Uso delle acque sotterranee e del sottosuolo per impianti di climatizzazione e scambio di calore: aspetti tecnici e amministrativi per alcuni esempi del territorio regionale

Geotermia, definizioni e generalità

• Geotermia: scienza che si occupa dello studio e dello sfruttamento del calore esistente all’interno della Terra.
• Flusso geotermico: quantità di calore che giunge in superficie dall’interno del pianeta. Il flusso è mediamente pari a 0,063 W/m2.
• Gradiente geotermico: è l'aumento di temperatura con la profondità. Il gradiente è l’effetto misurabile del flusso di calore proveniente dal nucleo e dal mantello terrestre. Esso dipende dalle proprietà termiche della crosta terrestre. In media: 3°C/100 m. In alcune zone legate a particolari contesti geodinamici, come ad esempio nella Toscana centro-meridionale, si registrano delle anomalie geotermiche tali per cui il gradiente può superare di 10-15 volte il valore medio.
• Serbatoio geotermico: è un determinato volume di sottosuolo, costituito da terreni di varia natura e dai fluidi in essi contenuti, che può essere sfruttato economicamente per la sua capacità di cedere o immagazzinare calore.
• Entalpia: è una funzione di stato che esprime la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente. L’entalpia di un fluido che circola ed è contenuto nel serbatoio geotermico esprime il “valore” energetico sia del fluido che del serbatoio.  

Manifestazioni geotermiche naturali maggiormente note

Fenomeni vulcanici (Eruzione sull'Etna)

Fenomeni idrotermali (sorgente di acque calde sulfuree a Saturnia)

Soffioni boraciferi e geiser (geiser in Islanda)

Classificazione dei serbatoi geotermici

Alta entalpia (T>150°C)
Utilizzo: produzione di energia elettrica.
Esempi: impianti di Lardarello e Monte Amiata in Toscana

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Media Entalpia (150°>T>80°C)
Utilizzo: produzione di energia elettrica, teleriscaldamento e usi diretti del calore.
Esempio: impianto geotermico di Ferrara  

Bassa Entalpia (80°>T>20°C)
Utilizzo: uso diretto del calore o climatizzazione mediante pompe di calore geotermiche.
Bassissima Entalpia (T<20°C)
Utilizzo: climatizzazione mediante pompe di calore geotermiche

I Serbatoi Geotermici a Bassissima Entalpia della Pianura Emiliano - Romagnola

Nella maggior parte del sottosuolo della nostra pianura, da pochi metri a circa 200 metri di profondità, i serbatoi geotermici hanno temperature comprese tra 13 e 18 °C.

Un serbatoio geotermico, dal punto di vista termodinamico, può essere considerato una sorgente con capacità termica infinita, in quanto esso possiede la capacità di scambiare energia termica, direttamente o attraverso lo sfruttamento dei fluidi in esso contenuti, mantenendo globalmente invariata la sua temperatura.

I serbatoi geotermici a bassissima entalpia possono essere accoppiati a pompe di calore per riscaldare ambienti in inverno prelevando calore dal serbatoio, così come possono essere accoppiati a macchine frigorifere per climatizzare ambienti in estate dissipando calore nel serbatoio.

I serbatoi geotermici a bassissima entalpia sono una risorsa molto interessante sia per le caratteristiche di disponibilità sul territorio, praticità ed economicità di utilizzazione sia per il contenuto termico del serbatoio geotermico che costituisce una fonte di energia assolutamente rinnovabile.    

Lo sfruttamento dei serbatoi geotermici a bassissima entalpia

Anche in Emilia-Romagna si sta diffondendo la pratica di climatizzare gli edifici mediante il sistema a pompa di calore e serbatoio geotermico.
Dal punto di vista tecnico il serbatoio geotermico può essere sfruttato attraverso:  

1. Estrazione di acqua di falda mediante pozzi e invio del fluido alla pompa di calore - gruppo frigo. Sistema con prelievo d’acqua chiamato anche open loop.

2. Scambio di calore con il serbatoio geotermico attraverso fluidi circolanti in tubazioni chiuse ad anello cementate nel sottosuolo - le sonde geotermiche - senza prelievo di acque sotterranee.
Sistema senza prelievo d’acqua chiamato anche closed loop.

