ITMI20090301A1

ITMI20090301A1 - IMPROVED GEOTHERMAL WELL

Info

Publication number: ITMI20090301A1
Application number: IT000301A
Authority: IT
Inventors: Claudio Guareschi
Original assignee: Idrogeo S N C Di Guareschi Claudio & C
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-03

Description

Descrizione Description

“POZZO GEOTERMICO MIGLIORATO” "IMPROVED GEOTHERMAL WELL"

La presente innovazione propone un pozzo geotermico, in grado di sfruttare l’acqua presente nel sottosuolo come fonte di calore a bassa entalpia per impianti di condizionamento ambientale di medie e grandi dimensioni, dotato di un sistema in grado di recuperare una parte rilevante dell’energia spesa per far circolare l’acqua prelevata da detto pozzo, all’interno dell’impianto. L’innovazione riguarda il settore della geotermia, e in particolare degli impianti per lo sfruttamento dell’energia posseduta dall’acqua presente nelle falde acquifere sotterranee che viene utilizzata per riscaldare o raffreddare abitazioni, uffici o edifici in generale, nelle varie stagioni. This innovation proposes a geothermal well, able to exploit the water present in the subsoil as a low enthalpy heat source for medium and large environmental conditioning systems, equipped with a system capable of recovering a significant part of the energy. expenditure to circulate the water withdrawn from said well, inside the plant. The innovation concerns the geothermal sector, and in particular the plants for the exploitation of the energy possessed by the water present in the underground aquifers which is used to heat or cool homes, offices or buildings in general, in the various seasons.

Al giorno d’oggi gli impianti geotermici sono una realtà sempre più presenti in Europa dove, sia per motivi ambientali sia per motivi economici, si sta ampliando la ricerca di fonti energetiche alternative. Nowadays, geothermal plants are an increasingly present reality in Europe where, both for environmental and economic reasons, the search for alternative energy sources is expanding.

Un esempio classico di utilizzo dell’energia geotermica è quello per il riscaldamento delle abitazioni attraverso un impianto a pompa di calore o di raffreddamento attraverso un impianto di condizionamento oppure entrambi, ad esempio tramite una pompa di calore reversibile. A classic example of the use of geothermal energy is that for heating homes through a heat pump system or cooling through an air conditioning system or both, for example through a reversible heat pump.

Attualmente per queste applicazioni esistono principalmente due tipologie di impianti che differiscono nella modalità con la quale viene ceduta o assorbita l’energia termica posseduta dall’acqua presente nel sottosuolo. Currently for these applications there are mainly two types of systems that differ in the way in which the thermal energy possessed by the water present in the subsoil is transferred or absorbed.

La prima tipologia racchiude gli impianti chiusi con sonda geotermica. Detti sistemi prevedono di installare all’interno del terreno delle sonde geotermiche che fungono da scambiatore di calore esterno per il liquido frigorigeno. The first type includes closed systems with geothermal probe. These systems provide for the installation of geothermal probes inside the ground that act as an external heat exchanger for the refrigerant.

Dette sonde sono costituite da una o più tubazioni inserite nel terreno all’interno di una perforazione verticale che viene poi parzialmente riempita con cemento o simili per evitare la contaminazione delle falde eventualmente incontrate. These probes consist of one or more pipes inserted into the ground inside a vertical perforation which is then partially filled with cement or the like to avoid contamination of any groundwater encountered.

All’interno di queste sonde viene fatto circolare il fluido frigorigeno della pompa di calore o dell’impianto di condizionamento che attraverso la parete del tubo preleva o cede calore dal terreno o dall’acqua circostante per poi ritornare all’interno della macchina termica. Inside these probes, the refrigerant fluid of the heat pump or air conditioning system is circulated which, through the wall of the pipe, draws or releases heat from the ground or surrounding water and then returns to the inside of the thermal machine.

I dispositivi appena descritti, se pur discretamente efficienti e vantaggiosi dal punto di vista economico, presentano però alcuni inconvenienti. The devices just described, although fairly efficient and advantageous from an economic point of view, however, have some drawbacks.

