geotermia in toscana e ungheria: 3 progetti studiati
DESCRIPTION
La geotermia e i suoi possibili sviluppi in Toscana e in Ungheria due aree dell'Unione Europea con vaste ma differenti risorse geotermiche. Le due aree si prestano a un maggior sviluppo nello sfruttamento della geotermia (sia per usi termici che di potenza) e in una stretta collaborazione in questo campo di ricerca. Presentazione della tesi di laurea del 22 luglio 2010. Lavoro svolto in collaborazione con l'istituto di geofisica di Budapest Eotvos Lorand (ELGI) e con l'utilizzo di due borse di studi : Erasmus Placement e la borsa del Ministero degli Affari Esteri italiano.TRANSCRIPT
Dipartimento di Energetica “Sergio Stecco”, Università di Firenze DEF
1
Autore
Luca Madiai
Geothermal power generation and ground source heat pumps: study and comparison in two EU regions,
Hungary and Tuscany
Firenze, 22 Luglio 2010
Relatori
Prof. Ing. Giampaolo Manfrida
Dott. Ing. Daniele Fiaschi
in collaborazione con:
Dipartimento di Energetica “Sergio Stecco”, Università di Firenze DEF
2
Geotermia in Europa
Toscana e alto Lazio: zona ad alta entalpia
Ungheria: bacino ad alta temperatura
Aree indicate per la generazione elettrica da geotermia e teleriscaldamento
Fonte EGEC
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Toscana
Primo impianto geotermico al mondo (1904)
Due campi geotermici:
Larderello (a vapore dominante)
Monte Amiata (ad acqua dominante)
Temperature massime 300-350°C
Potenza efficiente 711 MW (fonte CEGL)
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Ungheria
Bacino sedimentario: crosta terrestre più sottile
Gradiente termico: 5°C/100 m
Ad oggi non esistono impianti di potenza geotermici
8000 pozzi per esplorazione o estrazione di gas naturale non più utilizzati
Da alcuni pozzi si può estrarre acqua calda (fino a 120-170 °C)
Articolo di Kujbus prende in analisi tre pozzi (temperatura e portata di acqua costanti nel tempo)
Case 1 Case 2 Case 3
Well-head temperature [°C] 135 171 190
Long term mass flow rate [kg/s] 11.72 22 90
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Classificazione delle risorse nel nostro lavoro
Generazione elettrica
1) Impianto Dry Steam (Larderello) : risorsa ad alta entalpia
2) Ciclo binario (Ungheria) : risorsa a bassa entalpia
Climatizzazione degli edifici
3) Pompe di calore geotermiche (Toscana e Ungheria) : terreno
1) 2) 3)
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Modello EES di impianto Dry Steam per Larderello
TV TCCV1 CC1
SEP1
Pump
Torre di raffreddamento
1
23
4 5
6
12
9
7
8 10
11
22
20
16
19
23
1314
CV2 CC2
30
31
32 33
34
2829
SEP2
21
17
18
24
25
26
27
Fluido geotermico
Acqua reiniettata
CO2 e vapore in atmosfera
A
B
Caratteristiche principali
Fluido geotermico: mix H2O (vapore) e CO2 (5% in massa), T[1]=195 °C, m[1]=111.1 kg/s, p[1]=5 bar
Espansione in turbina: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηt=0.85
Due condensatori a miscela: ηsep1=0.70, ηsep2=0.90
Due stadi di compressione: vapore d’acqua e anidride carbonica separati ηc=0.80
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Modello di impianto Dry Steam per Larderello
TV TCCV1 CC1
SEP1
Pump
Torre di raffreddamento
1
23
4 5
6
12
9
7
8 10
11
22
20
16
19
23
1314
CV2 CC2
30
31
32 33
34
2829
SEP2
21
17
18
24
25
26
27
Fluido geotermico
Acqua reiniettata
CO2 e vapore in atmosfera
A
B
Caratteristiche principali
Torre di raffreddamento: range=10°C, TaOUT=35°C
NDCT: natural draft
MCT: mechanical
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Risultati modello EES
Potenza utile netta:
56.44 MW (NDCT)