Il quadro normativo nazionale e regionale in materia di risorse geotermiche

La normativa nazionale

Il D.P.R. 27 maggio 1991 n. 395 “Approvazione del regolamento di attuazione della legge 9 dicembre 1986, n. 896, recante disciplina della ricerca e della coltivazione delle risorse geotermiche”, è indirizzata alla ricerca e alla coltivazione delle risorse geotermiche definite come l'energia termica derivante dal calore terrestre estraibile mediante fluidi geotermici, vale a dire i fluidi derivanti da processi naturali di accumulo e riscaldamento che vengono estratti dal sottosuolo sotto forma di vapore, acqua calda, salamoia e gas caldi.
E’ chiaro, quindi, che la normativa nazionale in materia di risorse geotermiche non si applica allo sfruttamento di serbatoi geotermici a bassissima entalpia con pompe di calore.

La disciplina di politica energetica regionale

La Legge 26/2004 disciplina gli atti di programmazione e gli interventi operativi della Regione e degli enti locali in materia di energia, con particolare riguardo alle fonti rinnovabili quali l'energia solare, eolica, geotermica, etc.. Essa definisce anche gli strumenti di pianificazione locale che riguardano le attività di realizzazione e utilizzo di impianti, sistemi e componenti a basso consumo di energia e ridotto impatto ambientale, che utilizzino fonti rinnovabili o assimilate.
Tuttavia la disciplina di politica energetica regionale non fornisce gli strumenti regolamentari e le procedure amministrative necessari per emanare un atto di autorizzazione.

Le attuali scelte operative della Regione Emilia-Romagna

In assenza di indicazioni specifiche a livello nazionale la Regione Emilia-Romagna ha ritenuto di regolamentare l’uso delle acque sotterranee e del sottosuolo per impianti di climatizzazione e scambio di calore sulla base delle normative vigenti ed in particolare sulla base del R.R. 41 del 2001, redatto in ottemperanza agli indirizzi nazionali e regionali in materia di tutela delle risorse idriche sotterranee.

Consideriamo separatamente le 2 tipologie di sfruttamento dei serbatoi geotermici a bassissima entalpia:

• Sistema con prelievo d’acqua: tipo open loop
• Sistema senza prelievo d’acqua: tipo closed loop

Sistema con prelievo d’acqua (OPEN LOOP)

• acqua di falda estratta mediante pozzi
• utilizzata direttamente come sorgente termodinamica
• inviata alla pompa di calore in superficie
• re-immessa nello stesso acquifero attraverso un secondo sistema di pozzi (a garanzia della tutela del bilancio idrico) oppure scaricata in superficie

In questo caso il prelievo: 

1. E’ disciplinato dal Regolamento Regionale 41/2001 alla stessa stregua di tutti gli altri utilizzi extradomestici di acque pubbliche
2. E’ da rilasciarsi in concessione
3. In presenza di re-immissione si può attivare una conferenza dei servizi con la Provincia (le autorizzazioni allo scarico diretto nel sottosuolo - ai sensi Dlgs. 152/06 art 104 - Province)
4. La LR 3/99 art 152, non ha previsto per questo uso l’applicazione di un canone specifico, per cui a seconda dei casi esso è stato ricondotto all’uso industriale (art. 1 lett. c) o igienico ed assimilati (art. 1 lett. f)  

Sistema senza prelievo d’acqua (CLOSED LOOP)

• Sistema di tubazioni ad anello chiuso cementato nel terreno (sonda geotermica)
• Il fluido vettore termico circola nella sonda scambiando calore col terreno e con la pompa di calore
• Non vi e’ estrazione d’acqua di falda

In questo caso manca una regolamentazione specifica sull’uso del serbatoio geotermico, per cui la RER sta sperimentando differenti approcci, tra i quali distinguiamo:

1. Il sistema a sonde geotermiche si ritiene disciplinato dall’art. 17 del RR 41/2001 a tutela qualitativa degli acquiferi. Non è necessaria una concessione, ma l’STB regionale rilascia un’autorizzazione contenente specifiche prescrizioni a tutela della risorsa idrica
2. Il sistema a sonde geotermiche si ritiene ricompreso nelle opere in sotterraneo, disciplinate dalle Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al DM 14 gennaio 2008, il cui progetto deve essere corredato di studio geologico. La valutazione del progetto e delle relazioni a corredo, comprensive delle necessarie prescrizioni anche a tutela della risorsa idrica, è di competenza Comunale. Il Comune, ove necessario, può richiedere una Valutazione Ambientale Strategica ovvero un parere o nulla osta all’STB regionale. Non è necessaria una concessione.

