie all'ausilio di simulazioni termiche è stato dimostrato che impiegando le sonde JANSEN powerwave a singola U, è sufficiente una lunghezza di trivellazione di 100 m, il che corrisponde a una riduzione del 20%. L'impianto è stato messo in servizio nel 2015 e contestualmente iniziarono i rilevamenti della temperatura. Il gennaio 2017 è stato, secondo le registrazioni meteorologiche, il mese più freddo degli ultimi 30 anni e tuttavia le temperature misurate dell'antigelo verso la pompa di calore non sono mai scese sotto +4°C. Un altro esempio, stavolta nella città di Mannheim, mostra come il terreno in prossimità della superficie possa essere una fonte di energia dalle prestazioni elevate.

In una villetta capotesta a due piani (di nuova costruzione) è stato realizzato un impianto geotermico con restrizioni molto rigide per quanto concerne la profondità delle trivellazioni. Una pompa di calore da 6,1 kW di potenza resa estrae dal suolo 4,8 kW nominali di potenza calorifica. In normali condizioni di progettazione sarebbe necessaria una trivellazione da ben 140 m di profondità. Per l'area in questione tuttavia esisteva una limitazione di profondità a 37 m. Disposizioni di legge prevedevano che in questo sito fosse proibita la trivellazione di falde acquifere superficiali. Da dove prelevare quindi la potenza necessaria? Grazie alla decisione di impiegare due sonde geotermiche JANSEN powerwave a singola U, è stato possibile mettere in servizio l'impianto geotermico per il riscaldamento, la produzione di acqua calda e il raffrescamento. Questi progetti hanno in comune il fatto che da una fattibilità apparentemente incerta si è potuto sviluppare una soluzione per la produzione di calore di elevata potenza, abbinata ad elevata sicurezza.

Ogni 100 cm è inserito un segmento di tubo liscio (riconoscibile al centro dell'immagine) che consente di adattare con semplicità la lunghezza della sonda e di realizzare un collegamento sicuro alle condutture di allacciamento mediante manicotti termosaldati comunemente reperibili in commercio.