Lo sfruttamento della risorsa geotermica
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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.
