Lo sfruttamento della
risorsa geotermica
G. Giovinco
Energia della Terra, Energia dalla Terra
Villa Comunale di Frosinone, Sala Conferenze
19 novembre 2014
Etimologia
Il termine “geotermico” ha radici greche e
deriva dalla combinazione della parola gê, che
significa terra, e la parola the’rm, che significa
calore.
L’energia geotermica rientra la le fonti
energetiche “rinnovabili”.
E’ una fonte energetica a erogazione continua
ed indipendente da condizionamenti climatici,
ma difficilmente trasportabile (usi
prevalentemente locali)
I fluidi geotermici
La temperatura nel sottosuolo cresce con la profondità.
Mediamente si osserva un innalzamento della temperatura pari a:
C
t 25 30
km
Il flusso termico può variare
dai circa 40 mW/m2 a quasi 100 mW/m2
in funzione delle caratteristiche termiche degli strati sotterranei
Il grado geotermico
Il gradiente geotermico
(l’aumento di temperatura con la
profondità espresso in °C per
cento metri) è in media pari a:
3,3 °C per ogni 100 metri.
Secondo la teoria della tettonica a zolle, la “litosfera” terrestre in
stata divisa in sette grandi zolle principali rigide e sei minori.
Dorsali medio-oceaniche
Zone di subduzione
Zone dorsali
Le placche terrestri
Zone fortemente endogene
Grado geotermico ~ 20 m/°C
I fluidi geotermici
L'energia termica accumulata nelle zone endogene viene resa disponibile a
profondità accessibili da vettori termici presenti nella crosta terrestre e
denominati fluidi geotermici.
I fluidi geotermici sono essenzialmente composti da acqua
meteorica che penetra nel sottosuolo e si riscalda a contatto con le
rocce calde.
ACQUIFERI
strati o raggruppamenti di materiale
permeabile saturo di acqua, la quale ha
quindi la possibilità di muoversi anche a
temperature molto elevate (oltre 300°C)
I fluidi geotermici
L'esistenza di calore all'interno
della terra è reso evidente da
fenomeni (vulcani, geysers,
fumarole) distribuiti sulla
superficie terrestre secondo fasce
geografiche ben delineate e
contraddistinte dal punto di vista
geologico:
1.
Fascia Pacifico-Americana
4. Fascia Alpino-Himalainana
2.
Fascia Medio-Atlantica
5. Fascia Asia Continentale
3.
Fascia Africa Orientale
6. Fascia Pacifico-Asiatica
La produzione geotermoelettrica
L'utilizzo della geotermia nel Mondo per la produzione di elettricità nel 2005
Fonte: Bertani 2006
Paese
Stati Uniti
Filippine
Messico
Indonesia
Italia
Giappone
Nuova Zelanda
Islanda
Costa Rica
El Salvador
Kenya
Altri paesi
Totale
Potenza
installata(MWel)
2564
1930
953
797
791
535
435
202
163
151
129
283
Produzione elettrica
(GWh/a)
17917
9 253
6282
6 085
5340
3467
2774
1406
1145
967
1088
1062
8933
56786
La produzione geotermica
Utilizzo della geotermia nel Mondo per la produzione di calore nel 2005
Fonte: Lund et al. 2005
Paese
Stati Uniti
Svezia
Cina
Islanda
Turchia
Danimarca
Ungheria
Italia
Svizzera
Germania
Canada
Norvegia
Altri Paesi
Totale
Potenza
installata(MWth)
7817
3840
3687
1791
1177
821
694
607
582
505
461
450
5393
27825
Produzione di calore
(GWh/a)
8678
10001
12605
6615
5451
1211
2206
2099
1175
808
707
643
20423
72622
L’energia geotermica in Italia
L’Italia è il Paese "geotermicamente" più caldo d’Europa, anche se, finora,
lo sfruttamento delle sue risorse geotermiche si è sviluppato solo nell’area
centro-settentrionale
Larderello (Toscana), Piancastagnaio, sulle pendici del Monte Amiata, e
Civitavecchia
Per uno strano caso della storia geologica del nostro pianeta in quest’area
si determinarono, qualche centinaio di migliaia di anni fa, dei particolari
fenomeni magmatici che fecero risalire i magmi fusi in superficie.