Impianti configurati in questa maniera difatti, nella maggior parte dei casi, sono in grado di fornire potenze termiche modeste, sufficienti a servire solo abitazioni o piccoli edifici. Plants configured in this way, in fact, in most cases, are able to provide modest thermal power, sufficient to serve only homes or small buildings.

Per costruzioni di dimensioni notevoli, difatti, sarebbe necessario un numero molto elevato di sonde geotermiche inserite all’interno del terreno; tale operazione risulta, però, troppo costosa e non realizzabile a livello pratico. Per impianti che necessitano potenze superiori, ad esempio in grado di coprire edifici con molte utenze o grandi complessi, è conveniente invece utilizzare una seconda tipologia di impianti, ovvero impianti che sfruttano pozzi geotermici con prelievo dell’acqua da una falda sotterranea e successiva reimmissione nella stessa falda o in una adiacente dopo l’uso. Questi impianti comprendo un primo pozzo scavato fino alla profondità alla quale si trova la falda acquifera di interesse dal quale viene prelevata, tramite una pompa immersa, una certa portata di acqua che viene fatta circolare all’interno dell’impianto a pompa di calore, o simili, che si trova in superficie. All’interno della pompa di calore o dell’impianto di condizionamento l’acqua attraversa uno scambiatore chiuso dove scambia energia termica con il liquido frigorigeno. For buildings of considerable size, in fact, it would be necessary to have a very large number of geothermal probes inserted inside the ground; this operation is, however, too expensive and not feasible on a practical level. For systems that require higher powers, for example capable of covering buildings with many users or large complexes, it is instead convenient to use a second type of systems, i.e. systems that use geothermal wells with water withdrawal from an underground water table and subsequent reintroduction into the same or adjacent pitch after use. These systems include a first well dug up to the depth at which the aquifer of interest is located from which a certain flow of water is taken, through an immersed pump, which is circulated inside the heat pump system, or similar, located on the surface. Inside the heat pump or air conditioning system, the water passes through a closed exchanger where it exchanges thermal energy with the refrigerant.

Detta acqua prelevata, non venendo a contatto con il liquido frigorigeno o con altri agenti inquinanti, può essere quindi reimmessa nella stessa falda di prelievo o in una falda adiacente attraverso un secondo pozzo. Since said water withdrawn does not come into contact with the refrigerant liquid or with other polluting agents, it can then be reintroduced into the same sampling aquifer or into an adjacent aquifer through a second well.

Questi sistemi oggigiorno, se ben progettati, garantiscono rendimenti elevati e consistenti risparmi energetici. These systems today, if well designed, guarantee high yields and consistent energy savings.

Tuttavia è possibile migliorare ancora l’efficienza energetica di un pozzo geotermico con prelievo e reimmissione di acqua in falda. However, it is possible to further improve the energy efficiency of a geothermal well with the withdrawal and return of water in the groundwater.

La caratteristica vantaggiosa degli impianti che sfruttano la pompa di calore per il riscaldamento, o a pompa reversibile per riscaldamento e raffreddamento, è quella di sfruttare l’energia termica posseduta da un serbatoio “infinito” come ad esempio l’aria esterna oppure un liquido come l’acqua di falda, di laghi o bacini. The advantageous feature of systems that use the heat pump for heating, or with a reversible pump for heating and cooling, is to exploit the thermal energy possessed by an "infinite" tank such as the external air or a liquid such as groundwater, lakes or reservoirs.

Ovviamente i risultati migliori si ottengono utilizzando le acque delle falde sotterranee sia per la costanza di temperatura (compresa in genere fra i 10 °C e 20 °C) nelle varie stagioni, sia per la migliore capacità di scambio termico del liquido rispetto a quella dell’aria. Obviously the best results are obtained by using the water from the groundwater both for the constant temperature (generally between 10 ° C and 20 ° C) in the various seasons, and for the better heat exchange capacity of the liquid compared to that of the 'air.

