La geotermia a bassa entalpia è lo sfruttamento del calore contenuto nel primo strato di sottosuolo, attraverso un fluido vettore, per mezzo di una pompa di calore (anche chiamata impianto geotermico a bassa entalpia), con le funzioni di impianto di climatizzazione degli edifici. Poiché il calore nel sottosuolo proviene in gran parte dall'interno della Terra, 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 fonti di energia.

Descrizione 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.

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. 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.

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 sulla quale viene effettuato lo scambio termico.

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 pannelli solari termici e immagazzinare nel suolo il calore accumulato in estate.

Altri nomi per le pompe di calore geotermiche sono “sistemi di geoscambio”, “impianti closed/open loop”, “geotermia superficiale” ecc.

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.

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. Nel 2010, in Europa, erano operative circa 1 milione di pompe di calore geotermiche in 19 Stati.

Storia La pompa di calore fu teorizzata da 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. 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 sonde geotermiche. Nel 2004, nel mondo erano presenti circa un milione di impianti geotermici a bassa entalpia, con una potenza totale di 12 GW.

Scambiatore di calore al suolo

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.

Come ricordato precedentemente, gli scambiatori di calore al suolo si dividono in tre categorie: scambio diretto; circuito chiuso; circuito aperto.

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.

Scambio diretto

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.

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 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.

In alcuni Paesi europei, questi impianti non sono più ammessi, a causa del rischio di fuoriuscita di lubrificante del compressore della pompa di calore.

Circuito chiuso La maggior parte degli impianti geotermici a bassa entalpia è composta da tre circuiti: circuito di climatizzazione; circuito primario della pompa di calore; circuito secondario di scambio termico col suolo.

Il circuito secondario è solitamente in polietilene 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). 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.

La pompa di circolazione può essere esterna o inclusa all'interno della pompa di calore. Nel circuito secondario sono inoltre presenti vasi di espansione e valvole di sicurezza per il controllo della pressione

Il circuito chiuso può essere installato orizzontalmente a profondità di 1-3m, oppure verticalmente in una perforazione effettuata appositamente (sonde geotermiche) oppure in un palo di fondazione (pali geotermici).

Circuito chiuso 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 200 m. 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 10 m. 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. Le profondità dei pali termici oscillano tra 10 e 30 m; il rendimento è compreso tra 15 e 30 W per metro di perforazione, circa la metà del rendimento delle sonde geotermiche.

Circuito chiuso orizzontale

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/m². Indicativamente, una casa con carico di punta di 10 kW, richiede tre tubazioni DN20 o DN 32 lunghe 120–180 m.

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.

Circuito aperto