L`energia geotermica, Dott. Andrea D`Oriano, Dott.ssa

L’energia
geotermica
Andrea D’Oriano, Emanuela Petruccione*
Ergasum S.r.l.
Convegno CAI
5 marzo 2016
Napoli
Il calore terrestre
La Terra si è formata circa 4,6 miliardi di anni fa,
e qualsiasi forma di calore residuo sarebbe stata
dissipata parecchi milioni di anni fa verso lo
spazio.
Eppure la temperatura della Terra cresce man
mano che si scende in profondità.
Oggi sappiamo che il calore dell’interno della
Terra (ci riferiamo in genere al mantello
superiore o astenosfera, da cui i vulcani
attingono materiale) viene continuamente
prodotto dal decadimento radioattivo degli
elementi, come uranio, torio, rubidio, ecc.,
presenti nelle rocce del mantello e della crosta
terrestre.
Il calore terrestre
Il calore terrestre si propaga
dall’interno verso l’esterno del
pianeta
attraverso
processi
conduttivi (non associati a trasporto
di materia) e convettivi e advettivi
(tramite un fluido vettore).
Lo 0.1% dell’energia termica
immagazzinata nella crosta terrestre
potrebbe soddisfare la richiesta
energetica mondiale per 10.000 anni
Il gradiente geotermico
Il gradiente geotermico dà la misura
dell’aumento di temperatura con la
profondità. In media è di 2,5°-3°C/100
m.
Si può prevedere che a 3000 m di
profondità, la temperatura sia di circa 90°105°C
In certe “aree geotermiche” il gradiente può
raggiungere valori superiori a dieci volte
quello normale.
Mentre esistono vaste regioni della crosta
terrestre dove il valore del gradiente
geotermico può essere anche inferiore a
1°C/100 m.
Il gradiente geotermico
Carta della distribuzione delle anomalie del
gradiente geotermico
Da La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007.
Il flusso di calore
Il flusso di calore è originato dalla differenza di
temperatura tra le zone più profonde, calde,
e quelle superficiali, più fredde.
Nelle zone continentali il flusso medio è di
0,065 W/m2 mentre nelle zone oceaniche è di
0,101 W/m2 con un valore medio di 0,087
W/m2.
Per motivi geodinamici l’Italia è un paese
caratterizzato da forti anomalie positive di
calore (i.e. elevati flussi di calore).
Larderello (fino a 1 W/m2)
Monte Amiata (fino a 0,6 W/m2).
Natura delle risorse geotermiche
Le principali aree ad alto
potenziale
geotermico sono
collocate in corrispondenza dei
margini di placca
L’energia geotermica
Il calore è una forma di energia e, in senso stretto, l’energia geotermica è il calore contenuto
all’interno della Terra.
L’espressione “energia geotermica” è generalmente impiegata, nell’uso comune, per indicare
quella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo ed essere
sfruttata dall’uomo.
~ 30 °C/km
> 1000 °C
Ai fini dell’utilizzo energetico, viene
indicata come risorsa geotermica
quella il cui calore può venire estratto
da
profondità
economicamente
sostenibili ed accessibili alle tecnologie
correnti.
> 3000 °C
> 5000 °C
nucleo
Un po’ di storia…..
Le prime testimonianze del rapporto tra l’uomo e le manifestazioni del calore terrestre, in Italia,
risalgono al Neolitico medio-superiore, periodo per il quale si hanno prove sulla frequentazione
non occasionale delle località termali e sugli usi dei sottoprodotti dell’energia geotermica.
La più antica struttura termale
nota in Italia: tholos (edificio a
cupola) con funzione di sudatorio
e contigua piscina termale
all’aperto a San Calogero, Lipari,
isole Eolie (1600 a.C. circa).
(La Geotermia ieri, oggi, domani,
UGI, 2007.)
Un po’ di storia…..
Nel 1827 Francesco Larderel, proprietario di una piccola
industria chimica per estrarre l’acido borico dalle acque calde,
ideò un sistema per sfruttare il calore nel processo di
evaporazione e nello stesso periodo si cominciò anche ad
utilizzare l’energia meccanica
"Lagone coperto” a Larderello. All’interno di
queste strutture in mattoni erano raccolte e
fatte evaporare le acque boriche.
Un po’ di storia…..
Il principe Piero Ginori ed il primo esperimento di
generazione di energia elettrica con vapore geotermico.
Larderello, Toscana 1904.
(La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007)
La prima centrale geotermoelettrica del mondo, di
250 KW di potenza istallata a Larderello nel 1913.
(La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007).