Nel caso di impianti geotermici che sfruttano l’acqua di falda prelevata da un pozzo sotterraneo, l’energia necessaria per la produzione di calore o per il condizionamento è data dalla somma dell’energia elettrica assorbita dal compressore della pompa di calore, o della pompa reversibile, e dell’energia elettrica assorbita dalla pompa di prelievo per portare l’acqua dalla falda sotterranea fino alla superficie dove generalmente si trova la pompa di calore. Una volta terminata la circolazione all’interno della pompa di calore l’acqua possiede però ancora una certa energia potenziale data dalla differenza fra la quota geodetica alla quale è installata la pompa di calore e il pelo libero dell’acqua nella falda sotterranea. In the case of geothermal systems that use groundwater taken from an underground well, the energy required for the production of heat or for air conditioning is given by the sum of the electricity absorbed by the compressor of the heat pump, or of the pump. reversible, and the electricity absorbed by the withdrawal pump to bring the water from the groundwater to the surface where the heat pump is generally located. However, once the circulation inside the heat pump is complete, the water still has a certain potential energy given by the difference between the geodetic altitude at which the heat pump is installed and the free surface of the water in the underground water table.

Negli impianti noti questa energia viene sprecata in quanto l’acqua viene semplicemente scaricata nel pozzo di reimmissione trasformando l’energia potenziale in energia cinetica (velocità) che viene poi dissipata durante la miscelazione fra l’acqua proveniente dalla tubazione di scarico e l’acqua ferma della falda. In known plants, this energy is wasted as the water is simply discharged into the return well, transforming the potential energy into kinetic energy (speed) which is then dissipated during the mixing between the water coming from the discharge pipe and the water. stop of the flap.

Lo scopo della presente innovazione è quindi quello di realizzare un pozzo geotermico per impianti con prelievo d’acqua di falda e successiva reimmissione nella stessa, o in una falda vicina, in grado di recuperare, nella maggior quantità possibile, l’energia spesa per il sollevamento dell’acqua dalla falda sotterranea fino alla superficie. The purpose of the present innovation is therefore to create a geothermal well for plants with withdrawal of water from the groundwater and subsequent reintroduction into the same, or into a nearby groundwater, capable of recovering, in the greatest possible quantity, the energy spent for the raising water from the groundwater to the surface.

Tale scopo è raggiunto, conformemente all’innovazione, installando lungo la tubazione di scarico un gruppo turbina che trasforma l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica. This purpose is achieved, in accordance with the innovation, by installing a turbine unit along the discharge pipe that transforms the kinetic energy of the water into mechanical energy.

Detta turbina, preferibilmente una turbina assiale, in uscita è collegata a un generatore di corrente, come ad esempio un alternatore o simili, che trasforma l’energia meccanica della turbina in energia elettrica che può essere riutilizzata per alimentare l’impianto stesso oppure reimmessa nella rete e venduta al fornitore del servizio elettrico locale. Said turbine, preferably an axial turbine, at the outlet is connected to a current generator, such as an alternator or the like, which transforms the mechanical energy of the turbine into electrical energy which can be reused to power the plant itself or fed back into the network and sold to the local electricity service provider.

In questo modo è possibile recuperare una buona parte dell’energia elettrica spesa per far circolare l’acqua all’interno dell’impianto aumentando ulteriormente il rendimento e l’efficienza di questi impianti di riscaldamento e condizionamento a basso consumo. In this way it is possible to recover a large part of the electricity spent to circulate the water inside the system, further increasing the performance and efficiency of these low-consumption heating and air conditioning systems.

La presente innovazione sarà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui: The present innovation will now be described in detail, by way of non-limiting example, with reference to the attached figures in which:

la figura 1 è una vista schematica di un impianto geotermico realizzato secondo l’innovazione; Figure 1 is a schematic view of a geothermal plant built according to the innovation;

la figura 2 è un dettaglio della figura 1 che illustra il gruppo turbina e il generatore di corrente, secondo l’innovazione. Figure 2 is a detail of Figure 1 which illustrates the turbine unit and the current generator, according to the innovation.