54.89 MW (MCT)
Rendimento termico dell’impianto: 18.74%
Portata re-iniettata: 31 kg/s
Portata acqua di raffreddamento: 5368 kg/s
ANALISI EXERGETICA
Rendimento exergetico: 68%
Distruzioni (ExD) e
perdite (ExL) di exergia
Risultati
W_net (NDCT) [kW] 56444
htermico [%] 18.74
hex [%] 68.37
Tur-bine ExD36%
Separator 1 ExD17%
Tower ExL16%
Tower ExD25%
Others ExD6%
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9
Ciclo binario per fluidi geotermici a bassa entalpia (Ungheria)
TURB
PA
EVA
COND
ECOCooling water inlet
1
2
3
56
7
8
9
PP
A
From the well
To the well
Cooling water outlet
Organic Rankine Cycle semplice
Fluido geotermico: da Kujbus m[1]=11.72 kg/s e T[1]=135°C
Differenza di temperatura di pinch point: T[2] – T[7]=8°C
Rendimento isoentropico di turbina ηt=0.85
Temperatura di condensazione T[5]=40°C
Fluidi testati:
Idrocarburi: N-butane, N-pentane, Isobutane
Refrigeranti: R134a, R143a, R152a
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TURB
PA
EVA
COND
ECOCooling water inlet
1
2
3
56
7
8
9
PP
A
From the well
To the well
Cooling water outlet
Fluid Case p[6]@ max Wnet
[kPa]
Wnet
[kW]
ηI
[%]
x[9][-]
T[3][°C]
n-butane a 1157 268.9 9.25 100 76
b 1157 114.7 9.25 100 76
c 659.6 59.34 4.97 100 66
n-pentane a 415 259.6 9.15 100 78
b 415 110.7 9.15 100 78
c 221.9 58.58 4.96 100 66
Isobutane a 1571 277.9 9.24 100 74
b 1571 118.6 9.24 100 74
c 897.5 59.76 4.94 100 65
Tre casi:
a. m[1]=11.72 kg/s and T[1]=135 °C
b. m[1]=5 kg/s and T[1]=135 °C
c. m[1]=11.72 kg/s and T[1]=90 °C
Idrocarburi
Risultati modello EES
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TURB
PA
EVA
COND
ECOCooling water inlet
1
2
3
56
7
8
9
PP
A
From the well
To the well
Cooling water outlet
Tre casi:
a. m[1]=11.72 kg/s and T[1]=135 °C
b. m[1]=5 kg/s and T[1]=135 °C
c. m[1]=11.72 kg/s and T[1]=90 °C
Refrigeranti
Fluid Case p[6]@ max Wnet
[kPa]
Wnet
[kW]
ηI
[%]
x[9][-]
T[3][°C]
R134a a 3800 407.3 9.28 0.87 46
b 3800 173.7 9.28 0.87 46
c 1756 60.52 4.91 0.99 65
R143a a 2600 152.3 3.39 0.95 44
b 2600 64.98 3.39 0.95 44
c 3700 86.74 5.31 0.75 57
R152a a 3017 284.4 9.72 0.93 76
b 3017 121.3 9.72 0.93 76
c 1554 59.24 4.96 0.98 66
Risultati modello EES
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ECO7% EVA
15%
TURB7%
COND15%
REINJ39%
COOL16%
IsobutaneECO3%
EVA11% TURB
14%
COND26%PA
2%
REINJ16%
COOL28%
R134a
Analisi exergetica
Isobutane Rendimento exergetico: 28.1 %
Perdita di exergia:
reiniezione 39% (T[3]=74°C)
Distruzione di exergia:
evaporatore 16%
condensatore 15%
R134a Rendimento exergetico: 41.2 %
Perdita di exergia:
acqua di raffreddamento 28%
Distruzione di exergia:
turbina14%
condensatore 26%
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TURB
PA
EVA+SH
COND
ECO
1
2
3
56
7
8
9
PP
AFrom
the well
To the well
IHE
11
12
Modifiche del ciclo
Surriscaldamento (SH):
1. 100°C
2. 120°C
Surriscaldamento (SH) + Recupero interno con scambiatore (IHE): εIHE= efficienza scambiatore
Con SH la potenza prodotta diminuisce e il rendimento aumenta poco
Con SH+IHE il rendimento aumenta marcatamente
Fluid Case TSH
[°C]
Wnet
[kW]
ηI
[%]
T[3][°C]
εIHE Approach[°C]
R134a(2900 kPa)
NO SH - 307.5 8.31 60.09 0.00 -1.49SH 100 292.0 8.72 67.28 0.00 13.7SH 120 278.4 8.91 71.87 0.00 37.18SH+IHE 100 292.0 9.18 70.71 0.05 7.07SH+IHE 120 278.4 11.89 87.81 0.28 2.36
TURB
PA
EVA+SH
COND
ECO
1
2
3
56
7
8
9
PP
A
From the well
To the well
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Pompe di calore geotermiche
Principio di funzionamento:
Pompa di calore
Sonda geotermica (BHE)
Serbatoio di accumulo
Sistema di distribuzione