I sistemi geotermici
Un sistema geotermico viene definito come: “Un sistema acqueo convettivo che, in uno spazio
confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica
al luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)”.
(Hochstein, 1990).
Esso è caratterizzato da tre elementi
fondamentali:
• Sorgente di calore: permette il
riscaldamento delle rocce e dei fluidi (aria,
acqua o fasi miste) che circolano al loro
interno
• Serbatoio: permette l’accumulo dei fluidi, la
loro circolazione e ricambio
• Fluido: entrando freddo nel sistema, si
riscalda ed assume quindi la vera funzione
di vettore di calore trasportandolo verso i
livelli più superficiali
I sistemi geotermici
I sistemi geotermici sono spesso
suddivisi tra sistemi ad acqua dominante
ed a vapore dominante:
ACQUA DOMINANTE
l’acqua liquida è la fase continua e che controlla la pressione. Il vapore può essere
presente in forma di bolle. Questi sistemi geotermici, la cui temperatura può andare
da 125° a 225°C, sono i più diffusi nel mondo e possono produrre acqua calda, una
miscela di acqua e vapore o vapore umido.
VAPORE DOMINANTE (a vapore secco)
coesistono nel serbatoio acqua liquida e vapore, che è la fase continua e controlla la
pressione. Sono sistemi ad alta temperatura, anche superiori ai 350°C e
normalmente producono vapore secco o surriscaldato (Larderello in Italia e The
Geysers in California).
I sistemi geotermici
Viene anche fatta una suddivisione in
funzione della modalità di ricarica del
serbatoio geotermico
SISTEMI DINAMICI
L’’acqua ricarica in continuazione il serbatoio, si riscalda ed è poi scaricata alla
superficie o nel sottosuolo stesso nelle formazioni rocciose permeabili all’intorno. Il
calore è acquisito dal sistema per convezione e per effetto della circolazione dei fluidi.
SISTEMI STATICI
La ricarica del serbatoio è molto ridotta e lo scambio termico avviene soltanto per
conduzione. Comprende sistemi a bassa T e i sistemi geopressurizzati. Questi possono
formarsi nei grandi bacini sedimentari a profondità di 3–7 km. Sono formati da rocce
sedimentarie permeabili, inglobate entro strati impermeabili a bassa conduttività,
contenenti acqua calda pressurizzata, che è rimasta intrappolata al momento della
deposizione.
I sistemi geotermici
I sistemi geotermici vengono anche
classificati in base al loro potenziale
termico (ENTALPIA)
Alta Entalpia (T > 150°C)
Media Entalpia (90°C < T < 150°C)
Bassa Entalpia (T < 90°C)
Utilizzi dell’energia geotermica
L'utilizzo convenzionale dell'energia geotermica è identificato dalla suddivisione in due categorie
principali: per produzione di energia elettrica (risorse ad alta-media entalpia) e per usi diretti
del calore (risorse a bassa-media entalpia). Le possibilità di utilizzo dell'energia geotermica a
temperature inferiori a quelle comunemente utilizzate per la produzione geotermoelettrica
sono notevoli e spaziano dalle comuni terme ai sempre più frequenti utilizzi diretti per scopi
agroalimentari, florovivaistici ed industriali.
CNR-IGG, Progetto VIGOR
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
Il calore sotterraneo non viene utilizzato direttamente per la produzione di energia, ma
attraverso una massa d’acqua che scambia ed estrae il calore immagazzinato nelle rocce (sistemi
idrotermali)
La potenza elettrica è prodotta dalla conversione di energia termica immagazzinata nella massa
d’acqua (T da 90°C a 350°C) in energia meccanica attraverso una turbina, direttamente
(tecnologia convenzionale flash) o indirettamente (tecnologia binaria), ed infine in energia
elettrica grazie al generatore
10 MWt (termico) => 1 Mwe (elettrico)
1 MWe richiede:
• 7 - 10 t/h di vapore secco
• 30-40 t/h di fluido bifase a 200-250°C (tecnologia flash)
• 400 - 600 t/h di acqua se si utilizzano cicli binari ORC a bassa entalpia (120-160°C)
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
Sistemi a vapore dominante: normalmente coesistono nel serbatoio acqua liquida e vapore, che
è la fase continua che controlla la pressione. Sono sistemi ad alta temperatura e normalmente
producono vapore secco o surriscaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono molto rari
(Larderello in Italia, The Geysers in California, Matsukawa in Giappone, Kamojang e Darajat in
Indonesia).
Sistemi ad acqua dominante: l’acqua liquida è la fase continua, che controlla la pressione.