In questo punto quindi la crosta terrestre è più sottile ed il calore delle
rocce del sottosuolo è dieci volte superiore alla media terrestre. Ad appena
1500-2000 m di profondità si possono incontrare temperature di 300 °C
che solitamente si trovano a 7-8 mila metri.
L’area perforata si estende per circa 200 chilometri quadrati, la profondità
dei pozzi in produzione varia da 500 a 1200 metri.
Il teleriscaldamento
Tra gli usi diretti del calore, l'esempio più importante a livello
europeo è il sistema di riscaldamento urbano della città di
Ferrara, dove due pozzi profondi circa 2000m, producono acqua
a 100°C che fornisce calore alla rete urbana di riscaldamento
(teleriscaldamento)
Nella zona dei Colli Euganei (Abano Terme, Montegrotto, ecc.)
e in misura minore a Bormio, presso il confine svizzero, l’acqua
calda è sfruttata in impianti termali, oltre che per il
riscaldamento di edifici
L’esempio di Larderello
1818 - inizia lo sfruttamento industriale dell’acido borico (Tinkal o
Bùraq) facendo evaporare le acque boriche in caldaie di ferro sotto le
quali si accendeva un fuoco utilizzando la legna
1827 - il conte Francois-Jacques de Larderel, nato a Vienne in Francia
utilizza come energia termica il calore del vapore e costruisce il Lagone
Coperto
1828 - il Larderel inizia la perforazione, che aveva lo scopo di reperire
una maggiore quantità di acque boriche
1846 - il Granduca Leopoldo II di Toscana imponeva allo stabilimento il
nome di Larderello
1904 - il Principe Ginori Conti accende le prime 5 lampadine
L’esempio di Larderello
1905 - viene fornita energia elettrica per l’illuminazione della fabbrica e
del paese di Larderello
1915 - entra in esercizio la centrale n.1 con due gruppi da 2750 kW di
potenza
1931 - il 27 marzo si arriva alla roccia serbatoio erogando circa 220
tonnellate/ora di vapore: "Soffionissimo“
1937 - si costruiscono le prime torri di raffreddamento in cemento
armato che sostituirono quelle di legno e che caratterizzano tutto il
paesaggio
Attualmente le nuove centrali vengono alimentate direttamente dal
vapore proveniente dal sottosuolo e si sta abbandonando il sistema di
alimentazione con vapore secondario.
I fluidi geotermici
Principali usi delle fonti geotermiche
calore per usi agricoli
Uso diretto
calore per usi industriali
Teleriscaldamento
calore per riscaldamento
HP Geotermiche
Uso indiretto
Conversione geotermoelettrica
14/55
Pompe di calore geotermiche
la temperatura del terreno già pochi metri sotto la superficie
si mantiene circa costante durante l'arco dell'anno
Pompe di calore geotermiche
Sono diffuse in USA, Canada,
Australia e Nord Europa
Tubi in polietilene a loop chiuso
- Interrati orizzontalmente
- Interrati verticalmente
Tubi in polietilene a loop aperto
Pompe di calore geotermiche
Vantaggi
Risparmio energetico (Fonte Geoklima)
- 55 70 % per riscaldamento e per ACS
- 90 % per raffrescare
Qualità dell’aria
- Nessun movimento di aria calda o fredda
- Riduzione delle polveri in movimento e quindi delle allergie
Economia di gestione
- Nessuna pulizia del camino e bruciatore
- Nessuna regolazione della combustione né controllo dei fumi
- Nessuna tassa per emissioni nocive
Affidabilità e sicurezza
- Nessuna caldaia rumorosa
- Nessuna tubazione con gas in pressione
- Nessun problema da fuliggini e fumi
Costi di installazione
- Nessun costo aggiuntivo per la climatizzazione estiva
- Non servono camini, né locali caldaia o norme antincendio
- Incremento del valore dell’immobile
La produzione geotermoelettrica
Se i fluidi caldi rimangono entro il serbatoio per effetto di una
copertura di terreni impermeabili, si possono avere
concentrazioni di energia termica di interesse industriale a fini
di produzione di energia
Idrotermale (t > 100°C)
Geopressurizzato
Sistema geotermico
Magmatico (600°C < t < 1400°C)
Rocce calde secche (200°C < t < 350°C)
Sistemi geotermici idrotermali
Rappresentano praticamente gli unici sistemi geotermici
utilizzati nel mondo su scala industriale
Acqua dominante
Vapore dominante
Sono i più diffusi.