Sintesi conclusiva

1. Aspetti normativi di riferimento per la RER 
Nel caso di sistemi tipo open loop la norma di riferimento è il RR 41/2001 e le competenze sono delle strutture tecnica Area Protezione Civile della Regione.

I prelievi d’acqua pubblica per alimentazione di impianti di climatizzazione tipo open loop sono quindi assoggettati alla disciplina di concessione (art. 6 del regolamento 41/2001) e istruiti in sede di Conferenza di Servizi con la Provincia, nel caso di re-immissione delle acque in falda.
Nel caso di sistemi tipo closed loop le norme di riferimento applicabili sono costituite dall’art. 17 del RR 41/2001 e dalle Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al DM 14 gennaio 2008 che mettono la competenza amministrativa del progetto rispettivamente in capo all’STB della RER e al Comune
Le sonde geotermiche non necessitano quindi di concessione, ma vengono autorizzate (dalla RER, dal Comune o da entrambi) con specifiche prescrizioni a tutela della risorsa idrica

2. Le prescrizioni

Prescrizioni sulla modalità di esecuzione e sull’utilizzo dei materiali per prevenire eventuali contaminazioni ad opera dell’impianto (in fase di realizzazione, gestione e dismissione)
Prescrizioni a garanzia della re-immissione completa dell’acqua prelevata
Analisi preventiva degli effetti dell’impianto sul serbatoio interessato dalla re-immissione o dallo scambio termico per verificare le eventuali modifiche delle caratteristiche chimico-fisiche (es. temperatura, ph, contenuto microbiologico, ecc..)
Monitoraggio/controllo delle previsioni progettuali
Tracciabilità del responsabile della gestione degli impianti e delle applicazioni delle prescrizioni (per le tipologie closed loop che non prevedono il rilascio di concessione)

3. Gli impatti sulla risorsa

L’utilizzo di acque sotterranee negli impianti di climatizzazione ha grandi prospettive ma richiede particolari cautele.
La diffusione di questi impianti consiglia che le acque prelevate siano re-immesse nello stesso acquifero per prevenire scompensi nel bilancio del sistema idrico sotterraneo, ma impone anche attente valutazioni per prevenire eventuali problemi qualitativi.
Allo stato attuale delle conoscenze l’utilizzo sparso dei serbatoi geotermici a bassissima entalpia sembra determinare la formazione nel serbatoio sfruttato di un pennacchio termico, più freddo o più caldo, che si stabilizza nel corso degli anni e il cui impatto sull’ambiente circostante appare molto limitato
In previsione di un utilizzo intenso di acque sotterranee in aree ristrette si ritiene però necessario cartografare, monitorare e pianificare l’utilizzo degli acquiferi che meglio si prestano localmente allo scopo, specialmente in aree già sottoposte a sfruttamento ad uso potabile ed industriale al fine di gestire la risorsa ed evitarne i rischi di deterioramento.  

Documenti

• Caso di studio n. 1 (4.96 MB)
  Modello matematico di un SISTEMA GEOTERMICO di tipo OPEN LOOP, cioè con emungimento e restituzione di acqua in falda, accoppiato ad un Sistema di riscaldamento di acqua di consumo e climatizzazione ambientale basato sulla tecnologia dell’ANELLO D’ACQUA, a servizio di un centro benessere - alberghiero. (Parma Ovest)
• Caso di studio n.2 (2.62 MB)
  Modello matematico di un SISTEMA GEOTERMICO di tipo CLOSED LOOP, vale a dire senza estrazione di acqua di falda, accoppiato a un sistema per la produzione di acqua calda e acqua refrigerata, basato sulla tecnologia delle pompe di calore, deputato alla climatizzazione di un centro commerciale. (Parma Nord)

• Spunti di riflessione (1.6 MB)
  Modello matematico 3D di un SISTEMA GEOTERMICO di tipo OPEN LOOP, cioè con emungimento e restituzione di acqua in falda, accoppiato ad una pompa di calore, a servizio di un condominio. Consigli per una buona progettazione.