Vapore può essere presente, in forma di bolle. Questi sistemi geotermici (125 °C < 225°C)
sono i più diffusi nel mondo. Essi possono produrre, in funzione dalla loro temperatura e
pressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore
secco. Sono i più diffusi (es. Wairakei in Nuova Zealanda, Tongonan nelle Filippine, e Cerro Prieto
in Messico).
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
Sistemi a vapore
dominante
Impianti a vapore secco
Impianti a separazione di vapore (singolo o
doppio flash)
Sistemi ad acqua
dominante
Impianti binari
Impianti combinati
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
SISTEMI A VAPORE DOMINANTE (DRY STEAM)
I sistemi a vapore dominante utilizzano vapore ad alta temperatura (>235°) e pressione per
muovere una turbina Rankine accoppiata ad un generatore di energia elettrica.
Questo tipo di impianto è molto efficiente ma ha una scarsa distribuzione.
Il più grande serbatoio di questo tipo, sfruttato fin dagli anni '60, è "The Geysers", che si trova
circa 140 km a Nord di San Francisco in California (Usa).
Il primo campo di questo genere al mondo è stato invece quello di Larderello in Toscana.
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
SISTEMI AD ACQUA DOMINANTE
Impianti a separazione di vapore (singolo o doppio flash)
I sistemi geotermici ad acqua dominante con temperatura dei fluidi superiore a 150°-170°C
sono impiegati per alimentare centrali “a singolo o doppio flash”.
L'acqua arriva in superficie tramite i pozzi e poiché passa rapidamente dalla pressione del
serbatoio a quella dell'atmosfera, si separa in una parte di vapore (flash singolo), che è mandato
in centrale, e una parte di liquido che è re-iniettato nel serbatoio.
Se il fluido geotermico arriva in superficie con temperature particolarmente elevate, allora può
essere sottoposto per due volte ad un processo di «flash» (doppio flash).
Questi tipi di impianti sono i più importanti in termini di potenza istallata.
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
SISTEMI AD ACQUA DOMINANTE
Impianti a ciclo binario
Gli impianti a ciclo binario vengono utilizzati per sfruttare serbatoi che producono acqua a
temperature moderate (tra i 120 e i 180°C).
In questi impianti il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno
scambiatore di calore, un secondo liquido bassobollente (ad esempio isobutano o isopentano). Il
fluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore in
un circuito chiuso, senza scambi con l'esterno.
La tecnologia del ciclo binario è la più diffusa e redditizia.
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
Thailand
Australia
Austria
Germany
Ethiopia
France
China
Portugal
Guatemala
Papua New Guinea
Russia
Nicaragua
Turkey
Costa Rica
Kenya
El Salvador
La generazione geotermoelettrica italiana
corrisponde a:
8,5 % di quella mondiale,
1,9 % della generazione nazionale
25 % dei consumi elettrici della
Toscana.
Japan
Iceland
New Zealand
Italy
Mexico
Indonesia
Philippines
USA
0
1000
2000
3000
4000
Tecnologie per la produzione di energia elettrica
IMPATTO AMBIENTALE
La Geotermia è spesso considerata come una fonte di energia alternativa rinnovabile, pulita e
sostenibile rispetto a quelle convenzionali , ma il suo sfruttamento (in particolare l’alta entalpia)
può produrre sia benefici che effetti negativi sull’ambiente e sulla popolazione locale anche se
gli impatti della geotermia sono sensibilmente inferiori sia rispetto alle fonti non rinnovabili sia
rispetto alle altre fonti rinnovabili.
Si possono individuare i seguenti tipi di conseguenze ambientali: emissioni di gas in atmosfera,
utilizzo e contaminazione delle acque, emissioni solide sia in superficie che in atmosfera,
inquinamento acustico, uso del suolo ed impatti visivi, subsidenze, sismicità indotta, frane,
alterazione degli habitat di flora e fauna, eventi catastrofici.
In molti casi l’entità degli effetti sull’ambiente prodotti dallo sfruttamento dell’energia
geotermica è proporzionale alla scala dell’utilizzazione. La produzione di elettricità con impianti
a ciclo binario produce effetti simili a quelli degli usi diretti. L’impatto sull’ambiente è
potenzialmente maggiore nel caso di centrali elettriche convenzionali, specialmente per ciò che
riguarda la qualità dell’aria, ma può essere in ogni caso mantenuto entro limiti accettabili e assai
inferiori rispetto ad impianti di pari potenza ma alimentati da fonti non tradizionali.
Uso diretto del calore
L’uso diretto del calore è una delle più antiche e versatili forme di utilizzo dell’energia
geotermica ed anche il più diffuso.
