ENERGIA GEOTERMICA. Impianti geotermoelettrici e usi diretti. Ing. Maurizio Vaccaro

Transcript

1 Camera di Commercio di Massa Carrara EAMS Giovedì 2 febbraio 2012 ENERGIA GEOTERMICA Impianti geotermoelettrici e usi diretti Ing. Maurizio Vaccaro Università di Pisa Department of Energy and Systems Engineering maurizio.vaccaro@for.unipi.it 1

2 Sommario Camera di Commercio di Massa Carrara EAMS Giovedì 2 febbraio 2012 Introduzione La risorsa geotermica Modello concettuale di un serbatoio geotermico Aspetti tecnologici Classificazione degli impianti Impianti a espansione diretta Impianti a flash e doppio flash Impianti a ciclo binario (ORC) Usi diretti della geotermia Usi diretti del calore geotermico Impianti a pompa di calore geotermica Tipologie di geoscambiatori La situazione in Toscana 2

3 Introduzione Più di 100 anni di attività geotermica MW potenza installata (su una richiesta massima storica nel 2007 di 56,8 GW) 5500 GWh di energia prodotti ogni anno (su circa GWh di fabbisogno nazionale) 3

4 GWh MW Introduzione Produzione e potenza installata marginale rispetto alle altre rinnovabili Circa MW installati nel mondo (solo in Germania più di MW di eolico) energia prodotta [GWh] potenza installata [MW] da R. Bertani, Geothermal Power Generation in the World Update Report Impianti in grado di operare per tempi molto lunghi rispetto alle altre fonti rinnovabili Calcolo della distribuzione dell energia geotermica a livello mondiale in funzione della temperatura della risorsa (da Stefansson V., World geothermal assessment, Proceedings World Geothermal Congress 2005) 4

5 La risorsa geotermica Serbatoio geotermico: modello concettuale Perché possa avvenire lo sfruttamento dell energia geotermica devono sussistere alcune condizioni elementari: intrusione magmatica (corpo caldo in profondità) presenza di rocce permeabili (serbatoio) circolazione di fluido (affinché il calore delle rocce possa essere prelevato e sfruttato sulla superficie) 5

6 La risorsa geotermica formazioni rocciose porose e fratturate (impermeabili) Serbatoio geotermico: modello concettuale formazione di celle di convezione 6

7 La risorsa geotermica Diffusione mondiale degli impianti per la produzione di energia da fonte geotermica 7

8 La risorsa geotermica Serbatoio geotermico: modello concettuale Schema dell area geotermica di Larderello - Travale 8

9 La geotermia in Italia Larderello La prima macchina (un motore alternativo accoppiato ad una dinamo), che ha prodotto elettricità sfruttando il vapore geotermico. Nella foto, il Principe Piero Ginori Conti, succeduto a Francesco Larderel nella proprietà dell industria boracifera. Lagone coperto a Larderello, all interno di queste strutture in mattoni erano raccolte e fatte evaporare le acque boriche. 9

10 La risorsa geotermica Classificazione dei serbatoi geotermici in base al contenuto energetico (bassa media alta entalpia) 10

11 La risorsa geotermica Classificazione dei campi Classificazione dei serbatoi geotermici in base al fluido estratto Campi a vapore Solo 6 nel mondo: Italia (Larderello ), USA (Geysers, CA), Islanda, Indonesia, Nuova Zelanda Sistema di condensazione a liquido Impatti ambientali elevati (CO 2, H 2 S, inquinamento termico) Liquido a T > 160 C Flash : Sistema di condensazione a liquido Possibilità di combinazione flash - binario Campi a vapore dominante - Vapore 90% - 98% - Gas 2 % - 10% Liquido 100 C < T < 160 C Impianti a ciclo binario (ORC) 100% rigenerazione dei pozzi Possibilità di utilizzazione condensatori ad aria (torri evaporative a secco) Ridotte emissioni inquinanti Elevati costi di istallazione Campi ad acqua dominante - Fase liquida 20% - 100% del totale estratto 11

