Feasibility study of ground-source heat pumps in Northern Québec

Nella regione nord del Québec (Nunavik) esistono comunità remote totalmente scollegate con la rete stradale ed elettrica del resto del Paese, nelle quali il riscaldamento degli ambienti, l’acqua sanitaria e l’energia elettrica vengono prodotti interamente con caldaie e generatori a gasolio. Kuujjuaq è la comunità più popolosa (~2500 abitanti) di questa regione e presenta un fabbisogno termico è di circa 33 MWh/unità abitativa, con clima subartico e con una temperatura media annua di 3.6°C ed una presenza discontinua di permafrost. In tale contesto si è cercato di trovare la soluzione tecnologica migliore per ridurre le emissioni di CO2 ed operare un efficientamento energetico nella comunità di Kuujjuaq sfruttando l’energia geotermica del terreno a basse profondità con la tecnologia delle pompe di calore accoppiate a sonde geotermiche verticali. La tesi presenta un’analisi di fattibilità economica e tecnologica mettendo a confronto lo scenario attuale in cui si utilizzano caldaie a diesel e quello in cui avviene una totale e parziale sostituzione delle caldaie a diesel con pompe di calore a compressione di vapore, alimentate da corrente elettrica, e ad assorbimento, alimentate da gasolio. Per ogni scenario è stato calcolato il tempo di ritorno (payback time) dell’investimento e il risparmio di CO2 che ne deriva. Per studiare il funzionamento dell’impianto sono state effettuate simulazioni numeriche di trasporto di calore nel terreno con il codice agli elementi finiti FEFLOW®, attraverso il quale è stata verificata l'efficienza di scambio, la risposta termica del fluido termovettore circolante all’interno della sonda e del sottosuolo per un periodo di 20 anni. Le simulazioni hanno tenuto conto, attraverso il plugin FTM, della variazione di fase da liquido a solido dell’acqua di falda, che comporta una notevole variazione delle proprietà termiche e lo scambio isotermo di calore latente di solidificazione/fusione. La soluzione migliore in termini economici e tecnologici è stata ottenuta con pompe di calore ad assorbimento nel caso di una copertura del fabbisogno termico al 66% (integrando il resto con la caldaia), installando una sonda di lunghezza pari a 200m e diametro di perforazione 3 pollici. In questo contesto, è stato raggiunto un Gas Utilization Efficiency (GUE) pari a 1,25. Tutte le simulazioni effettuate, però, hanno evidenziato tempi di ritorno superiori alla vita utile d’impianto, rendendo quindi necessario corrispondere degli incentivi per promuovere la realizzazione di questi impianti.