Sono i meno diffusi (10%)
Tacqua>100°C
p = 0,1 – 1 MPa
La fase dominante è liquida
Tvapore>200°C
La fase dominante è vapore
Sempre disciolti all’interno sostanze solide, liquide e gassose tra cui i gas
“incondensabili” (CO2)
Sistemi geotermici idrotermali
idrotermali:: ACQUA DOMINANTE
Rappresentano praticamente gli unici
sistemi geotermici utilizzati nel
mondo su scala industriale.
Sono costituiti da formazioni
rocciose permeabili, che
costituiscono i serbatoi geotermici
contenenti il fluido caldo, ricoperti di
terreno impermeabile.
L’alimentazione del serbatoio è
generalmente legata alla circolazione
di acqua meteorica, mentre la fonte
di calore è generalmente
rappresentata da intrusioni di magma
ancora caldo nella crosta terrestre.
Sistemi geotermici idrotermali
idrotermali:: ACQUA DOMINANTE
La scelta del tipo di impianto da utilizzare dipende dalla
temperatura e dalla pressione del fluido
Impianti a singolo flash
Impianti a doppio flash
Impianti a ciclo binario a circuito chiuso
Impianti ibridi
Impianti a “ciclo combinato”
Impianti a flash singolo
Impianti a flash singolo
Tfluido>150°C
Kgfluido/kWhe = 8 15 volte
maggiore rispetto al caso di solo
vapore
numero di pozzi reiniettivi = numero
di pozzi produttivi
Il sistema di pompaggio e gli
acquedotti assumono dimensioni
rilevanti
Torri di raffreddamento
Sono necessarie perché non è
disponibile sul posto del fluido
refrigerante (corsi d’acqua)
Tw,uscita ~ 45°C
di conseguenza, per minimizzare il
Tcond, si utilizzano dei condensatori a
miscela (Tw ~ 50°C, Tcond ~ 5°C)
La torre di raffreddamento funziona a
superficie: all’interno di essa il fluido
va a bagnare ampie superfici e parte di
esso evapora raffreddando, a spese del
calore latente di vaporizzazione, il
fluido che rimane liquido.
ENEL Greenpower (Larderello
Larderello))
L’estrattore
Permette l’evacuazione dei gas incondensabili (essenzialmente CO2),
presenti nel vapore geotermico in modo da mantenere il grado di
vuoto richiesto. Si può utilizzare un compressore centrifugo. Il
compressore deve avere dimensioni cospicue, in quanto la
percentuale di gas incondensabili presente può raggiungere valori
del 20-30%.
Oltre alla funzione di estrattore, il compressore serve anche a
mantenere in depressione il condensatore. In questo modo il
rendimento dell’impianto aumenta, in quanto si allontanano
reciprocamente la temperatura media di adduzione e la temperatura
media di cessione.
La pressione di aspirazione del compressore è dell’ordine di 0,1 bar
(0,07 bar è la pressione di aspirazione dei gruppi unificati ENEL).
Impianti a doppio flash
Impianti a doppio flash
Se la temperatura del fluido lo
permette, è possibile realizzare un
secondo “flash”.