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Modello transitorio del sistema con TRNSYS
Pompa di calore (acqua-acqua): Hoval Thermalia 7 kW
Pompe di circolazione (1620 kg/s, 840 kg/s)
Serbatoio a stratificazione
Sonda verticale (180 m): HST3D (Istituto di Geofisica di Budapest)
Edificio mono zona
File meteorologico
Sistema di controllo: comanda le pompe di circolazione e inverte il funzionamento della pompa di calore
Temperatura massima in riscaldamento 55 e 45°C
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Location Average temperature
[°C]
Heating energy demand for winter
[kWh/y]
Cooling energy demand for summer
[kWh/y]
Budapest 10.49 21666 1093
Pisa (Tuscany,Italy) 14.50 12491 1784
Milan (North Italy) 11.62 19286 1473
Messina (Sicily,Italy) 18.74 3682 3005
Scenari di simulazione
Location TRNSYS Weather data file used Average ground temperature gradient [°C/100 m]
Ground thermal conductivity [W/m•K]
Budapest HU-BudapestLorinc128430.tm2 5 2Pisa (Tuscany,Italy) IT-Pisa-S-Giusto-161580.tm2 5 2Milan (North Italy) IT-Milano-Malpensa160660.tm2 3 2
Messina (Sicily,Italy) IT-Messina-164200.tm2 3 2
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 203.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
6.50
Budapest
COP 55°C
COP 45°C
EER 55°C
EER 45 °C
Average COP 55°C
Average COP 45°C
COP percentage increase [%]
Budapest 3.64 4.51 24Messina 4.53 5.14 13Milan 3.62 4.49 24Pisa 4.22 4.97 18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 204.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
Pisa
COP 55°C
COP 45°C
EER 55°C
EER 45 °C
Risultati della simulazione per un periodo di 20 anni
COP e EER si mantengano pressoché costanti
Abbassando la temperatura massima dell’acqua di riscaldamento il COP aumenta (in Budapest di circa una unità)
Budapest e Milano hanno un comportamento molto simile
Messina presenta valori di COP e EER più vicini tra loro
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 203.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Milan
COP 55°C
COP 45°C
EER 55°C
EER 45 °C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 204.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
Messina
COP 55°C
COP 45°C
EER 55°C
EER 45 °C
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La temperatura del terreno a 75 m di profondità diminuisce con questo andamento:
linea grossa: 9 m dall’asse della sonda,
linea fine: 3 m dall’asse della sonda
Milano e Budapest presentano un comportamento simile
A Messina il calore sottratto di inverno e aggiunto d’estate si bilanciano
Pisa ha un comportamento intermedio
La temperatura del terreno a 75 m di profondità e 3 metri di distanza diminuisce al massimo di 1°C in 20 anni
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Conclusioni
DRY STEAM (LARDERELLO)
Abbiamo studiato un impianto dry steam per la produzione elettrica con separazione di CO2: 56 MW e 18% rendimento termico
Analisi exergetica dell’impianto: confrontabile con i risultati di letteratura
CICLO BINARIO (UNGHERIA)
E’ stato proposto un impianto binario per la produzione elettrica utilizzando fluidi geotermici a bassa temperatura e portata (135°C e 11.72 kg/s)
Un impianto di circa 300- 400 kW con 9% di rendimento è realizzabile
Analisi exergetica per individuare le parti critiche dell’impianto: reiniezione (perdita) e condensatore (distruzione)
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POMPA DI CALORE GEOTERMICA
E’ stato realizzato un modello transitorio di un sistema a pompa di calore geotermica per riscaldamento e raffrescamento di una abitazione familiare.