Con riferimento alla figura 1, il pozzo geotermico per il riscaldamento o il condizionamento di un edificio 1 comprende un primo pozzo di prelievo indicato con 2 e un secondo pozzo di reimmissione indicato con 3, entrambi scavati nel terreno fino a una profondità dove si trova la falda acquifera 4. Come già accennato la falda può essere la stessa per il prelievo e la reimmissione oppure possono essere falde adiacenti anche a profondità diverse. With reference to Figure 1, the geothermal well for heating or conditioning a building 1 comprises a first withdrawal well indicated with 2 and a second return well indicated with 3, both dug into the ground up to a depth where the aquifer 4. As already mentioned, the aquifer can be the same for withdrawal and reintroduction or they can be adjacent aquifers even at different depths.

Detti pozzi 2 e 3, in corrispondenza della falda 4, presentano una serie di aperture o feritoie sulla parete laterale, non indicate in figura, che consentono all’acqua circostante di riempire il pozzo, impedendo però il passaggio di pietre, fango e simili. Said wells 2 and 3, at the water table 4, have a series of openings or slits on the side wall, not shown in the figure, which allow the surrounding water to fill the well, while preventing the passage of stones, mud and the like.

All’interno del pozzo di prelievo 2 è inserita una prima tubazione 5 che collega la pompa sommersa 6 alla pompa di calore 10, o pompa reversibile, che si trova sostanzialmente a livello della superficie. Inside the sampling well 2 a first pipe 5 is inserted which connects the submersible pump 6 to the heat pump 10, or reversible pump, which is substantially at the level of the surface.

Dalla pompa di calore 10 parte una seconda tubazione di scarico 7 che si inserisce nel secondo pozzo 3 fino a una profondità dove si trova la falda acquifera 4. A second discharge pipe 7 starts from the heat pump 10 and is inserted into the second well 3 up to a depth where the aquifer 4 is located.

Nella parte terminale di detta tubazione di scarico 7 è istallato un gruppo turbina indicato nel complesso con 8 collegato tramite una linea d’asse a un generatore di corrente 9. In the terminal part of said discharge pipe 7 there is installed a turbine unit indicated as a whole with 8 connected via an axis line to a current generator 9.

Conformemente all’innovazione detto gruppo turbina 8 comprende una cassa tubolare 11, disposta assialmente rispetto alla tubazione 7 all’interno della quale sono presenti una pluralità di giranti assiali 12 calettate su unico albero 13. According to the innovation, said turbine group 8 comprises a tubular casing 11, axially arranged with respect to the pipe 7 inside which there are a plurality of axial impellers 12 keyed on a single shaft 13.

Detto albero 13 è collegato alla linea d’asse 14 che porta il moto dal gruppo turbina 8 al generatore di corrente 9, un alternatore o simili, che si trova vicino alla superficie in corrispondenza dell’apertura 15 del pozzo 3. Said shaft 13 is connected to the axis line 14 which carries the motion from the turbine unit 8 to the current generator 9, an alternator or the like, which is located near the surface at the opening 15 of the well 3.

In uscita dalla cassa 11 del gruppo turbina 8 è presente un diffusore conico 16, immerso nell’acqua presente sul fondo del pozzo 3, collegato direttamente alla cassa 11 oppure tramite un tronco di tubazione 17. Outgoing from the case 11 of the turbine unit 8 there is a conical diffuser 16, immersed in the water present on the bottom of the well 3, connected directly to the case 11 or through a section of pipe 17.

Il funzionamento del dispositivo è descritto qui di seguito. The operation of the device is described below.

La pompa sommersa 6 aspira dal fondo del pozzo 2 una certa portata di acqua dalla falda 4 che, tramite la tubazione 5, è inviata alla pompa di calore 10, o ad altre macchine termiche simili, per il riscaldamento o per il condizionamento dell’edificio 1. The submersible pump 6 draws from the bottom of the well 2 a certain flow of water from the groundwater 4 which, through the pipe 5, is sent to the heat pump 10, or to other similar thermal machines, for heating or air conditioning the building. 1.