La parte a condensazione è analoga
all’impianto a flash singolo.
Numero pozzi reiniettivi > Numero
pozzi produttivi
Il sistema di pompaggio e gli acquedotti
assumono dimensioni rilevanti
Impianti a ciclo binario a circuito chiuso
E’ la tecnica più redditizia per
120°C < t < 180°C
Fluido di lavoro a bassa entalpia
con ciclo che può restare sempre
ipercritico
Numero pozzi reiniettivi =
Numero pozzi produttivi
Impianti ibridi
Impianti ibridi
Utilizzo combustibile tradizionale:
- surriscaldamento
Energia geotermica:
- preriscaldamento
- vaporizzazione
Miglior utilizzo della fonte geotermica
se si sfrutta il calore allo scarico
(tramite rigenerazione)
Impianti a ciclo combinato
Vengono accoppiati:
Si estrae più energia dal
fluido geotermico
- ciclo binario
- ciclo a flash singolo
Si massimizza il rendimento
Fluido geotermico
Flash
Vapore saturo
Liquido saturo
Turbina
Scambiatore impianto binario
Impianti idrotermali a vapore dominante
Il fluido geotermico è disponibile totalmente o prevalentemente in fase
vapore, generalmente vapore saturo secco
secco..
Sono poco diffusi e rappresentano il 10
10%
% di tutti i sistemi idrotermali
Il vapore è disponibile a temperatura anche superiore a 200
200°°C e con
pressioni alla bocca del pozzo di 0,5-1MPa
MPa..
Impianti idrotermali a vapore dominante
Larderello
The Geysers (California)
Matsukowa (Giappone)
Kawah Kamojang (Indonesia)
Schema di campo geotermico a vapore dominante (Larderello)
Impianti idrotermali a vapore dominante
Il fluido geotermico contiene gas incondensabili, principalmente anidride
carbonica (CO2). Tali gas possono raggiungere percentuali anche molto
elevate rispetto al vapore arrivando fino al 20-30%. I valori più diffusi sono
del 3-5%.
A scarico libero
IMPIANTI
A condensazione
Compressore di estrazione gas
incondensabili
La scelta dipende dalla percentuale di gas incondensabili
Impianti idrotermali a vapore dominante
Impianti idrotermali a vapore dominante
Tenendo conto dei
costi
d’investimento per
le centrali a
condensazione
Valore limite:
5-10%
Centrali a condensazione
Centrali a scarico libero
Impianti idrotermali a vapore dominante
Potenza: 4 MW
Consumo: 20 kg/kWh
Impianto a contropressione, trasformabile in impianto a condensazione
(Larderello)
Impianti idrotermali a vapore dominante
Castelnuovo Val di Cecina
Potenza: 12 MW
Consumo: 14 kg/kWh
Impianto a vapore diretto, a condensazione (Larderello)
Impianti idrotermali a vapore dominante
Potenza: 15 MW
Consumo: 8 kg/kWh
Impianto ad ammissione diretta, a condensazione (Larderello)
Prestazioni degli impianti
Flusso d’acqua [kg/s]
- Rendimento globale delle centrali geotermoelettriche è intorno al 10-17%, circa tre
volte minore di quello delle centrali termoelettriche (circa il 35-40%)
- Nemmeno una MC tra le due temperature potrebbe eguagliare i rendimenti suddetti
- A parità di portata la potenza aumenta molto all’aumentare della temperatura del
fluido
Prestazioni degli impianti
Flusso d’acqua [kg/s]
Il vapore geotermico ha una composizione chimica che differisce dal
vapore acqueo puro per la presenza di anidride carbonica, idrogeno
solforato, ammoniaca, metano, azoto e idrogeno. La quantità di questi
gas è molto variabile (150 g/kg di fluido), e la loro presenza
rappresenta una perdita di energia nel processo
Il basso valore del rendimento (calcolato secondo la definizione classica)
non deve però trarre in inganno: il processo di generazione è
economicamente ed "ambientalmente" conveniente
Valutazioni economiche
I costi dell'energia geotermica sono dovuti soprattutto
all'alto investimento per ogni kW installato
Rischio minerario: rischio connesso all'attività
mineraria necessaria alla geotermia
Modesto valore economico dell’acqua calda
Uso locale della risorsa (a meno dell’en. elettrica)
Tipo di operatori coinvolti (Comuni e Società
Municipalizzate)
Finora il rischio geologico è stato coperto da
parte dello Stato (costi mai computati nel
costo del kWh).