Il modello ha dato risultati soddisfacenti in termini di COP e EER che risultano mantenersi quasi costanti nei vari scenari indagati (Budapest, Milano, Pisa e Messina)
La temperatura del terreno risulta diminuire ma non in modo significativo durante il periodo di simulazione (20 anni)
Conclusioni
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Grazie per l’attenzione
Köszönöm a figyelmet
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Electricity price€/100 kWh
Natural Gas prices€/GJ
Natural Gas prices€/100 kWh
Italy 20.93/12* 21.04 7.57Hungary 14.83/9.65* 12.16 4.38
Total annual saving (55°C)€
Total annual saving (45°C)€
Saving percentage increase [%]
Budapest 206/502* 378/614* 84/22*Messina 200/247* 224/261* 12/6*Milan 564/1016* 786/1143* 39/13*Pisa 478/723* 578/780* 21/8*
Analisi dei costi per pompa di calore geotermica
Confronto con sistemi tradizionali: caldaia a gas naturale (η=90%) e condizionatore a pompa di calore aria-aria (EER=3.2)
Prezzi di riferimento per elettricità e gas naturale nei due paesi (fonte Eurostat 2009)
Prezzi speciale per GSHP: “Geotarifa” per Ungheria e BTA per Italia
Confronto tra temperatura max 55°C e 45°C
A Milano con tariffa BTA si può risparmiare oltre 1000 euro all’anno
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Point m [kg/s]
m* [kg/s]
p[kPa]
p*[kPa]
T[°C]
T*[°C]
h [kJ/kg]
h* [kJ/kg]
1 111.1 111.1 500 500 195 195 2711.23 -2 105.5 105.5 489.5 195 2845.673 5.555 5.555 10.55 195 156.804 105.5 105.5 7.831 41.1 2299.255 5.555 5.555 0.1687 -38.19 -51.176 111.1 111.1 8 8 40.34 41.087 2181.73 2110.627 2.097 2.1 3.358 3.36 28.13 2552.398 2.097 2.1 13.05 13.07 175.4 2831.849 5.555 5.555 3.642 3.63 41.5 14.04
10 5.555 5.555 14.15 14.13 168.6 130.8611 7.652 7.65 27.2 27.2 171.5 177.11 870.93 849.6212 7.652 7.65 8 7 41.51 26 709.55 671.0013 2.097 2.1 3.838 3.36 41.51 2552.3914 5.555 5.555 4.162 3.63 41.51 14.0416 5440 4824.5 8 8 41.51 36,39 173.84 47.5517 33.08 154.9 27.2 27.2 66.86 32.92 279.91 33.0718 5473 4979.4 8 8 41.51 36.28 174.48 47.0919 5473 4979.4 101.3 101.3 41.67 36.30 174.60 47.2520 5368 4874.4 101.3 31.67 132.8021 31.53 153.35 27.2 31.69 132.8022 5336 4721.05 8 31.69 132.8023 32.53 24.4 101.3 31.67 132.8024 6.098 6.10 27.2 26 66.86 33 260.89 225.9934 6.098 6.10 101.3 101.3 197.8 175.82 401.02 369.16
* Articolo di Bettagli N., Bidini G., “Larderello-Farinello-ValleSecolo geothermal area: exergy analysis of the transportation network and of the electric power plants”, Dipartimento di Energetica, Università di Firenze
TV TCCV1 CC1
SEP1
Pump
Torre di raffreddamento
1
23
4 5
6
12
9
7
8 10
11
22
20
16
19
23
1314
CV2 CC2
30
31
32 33
34
2829
SEP2
21
17
18
24
25
26
27
Fluido geotermico
Acqua reiniettata
CO2 e vapore in atmosfera
A
B
Confronto con articolo di Bettagli Bidini
Dipartimento di Energetica “Sergio Stecco”, Università di Firenze DEF
24
TV TCCV1 CC1
SEP1
Pump
Torre di raffreddamento
1
23
4 5
6
12
9
7
8 10
11
22
20
16
19
23
1314
CV2 CC2
30
31
32 33
34
2829
SEP2
21
17
18
24
25
26
27
Fluido geotermico
Acqua reiniettata
CO2 e vapore in atmosfera
A
B
Component Perdite/DIstruzioniExergia [kW]
Bettagli-Bidini*DEx [kW]
Turbine TV 9332 12011Turbine TC 280.1Separator 1 1698 7800Lamination 13-7 37.17 -Lamination 14-9 40.37 -Compressor CV1 77.81 286Compressor CC1 87.06Separator 2 101.3 457Lamination 28-30 3.249 -Lamination 29-31 13.64 -Compressor CV2 20.18 171Compressor CC2 87.51Lamination 17-25 484.3 -Lamination 26-22 500.5 -Lamination 27-21 2.349 -Mix 25-16 122.9 312Pump 118.1Tower 9230 7593Reinjection 58.06 0Nocondensable 370.4 526NodeB 2.206E-09 -Tower losses 4294 2809Totale 26959 31965
Confronto analisi exergetica
* Articolo di Bettagli N., Bidini G., “Larderello-Farinello-ValleSecolo geothermal area: exergy analysis of the transportation network and of the electric power plants”, Dipartimento di Energetica, Università di Firenze
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SVILUPPI FUTURI
Nel campo della geotermia (energia rinnovabile) le due aree europee Toscana e Ungheria hanno risorse e caratteristiche che permettono una più intensa e proficua collaborazione.
Soprattutto nello sfruttamento delle risorse a bassa entalpia e del calore del terreno i margini di sviluppo e di crescita sono in entrambe le aree piuttosto ampi.