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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 si propagadall’interno verso l’esterno delpianeta attraverso processiconduttivi (non associati a trasportodi materia) e convettivi e advettivi(tramite un fluido vettore).

Lo 0.1% dell’energia termicaimmagazzinata nella crosta terrestrepotrebbe soddisfare la richiestaenergetica mondiale per 10.000 anni

Il calore terrestre

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 di0,101 W/m2 con un valore medio di 0,087 W/m2.

Per motivi geodinamici l’Italia è un paesecaratterizzato da forti anomalie positive dicalore (i.e. elevati flussi di calore).Larderello (fino a 1 W/m2)Monte Amiata (fino a 0,6 W/m2).

Le principali aree ad altopotenziale geotermico sonocollocate in corrispondenza deimargini di placca

Natura delle risorse geotermiche

> 5000 °C

> 3000 °C

> 1000 °C

~ 30 °C/km

Il calore è una forma di energia e, in senso stretto, l’energia geotermica è il calore contenutoall’interno della Terra.L’espressione “energia geotermica” è generalmente impiegata, nell’uso comune, per indicarequella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo ed esseresfruttata dall’uomo.

L’energia geotermica

Ai fini dell’utilizzo energetico, vieneindicata come risorsa geotermicaquella il cui calore può venire estrattoda profondità economicamentesostenibili ed accessibili alle tecnologiecorrenti.

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 frequentazionenon 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.)


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.

Il principe Piero Ginori ed il primo esperimento digenerazione 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).


Un sistema geotermico viene definito come: “Un sistema acqueo convettivo che, in uno spazioconfinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termicaal luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)”.(Hochstein, 1990).

I sistemi geotermici

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


ACQUA DOMINANTEl’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 sono spesso suddivisi tra sistemi ad acqua dominante ed a vapore dominante:


SISTEMI DINAMICIL’’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 STATICILa ricarica del serbatoio è molto ridotta e lo scambio termico avviene soltanto perconduzione. 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.

Viene anche fatta una suddivisione in

funzione della modalità di ricarica del

serbatoio geotermico


I sistemi geotermici vengono ancheclassificati in base al loro potenzialetermico (ENTALPIA)

Alta Entalpia (T > 150°C)

Media Entalpia (90°C < T < 150°C)

Bassa Entalpia (T < 90°C)

L'utilizzo convenzionale dell'energia geotermica è identificato dalla suddivisione in due categorieprincipali: per produzione di energia elettrica (risorse ad alta-media entalpia) e per usi direttidel calore (risorse a bassa-media entalpia). Le possibilità di utilizzo dell'energia geotermica atemperature inferiori a quelle comunemente utilizzate per la produzione geotermoelettricasono notevoli e spaziano dalle comuni terme ai sempre più frequenti utilizzi diretti per scopiagroalimentari, florovivaistici ed industriali.

Utilizzi dell’energia geotermica

CNR-IGG, Progetto VIGOR

Tecnologie per la produzione di energia elettrica

Il calore sotterraneo non viene utilizzato direttamente per la produzione di energia, maattraverso una massa d’acqua che scambia ed estrae il calore immagazzinato nelle rocce (sistemiidrotermali)

La potenza elettrica è prodotta dalla conversione di energia termica immagazzinata nella massad’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 energiaelettrica grazie al generatore

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)


10 MWt (termico) => 1 Mwe (elettrico)

Sistemi a vapore dominante: normalmente coesistono nel serbatoio acqua liquida e vapore, cheè la fase continua che controlla la pressione. Sono sistemi ad alta temperatura e normalmenteproducono 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 inIndonesia).

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 epressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vaporesecco. Sono i più diffusi (es. Wairakei in Nuova Zealanda, Tongonan nelle Filippine, e Cerro Prietoin Messico).


Impianti a vapore secco

Impianti a separazione di vapore (singolo o doppio flash)

Impianti binari

Impianti combinati

Sistemi a vapore dominante

Sistemi ad acqua dominante


Tecnologie per la produzione di energia elettricaSISTEMI A VAPORE DOMINANTE (DRY STEAM)

I sistemi a vapore dominante utilizzano vapore ad alta temperatura (>235°) e pressione permuovere 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 trovacirca 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.


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°Csono impiegati per alimentare centrali “a singolo o doppio flash”.L'acqua arriva in superficie tramite i pozzi e poiché passa rapidamente dalla pressione delserbatoio a quella dell'atmosfera, si separa in una parte di vapore (flash singolo), che è mandatoin centrale, e una parte di liquido che è re-iniettato nel serbatoio.Se il fluido geotermico arriva in superficie con temperature particolarmente elevate, allora puòessere sottoposto per due volte ad un processo di «flash» (doppio flash).Questi tipi di impianti sono i più importanti in termini di potenza istallata.