42/55
Valutazioni economiche
$x106
- Andamento del costo dei pozzi
geotermici con la profondità
- Confronto con il costo medio
dei pozzi petroliferi
Valutazioni economiche
La centrale geotermica non riesce a
produrre prima di 5 o 6 anni dal
reperimento del fluido
Analizzando sia il risparmio energetico
in TEP/kWINSTALLATO che il risparmio
attualizzato (risp./kW), si vede il
grande interesse sia energetico che
economico nell’anticipare la
produzione della centrale:
bastano 3 anni di anticipo per ripagare
il costo di installazione della centrale.
Valutazioni economiche
•
impianto geotermico per campi di vapore dominante
costo al kWh prodotto compreso fra i 7,5 €cent/kWh ed i 10
€cent/kWh
circa i 2/3 della spesa di impianto (1.300,00 - 1.800,00 € al kWh
installato) sono rappresentati dalla perforazione dei pozzi
•
impianto di turbina a gas di taglia medio grande alimentata a gas
naturale
costo al kWh prodotto circa 8,5 - 10 €cent
circa il 70% del costo al kWh è rappresentato dal costo del
combustibile (prezzo Snam): situazione esattamente rovesciata
rispetto all'esempio precedente
•
impianto tradizionale a vapore alimentato con olio combustibile
costo al kWh prodotto circa 5,5 - 7 €cent
il grosso vantaggio di questi impianti sta nel poter utilizzare
combustibili poco pregiati e quindi a basso costo ma ad altissimo
impatto ambientale
Valutazioni economiche
Per incrementare i proventi dell’attività geotermica occorre estendere al massimo l’impiego del
calore:
operare in zone con più lunga stagione di riscaldamento
utilizzare il calore per il raffreddamento estivo di uffici o abitazioni
usare il riscaldamento di sera in inverno ed essiccatoi in estate per prodotti agricoli
usare il calore in cascata (riscaldando prima serre e quindi un impianto che ha bisogno
di poca temperatura come la piscicoltura) ;
vendere l’acqua calda di risulta per altri scopi (come per fini potabili: Erding in
Germania)
Investimenti del tipo doppietta di pozzi (produttore-reiniettore) a media profondità (tra 1000 e
1500 metri) con impianto di superficie comprensivo di scambiatori di calore, caldaia di punta
e/o supporto a pompa di calore (dai 6 agli 11 milioni di € funzione del luogo dell’investimento fa
la differenza).
o si utilizza tutto il calore o non vi è economicità !
Valutazioni economiche
Qual è allora il miglior utilizzo?