12 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a espansione diretta Espansione diretta del vapore estratto a pressione atmosferica o inferiore Impiantistica tradizionale degli impianti a vapore (taglie impiantistiche standard MW) Impianti con separazione del vapore Impianti a singolo flash Impianti a doppio flash Impianti a ciclo combinato (flash + binario) Impianti a ciclo binario Fluido geotermico completamente reiniettato Emissioni nulle di sostanze nell ambiente Problema del raffreddamento a secco e consumo degli ausiliari 12

13 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a espansione diretta T G vapore acqueo condensatore Torre di reffreddamento a umido pozzo di prelievo pozzo di reiniezione 13

14 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a espansione diretta Alla rete elettrica Turbina ad espansione diretta del vapore estratto Sistemi di estrazione degli incondensabili (aria, CO 2, H 2 S) Sistemi per condensazione e raffreddamento 14

15 separatore flash Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a separazione del vapore (flash singolo) T G vapore acqueo condensatore Torre di reffreddamento a umido pozzo di prelievo pozzo di reiniezione 15

16 T ( C) Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a separazione del vapore (flash singolo) Turbina ad espansione del vapore estratto p max 1 p int p cond s (kj/ kg K) Separatore Sistemi per condensazione e raffreddamento 16

17 separatore flash separatore flash Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a separazione del vapore (flash doppio) T T G vapore acqueo condensatore Torre di reffreddamento a umido pozzo di prelievo pozzo di reiniezione 17

18 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a separazione del vapore (flash doppio) alla rete elettrica Separatori (a flash) Stadi di turbine di alta e bassa pressione e generatore Condensatore 18

19 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianto di perforazione e uscita controllata di vapore da un pozzo geotermico produttivo (Larderello) Centrale geotermoelettrica Valle Secolo (Larderello) Pozzo di vapore e vapordotto (Larderello) 19

20 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianto dry-steam da 1500 MW di The Geysers, California 20

21 Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC) Possibilità di sistemi modulari (prospettiva di standardizzazione e maggiore diffusione) Costruttori: ORMAT, Turboden, UTC, Mafi Trench, Cryostar Possibilità di utilizzo in impianti geotermici a ciclo combinato ORC Tecnologia utilizzata per cicli bottoming per recupero di calore e cascami termici (anche da altre fonti rinnovabili, es.: biomasse) Soluzioni per il raffreddamento: a secco o con torri a umido 21

22 Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC) L attenzione viene sempre più rivolta a giacimenti a temperature inferiori Le prestazioni degli impianti ORC sono fortemente condizionate da ΔT = (T prelievo - T reiniezione ) e portata La T di reiniezione è limitata inferiormente dai fenomeni chimici di scaling (deposizione chimica) La corretta caratterizzazione della risorsa è tanto più importante nel caso di impianti a ciclo binario (a media entalpia), le cui prestazioni e la cui operatività risentono maggiormente delle variazioni dei parametri esterni 22

23 Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC) Impianti a ciclo binario nel mondo numero impianti > 200 potenza installata [MW] > 1150 energia prodotta [TWh] > 6 23

24 Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC) 24

25 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Impianti a ciclo combinato separazione di vapore + Organic Rankine Cycle (ORC) unità ORC Schema del diagramma di flusso dell impianto di Svartsengi (Islanda) 25

26 Problemi tecnologici Fenomeni di deposizione chimica (scaling): incrostazioni e intasamenti Danneggiamento delle parti a contatto; riduzione della portata; corrosione Metodi di inibizione chimica Metodi di inibizione meccanica Metodi di rimozione meccanica Strategie di coltivazione e di reiniezione Reiniezione Stimolazione Garantire la ricarica del serbatoio, consentire la rinnovabilità della risorsa Migliorare l estrazione e la produttività (iniezione di acqua in pressione e miscele acide) 26

27 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Hot Dry Rocks (Rocce calde secche) e sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems) 27

28 Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica Hot Dry Rocks (Rocce calde secche) e sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems) Sperimentazione in Europa Il più importante progetto R&D di sistema EGS europeo si trova in Francia, a Soultz-sous-Fôret. Recentemente è stato connesso alla rete elettrica un impianto dimostrativo da 1,5 MW. Sperimentazioni in corso sui sistemi a tripletto (2 pozzi produttori e 1 reiniettore) Si stimano km 2 di superficie (Europa occidentale) con T > 200 C a circa 5000 m di profondità (fonte: Geothermie Soultz) Soultz 28