SISTEMI AD ACQUA DOMINANTE

Impianti a ciclo binario

Gli impianti a ciclo binario vengono utilizzati per sfruttare serbatoi che producono acqua atemperature moderate (tra i 120 e i 180°C).In questi impianti il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare, attraverso unoscambiatore di calore, un secondo liquido bassobollente (ad esempio isobutano o isopentano). Ilfluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore inun circuito chiuso, senza scambi con l'esterno.La tecnologia del ciclo binario è la più diffusa e redditizia.

La generazione geotermoelettrica italianacorrisponde a:

8,5 % di quella mondiale, 1,9 % della generazione nazionale25 % dei consumi elettrici dellaToscana.

0 1000 2000 3000 4000

USA

Philippines

Indonesia

Mexico

Italy

New Zealand

Iceland

Japan

El Salvador

Kenya

Costa Rica

Turkey

Nicaragua

Russia

Papua New Guinea

Guatemala

Portugal

China

France

Ethiopia

Germany

Austria

Australia

Thailand


IMPATTO AMBIENTALE

La Geotermia è spesso considerata come una fonte di energia alternativa rinnovabile, pulita esostenibile 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 segli impatti della geotermia sono sensibilmente inferiori sia rispetto alle fonti non rinnovabili siarispetto 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’energiageotermica è proporzionale alla scala dell’utilizzazione. La produzione di elettricità con impiantia ciclo binario produce effetti simili a quelli degli usi diretti. L’impatto sull’ambiente èpotenzialmente maggiore nel caso di centrali elettriche convenzionali, specialmente per ciò cheriguarda la qualità dell’aria, ma può essere in ogni caso mantenuto entro limiti accettabili e assaiinferiori rispetto ad impianti di pari potenza ma alimentati da fonti non tradizionali.


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

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.


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.


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 caloreSCAMBIO DI CALORE(Impianti geotermici a bassa entalpia)

Sonde geotermiche verticali / orizzontali presenza / assenza acquifero

SCAMBIO DI CALORE(Impianti geotermici a bassa entalpia)

La climatizzazione (riscaldamento e raffreddamento) di ambienti con l’energia geotermica si èdiffusa notevolmente a partire dagli anni ’80, a seguito dell’introduzione nel mercato e delladiffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibili permettono diestrarre ed utilizzare economicamente il calore contenuto in corpi a bassa temperatura, cometerreno, acquiferi poco profondi, masse d’acqua superficiali, ecc.


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


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.


L’acquacoltura, vale a dire l’allevamento controllato di forme di vita acquatiche, in questi ultimitempi 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 cheper le specie terrestri.


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.


IMPATTO AMBIENTALE

L’utilizzo diretto del calore (Teleriscaldamento e impianti geotermici a bassa entalpia) èsicuramente 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 il sistema diventa

autosufficiente)


La geotermia rappresenta una delle poche fonti di energia primaria di cui disponel’Italia. Si tratta di risorse sempre sostenibili, spesso rinnovabili, ovunque compatibilicon l’ambiente, ed ora anche convenienti sul piano economico a tutti i livelli ditemperatura. Tenendo quindi presente il probabile ulteriore aumento dei prezzi dellefonti tradizionali di energia nei prossimi anni, per le due forme di utilizzazione dellerisorse 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 a1.500 MWe, con una generazione di 10 miliardi di kWh/anno, pari al fabbisognoelettrico di 9 milioni di abitanti. Ciò rappresenta il raddoppio della produzione del2006, 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 corrispondentead oltre 190.000 tep nel 2006, la potenza installata (senza nulla sottrarre allagenerazione di energia geotermoelettrica) può giungere a 6.000 MWt nel 2020, conuna produzione equivalente ad 1.800.000 tep, idonea per riscaldare 800.000appartamenti. Si tratta di valori circa 10 volte superiori a quelli del 2006.

Sviluppi futuri della geotermia

Art. 7. Regimi di autorizzazione per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili4. Con decreto del Ministro dello sviluppo economico, da adottare, di concerto con il Ministrodell'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 laposa 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 laprocedura 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 delledisposizioni legislative e regolamentari in materia di edilizia, di cui al decreto del Presidente dellaRepubblica 6 giugno 2001, n. 380 gli interventi di installazione di impianti di produzione di energia termicada fonti rinnovabili diversi da quelli di cui ai commi da 1 a 4, realizzati negli edifici esistenti e negli spaziliberi privati annessi e destinati unicamente alla produzione di acqua calda e di aria per l'utilizzo neimedesimi edifici, sono soggetti alla previacomunicazione secondo le modalità di cui al medesimo articolo 6.6. I procedimenti pendenti alla data di entrata in vigore del presente decreto sono regolati dallaprevigente disciplina, ferma restando per il proponente la possibilità di optare per la procedura semplificatadi cui al presente articolo.7. L'installazione di pompe di calore da parte di installatori qualificati, destinate unicamente allaproduzione di acqua calda e di aria negli edifici esistenti e negli spazi liberi privati annessi, è considerataestensione dell'impianto idrico-sanitario già in opera.

la Legge Regionale n. 5 del 6 maggio 2013 rimanda agli articoli 6 e 7 deldecreto legislativo 28/2011.

G

Jigokudani hot springs – Giappone

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