Tralasciando eventuali incentivazioni su specifiche applicazioni:
sorgente geotermica a vapore dominante, con temperature medio-alte (200
- 220°C), pressioni medio basse (5 - 18 bar) e basse concentrazioni di gas
incondensabili disciolte (< 10%), portate di fluido 100 t/h
produrre energia elettrica
per forniture locali piuttosto che su grandi distanze
sorgente geotermica ad acqua dominante, con pressioni e temperature
elevate, ferme restando le portate in gioco
produrre energia elettrica
sorgente caratterizzata da liquido a temperature basse (< 130°C)
teleriscaldamento per scopi residenziali o industriali
Sistemi geopressurizzati
- Estese masse di sabbia o arenarie sigillate entro rocce impermeabili, di natura
prevalentemente argillosa, e profondità superiore a 4000 m
- Il gradiente geotermico può arrivare a 100°C/km
- I sedimenti profondi hanno una conducibilità termica bassa, si comportano, quindi, come
strati pressoché isolanti che rallentano la propagazione del calore verso la superficie (la
conduzione prevale sulla convezione)
- Sono presenti in tutti i continenti
Rocce calde secche
- Sistemi con temperature che vanno dai 200°C ai 350°C e sono formati da zone superficiali
con bassa permeabilità e poca acqua
- Se ne prevede l’uso fratturando le rocce ed iniettando acqua (vettore termico)
- Se ne prevede lo sfruttamento nel in tempi medio-brevi se la temperatura del serbatoio è
almeno di 200°C, l’area di scambio termico supera i 2 milioni di m2 il volume interessato
della roccia è di almeno 200 milioni di m3 e la perdita d’acqua del sistema non supera il
10%
Sistemi magmatici
- Sistemi con temperature che vanno dai 600°C
ai 1400°C
- Sono costituiti da rocce fuse di origine
magmatica
- I grossi problemi relativi allo sfruttamento di
questo sistema ne fanno un obiettivo di
utilizzo a lungo termine
- Magma Energy Extraction Program (1984):
pozzo profondo 6000 m
temperatura intorno ai 500 °C.
Long Valley Caldera, in California
Impatto ambientale
- Inquinamento da calore e da sostanze del sottosuolo.
- Sismicità
- Subsidenza
Questi fattori di rischio ne comportano un'altro intrinseco relativo alla difficoltà di
previsione e quindi alla difficoltà di attuazione di misure di prevenzione (alto
livello di incertezza).
Impatto ambientale – sostanze disciolte
La quantità e la composizione di tali gas possono essere molto
variabili (anche all'interno dello stesso campo geotermico) ma
solitamente sono formati per buona parte da anidride carbonica
(CO2), idrogeno solforato (massimo 1%), metano (0,4%), idrogeno
(0,1%) e tracce di radon.
Diluirli in atmosfera affinché non presentino al suolo concentrazioni dannose
Idrogeno solforato: max 10 ppm (per esposizioni continue)
già a concentrazioni minori, dell’ordine di 0,03 ppm, presenta l’odore
caratteristico di uova marce
Impatto ambientale – emissioni gassose
solfuri
~ 0,2 kg/MWh geotermico
~ 4,7 kg/MWh impianti ad olio combustibile
~ 5,4 kg/MWh impianti a carbone
anidride carbonica (gas incondensabili)
~ 45 kg/MWh geotermico
~ 660 kg/MWh impianti ad olio combustibile
~ 900 kg/MWh impianti a carbone
Impatto ambientale - inquinamento sonoro
Prima dell’entrata in servizio:
- perforazione dei pozzi.
In servizio:
- aperture delle valvole di sfioro conseguenti alla messa fuori servizio.
Il rumore è oggi un problema facilmente risolvibile e praticamente
irrilevante, come dimostrato dalle positive esperienze di
insonorizzazione delle centrali esistenti.
Impatto ambientale - estetica
I vecchi stabilimenti geotermici assomigliano
ai tanti complessi industriali presenti sul
territorio, ma con l'aspetto positivo di
occupare molta meno superficie.
Le torri di refrigerazione dei fluidi
assumevano anche dimensioni importanti
(altezze dell'ordine dei 15-20 m).
Adesso invece vengo costruite secondo una
filosofia diversa ed il loro impatto è pari a
quello di un normale edificio.
Vantaggi di un impianto geotermico
- Non viene bruciato combustibile fossile, quindi si evitano emissioni
dannose in atmosfera.
- Minore importazione di combustibili fossili dall’estero.
- Le centrali geotermiche sono modulari.
- Funzionano 8000 ore all’anno.
- Si può produrre contemporaneamente energia elettrica ed energia
termica.
- I bacini geotermici hanno vita lunghissima.
