geotermia in toscana e ungheria: 3 progetti studiati

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:


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


3

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)


4

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


5

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)


6

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


7

Modello di impianto Dry Steam per Larderello

TV TCCV1 CC1

SEP1

Pump


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


A

B

Caratteristiche principali

Torre di raffreddamento: range=10°C, TaOUT=35°C

NDCT: natural draft

MCT: mechanical


8

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%


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


10

TURB

PA

EVA

COND


1

2

3

56

7

8

9

PP

A

From the well

To the well


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



11

TURB

PA

EVA

COND


1

2

3

56

7

8

9

PP

A

From the well

To the well


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



12

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%


13

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


14

Pompe di calore geotermiche

Principio di funzionamento:

Pompa di calore

Sonda geotermica (BHE)

Serbatoio di accumulo

Sistema di distribuzione


15

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


16

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


17

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


18

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


19

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)


20

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


21

Grazie per l’attenzione

Köszönöm a figyelmet


22

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


23

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


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


A

B

Confronto con articolo di Bettagli Bidini


24

TV TCCV1 CC1

SEP1

Pump


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


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


25

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.

geotermia in toscana e ungheria: 3 progetti studiati

Technology

zona ad alta entalpia

bacino ad alta temperatura

europa toscana e alto

larderelloa vapore dominante

ground source heat pumps

generazione elettrica

geothermal power generation

eu regions