Generalmente viene impiegato per riscaldare e raffrescare ambienti e nei processi agricoli ed
industriali.
La maggior parte dei processi che richiedono l’uso di calore può utilizzare le risorse geotermica
in alternativa o ad integrazione di elettricità, petrolio o gas naturale. Se la temperatura
dell'acqua geotermica non è sufficientemente elevata, può essere integrata con gli altri metodi
convenzionali (come l’elettricità, carbone o olio combustibile, solare), riducendo così una parte
dei costi necessari per portare il fluido alla temperatura richiesta.
Uso diretto del calore
Uso diretto del calore
TELERISCALDAMENTO
Il riscaldamento geotermico
convenzionale utilizza direttamente
gli acquiferi del sottosuolo con
temperature comprese fra 30° e
150°C.
Esso permette sia di fornire calore
per il riscaldamento domestico sia
di produrre acqua calda sanitaria
mediante scambiatori di calore
posti all'interno delle singole
costruzioni o centralizzati.
Uso diretto del calore
RISCALDAMENTO URBANO A FERRARA
Una trivellazione petrolifera ha evidenziato
nel 1965 una risorsa geotermica a 102 °C
ad una profondità di 1.1 km. Sono
attualmente in funzione tre pozzi, due di
produzione e uno di re-iniezione. Dagli gli
scambiatori di calore situati a prossimità dei
pozzi, una condotta isolata di 2 km
trasporta l’acqua di riscaldamento a 95 °C
verso la centrale: questa è composta da
serbatoi di stoccaggio, da caldaie a gas per i
picchi di domanda e da un inceneritore. La
rete di distribuzione, di una lunghezza
totale di 30 km, alimenta una parte
importante della città di Ferrara. Il
contributo della geotermia sulla rete
rappresenta circa il 60 % del fabbisogno di
calore e permette di sostituire 5'000
tonnellate di petrolio all’anno.
Uso diretto del calore
SCAMBIO DI CALORE
(impianti geotermici a bassa entalpia)
Lo scambio di calore avviene mediante sonde geotermiche, tubi di polietilene o altro materiale
infissi o sepolti nel sottosuolo, attraversati da un fluido vettore (acqua o altro).
Il fluido, una volta riscaldato/raffreddato e riportato in superficie non è, da solo, in grado di
riscaldare/raffrescare l’ambiente a sufficienza.
Si ricorre allora a una pompa di calore, una macchina in grado di spostare calore da un corpo
più freddo ad uno più caldo a spese di energia elettrica
Uso diretto del calore
SCAMBIO DI CALORE
(Impianti geotermici a bassa entalpia)
Sonde geotermiche verticali / orizzontali
presenza / assenza acquifero
Uso diretto del calore
SCAMBIO DI CALORE
(Impianti geotermici a bassa entalpia)
La climatizzazione (riscaldamento e raffreddamento) di ambienti con l’energia geotermica si è
diffusa notevolmente a partire dagli anni ’80, a seguito dell’introduzione nel mercato e della
diffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibili permettono di
estrarre ed utilizzare economicamente il calore contenuto in corpi a bassa temperatura, come
terreno, acquiferi poco profondi, masse d’acqua superficiali, ecc.
Uso diretto del calore
GLI USI AGRICOLI DEI FLUIDI GEOTERMICI
Comprendono l’agricoltura a cielo aperto ed il riscaldamento di serre.
L’acqua calda può essere usata nell’agricoltura a cielo aperto per irrigare e/o riscaldare il suolo.
Nell’agricoltura a cielo aperto, il controllo della temperatura può consentire di:
• prevenire i danni derivanti dalle basse temperature ambientali,
• estendere la stagione di coltivazione
• aumentare la crescita delle piante ed incrementare la produzione
• sterilizzare il terreno
Uso diretto del calore
GLI USI AGRICOLI DEI FLUIDI GEOTERMICI
L’utilizzazione più comune dell’energia
geotermica in agricoltura è, comunque, il
riscaldamento di serre, che è stato sviluppato
su larga scala in molti paesi.
La coltivazione di verdure e fiori fuori stagione
o in climi non propri può essere realizzata
avendo a disposizione una vasta gamma di
tecnologie.
Uso diretto del calore
L’acquacoltura, vale a dire l’allevamento controllato di forme di vita acquatiche, in questi ultimi
tempi si è diffuso notevolmente in campo mondiale, a seguito dell’ampliamento del mercato.
Il controllo della temperatura di crescita per le specie acquatiche è molto più importante che
per le specie terrestri.