29 Problemi tecnologici e ambientali Caratteristiche chimiche del vapore geotermico Pressione: 5-10 bar Temperatura: C Percentuale di incondensabili: 5 % in volume Portata: t/h SPECIE INCONDENSABILE VOLUME (%) CO 2 Anidride carbonica H 2 Idrogeno 2-5 CH 4 Metano 4-8 N 2 Azoto 1-3 H 2 S Acido solfidrico 1-2 Altri componenti: O 2, Hg, HCl, HF, As, NH 3, H 3 BO 3 29

30 Problemi tecnologici e ambientali Impatto visivo Inquinamento acustico Fenomeni di subsidenza Reiniezione Inquinamento atmosferico Acido solfidrico (H 2 S) Mercurio (Hg) Arsenico (As) soglia olfattiva molto bassa (cattivo odore): 0,7 μg/m 3 Sistemi di abbattimento 30

31 Problemi tecnologici e ambientali H 2 S nel fluido geotermico Sistemi di abbattimento tipo AMIS H 2 S nel condensato (20 %) H 2 S negli incondensabili (80 %) Hg nel fluido geotermico 31

32 Usi diretti della geotermia La pratica industriale e tecnologica degli usi diretti del calore geotermico ha storicamente prodotto numerosissime soluzioni applicative Corpi acquiferi di interesse per gli usi diretti (anomalie geotermiche) sono presenti in Italia, in regioni come la Toscana, il Lazio, la Campania, l Emilia- Romagna Le utilizzazioni tramite impianti a pompa di calore possono essere applicati praticamente ovunque, senza bisogno di ricadere in aree caratterizzate da anomalie geotermiche o intrusioni di corpi magmatici 32

33 Usi diretti della geotermia scambiatore di calore Teleriscaldamento 75 C 80 C 55 C Utenze civili o industriali (calore di processo) 60 C Unità di backup (o di copertura picchi) pozzo di prelievo pozzo di reiniezione 33

34 Usi diretti della geotermia Teleriscaldamento Pompaggio Schema semplificato del sistema di riscaldamento geotermico di un complesso di edifici a Reykjavik, Islanda (da Gudmundsson, 1988). 34

35 Usi diretti della geotermia Agricoltura (serre) e allevamento Curve di accrescimento di alcune verdure (da Beall e Samuels, 1971). Effetti della variazione di temperatura sulla crescita e produzione animale (da Beall e Samuels, 1971). 35

36 Usi diretti della geotermia Pompe di calore geotermiche 36

37 Usi diretti della geotermia Pompe di calore geotermiche 37

38 Usi diretti della geotermia Pompe di calore - Sonde geotermiche verticali 38

39 Usi diretti della geotermia Pompe di calore - Sonde geotermiche orizzontali e a spirale 39

40 Usi diretti della geotermia Caratteristiche del suolo vanno effettuate opportune prove sito per sito: GROUND RESPONSE TEST THERMAL RESPONSE TEST 40

41 Usi diretti della geotermia Pompe di calore ATES Aquifer Thermal Energy Storage 41

42 Usi diretti della geotermia Pali di fondazione per lo scambio di calore col terreno 42

43 Usi diretti della geotermia La situazione in Toscana Fonte UGI Quaderno n. 1 Pompe di calore geotermiche in Toscana Potenza termica installata per provincia Potenza termica installata Richieste di autorizzazione per provincia 43

44 Usi diretti della geotermia La situazione in Toscana Fonte UGI Quaderno n. 1 Pompe di calore geotermiche in Toscana Tipo di geoscambiatore (classificazione per provincia) 44

45 Usi diretti della geotermia La situazione in Toscana Fonte UGI Quaderno n. 1 Pompe di calore geotermiche in Toscana Destinazione d uso (classificazione per provincia) 45

46 Grazie per l attenzione 46