Nella pompa di calore 10 l’acqua attraversa uno scambiatore di calore chiuso, non illustrato in figura, dove cede o assorbe energia termica dal liquido frigorigeno, per poi essere scaricata attraverso la tubazione 7. In the heat pump 10, the water passes through a closed heat exchanger, not shown in the figure, where it transfers or absorbs thermal energy from the refrigerant, and is then discharged through pipe 7.

Nella parte terminale di detta tubazione 7 l’acqua attraversa il gruppo turbina 8 azionando le giranti 12 che mettono in rotazione l’albero 13 e, tramite la linea d’asse 14, anche il generatore di corrente 9. In the terminal part of said pipe 7, the water passes through the turbine unit 8 by activating the impellers 12 which rotate the shaft 13 and, through the axis line 14, also the current generator 9.

Prima di essere scaricata all’interno del pozzo 3 l’acqua attraversa un diffusore 16 che riduce ulteriormente la velocità del flusso per aumentare il rendimento della turbina. Before being discharged into the well 3, the water passes through a diffuser 16 which further reduces the flow speed to increase the turbine's efficiency.

Un pozzo geotermico così configurato permette quindi di recuperare un quantitativo ulteriore di energia con una semplice modifica agli impianti realizzati secondo la tecnica nota. A geothermal well thus configured therefore allows to recover a further quantity of energy with a simple modification to the plants built according to the known technique.

L’innovazione in particolare risulta molto vantaggiosa se applicata in zone dove le falde acquifere si trovano alla profondità di alcune decine di metri; difatti maggiore è la quota di sollevamento dell’acqua, maggiore è la quantità di energia potenziale recuperabile grazie alla turbina. The innovation in particular is very advantageous if applied in areas where the aquifers are located at a depth of a few tens of meters; in fact, the greater the elevation of the water, the greater the amount of potential energy that can be recovered thanks to the turbine.

Questa energia, che viene poi trasformata dal generatore in energia elettrica, può essere usata direttamente nell’impianto di riscaldamento o condizionamento, oppure reimmessa nella rete e venduta a un fornitore di servizi elettrici. This energy, which is then transformed by the generator into electricity, can be used directly in the heating or air conditioning system, or fed back into the grid and sold to an electrical service provider.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere modifiche o varianti che dovranno ritenersi tutte comprese nell’ambito del presente trovato. An expert in the art can then provide for modifications or variations which must all be considered included within the scope of the present invention.

Claims

CLAIMS 1) Geothermal well for the withdrawal of water from an underground aquifer to be used as a low enthalpy heat source comprising a first well dug up to a depth at which there is an aquifer for the withdrawal of groundwater, means suitable for pumping, through a first pipe, said surface water towards the heating or air conditioning systems, a second pipe to discharge the water into a second return well in the same sampling aquifer or in an adjacent aquifer, characterized by the fact of providing on the second water discharge pipe means for transforming the potential energy of the discharged water, given by the difference in height between the inlet of the discharge pipe and the water level in the return well, into another form of energy that can be stored and used for other purposes.

2) The geothermal well, according to claim 1, characterized by the fact that said means suitable for transforming the potential energy of the discharged water comprise a turbine unit installed near the bottom of the return well, driven by the flow of water in exhaust and a current generator, connected to said turbine unit, which transforms the mechanical energy supplied by the turbine into electrical energy.

3) The geothermal well, according to claim 2, characterized in that said turbine unit comprises one or more axial impellers keyed on a single shaft, connected to the current generator.

4) The geothermal well, according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that a conical diffuser is mounted on the second discharge pipe to further reduce the speed of the discharge water flow and increase the efficiency of the turbine unit.

5) The geothermal well, according to claim 4, characterized in that said diffuser is connected directly to the exhaust of the turbine unit.

6) The geothermal well, according to claim 4, characterized in that said diffuser is connected to the discharge of the turbine unit by means of a section of pipe.