Uso diretto del calore
TERMALISMO E BALNEOLOGIA
L'acqua geotermica e le acque minerali vengono utilizzate per il bagno (termalismo) e per la
salute (balneologia) da migliaia di anni in tutto il mondo.
La Balneologia è la pratica di utilizzare acqua minerale naturale per il trattamento e la cura
delle malattie.
Uso diretto del calore
IMPATTO AMBIENTALE
L’utilizzo diretto del calore (Teleriscaldamento e impianti geotermici a bassa entalpia) è
sicuramente il modo più «pulito» di utilizzare l’energia geotermica.
In particolare nell’utilizzo di impianti geotermici a bassa entalpia, i vantaggi sono evidenti:
•
•
•
•
•
Possono essere realizzati praticamente ovunque
Non prevedono l’emungimento della falda e relativa reimmissione
Zero emissioni di gas serra e polveri sottili
Nessun impatto visivo
Bassi consumi di energia (se associato ad impianto fotovoltaico
autosufficiente)
il
sistema diventa
Sviluppi futuri della geotermia
La geotermia rappresenta una delle poche fonti di energia primaria di cui dispone
l’Italia. Si tratta di risorse sempre sostenibili, spesso rinnovabili, ovunque compatibili
con l’ambiente, ed ora anche convenienti sul piano economico a tutti i livelli di
temperatura. Tenendo quindi presente il probabile ulteriore aumento dei prezzi delle
fonti tradizionali di energia nei prossimi anni, per le due forme di utilizzazione delle
risorse geotermiche si possono prevedere gli obiettivi seguenti: per l’energia elettrica,
a fronte degli 810,5 Mwe installati e dei 5,5 miliardi di kWh prodotti nel 2006
(corrispondenti ad 1,1 milioni di tep), la potenza installata nel 2020 può giungere a
1.500 MWe, con una generazione di 10 miliardi di kWh/anno, pari al fabbisogno
elettrico di 9 milioni di abitanti. Ciò rappresenta il raddoppio della produzione del
2006, e corrisponde ad un risparmio di oltre 2 milioni di tep.
Per gli usi diretti, a fronte dei 650 MWt installati e di una produzione corrispondente
ad oltre 190.000 tep nel 2006, la potenza installata (senza nulla sottrarre alla
generazione di energia geotermoelettrica) può giungere a 6.000 MWt nel 2020, con
una produzione equivalente ad 1.800.000 tep, idonea per riscaldare 800.000
appartamenti. Si tratta di valori circa 10 volte superiori a quelli del 2006.
la Legge Regionale n. 5 del 6 maggio 2013 rimanda agli articoli 6 e 7 del
decreto legislativo 28/2011.
Art. 7. Regimi di autorizzazione per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili
4. Con decreto del Ministro dello sviluppo economico, da adottare, di concerto con il Ministro
dell'ambiente e della tutela del territorio e del mare e con il Ministro delle infrastrutture e dei trasporti,
previa intesa con la Conferenza unificata, di cui all'articolo 8 del decreto legislativo 28 agosto 1997, n.
281, entro tre mesi dalla data di entrata in vigore del presente decreto, sono stabilite le prescrizioni per la
posa in opera degli impianti di produzione di calore da risorsa geotermica, ovvero sonde geotermiche,
destinati al riscaldamento e alla climatizzazione di edifici, e sono individuati i casi in cui si applica la
procedura abilitativa semplificata di cui all'articolo 6.
5. Ai sensi dell'articolo 6, comma 2, lettera a), e dell'articolo 123, comma 1, del testo unico delle
disposizioni legislative e regolamentari in materia di edilizia, di cui al decreto del Presidente della
Repubblica 6 giugno 2001, n. 380 gli interventi di installazione di impianti di produzione di energia termica
da fonti rinnovabili diversi da quelli di cui ai commi da 1 a 4, realizzati negli edifici esistenti e negli spazi
liberi privati annessi e destinati unicamente alla produzione di acqua calda e di aria per l'utilizzo nei
medesimi edifici, sono soggetti alla previa
comunicazione secondo le modalità di cui al medesimo articolo 6.
6. I procedimenti pendenti alla data di entrata in vigore del presente decreto sono regolati dalla
previgente disciplina, ferma restando per il proponente la possibilità di optare per la procedura semplificata
di cui al presente articolo.
7. L'installazione di pompe di calore da parte di installatori qualificati, destinate unicamente alla
produzione di acqua calda e di aria negli edifici esistenti e negli spazi liberi privati annessi, è considerata
estensione dell'impianto idrico-sanitario già in opera.
G
Jigokudani hot springs – Giappone