Geotermia al bivio, tra criticità e prospettive

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1 Geotermia al bivio, tra criticità e prospettive Franco Donatini Introduzione Nel territorio quasi sperduto attorno al borgo di Larderello, dove confluiscono le tre province toscane di Pisa, Siena e Grosseto, si produce oggi circa il 10% dell energia geotermoelettrica del mondo. Un paesaggio suggestivo, chiamato Valle del Diavolo, per la presenza di soffioni boraciferi, colonne di vapori bianchi che ispirarono a Dante gli ambienti dell Inferno, oggi caratterizzato dalla presenza di gigantesche torri di raffreddamento e da una rete serpeggiante di lucide condutture. La vocazione tecnologica di quest area viene da lontano. Qui, già circa due secoli fa, dal 1818, si estraeva l acido borico dai fanghi dei cosiddetti Lagoni. Il processo di separazione veniva effettuato col calore prodotto dalla combustione della legna derivante dai folti boschi che ricoprivano la zona. Il conseguente intenso processo di disboscamento indusse il proprietario delle miniere, François Jacques de Larderel, industriale livornese di origine francese, a cercare un alternativa alla legna. Nel 1827 ebbe la geniale idea di sfruttare il calore del vapore prodotto dalla terra, col duplice vantaggio di bloccare la deforestazione e di attingere a una fonte energetica praticamente infinita. Era solo l inizio. Nei primi anni del secolo scorso questo luogo vide la prima applicazione del calore endogeno della terra per la produzione di elettricità. Avvenne quando nel 1905 il principe Piero Ginori, realizzò una macchina alimentata dal vapore geotermico che collegata a un generatore elettrico riuscì ad accendere cinque lampadine, un evento epocale che avrebbe rappresentato la nascita della produzione di elettricità dalla fonte geotermica. A partire dagli anni 30 la produzione geotermoelettrica ha avuto una crescita costante fino al 1970, interrotta soltanto dagli eventi bellici nel 1944, anno in cui tutti gli impianti geotermici furono distrutti. In questa fase le perforazioni, operate nelle zone di Larderello, Travale-Radicondoli, Bagnore e Piancanstagnaio, avevano una profondità tra 500 e 1500 m, interessando il serbatoio carbonatico superficiale, costituito da anidridi e dolomie. Lo sfruttamento spinto ha determinato un impoverimento dei giacimenti, che si è cercato di superare essenzialmente in due modi. Da un lato si è incrementata la profondità delle perforazioni, realizzando pozzi di oltre 3000 m. all interno del basamento metamorfico, sottostante il serbatoio carbonatico, dall altro si è iniziato a reiniettare nel sottosuolo parte dell acqua condensata Docente di Energia Geotermica Università di Pisa

2 del vapore geotermico. Questa seconda tecnica consente di riprodurre il vapore all interno dei giacimenti utilizzando il calore delle rocce e quindi, a lungo termine, di aumentare la disponibilità della risorsa. In questo periodo che va dalla seconda metà degli anni 60 al 2010, lo sfruttamento totale delle risorse geotermiche nazionali, o almeno delle più pregiate, è stato svolto esclusivamente dall Enel, con significativi vantaggi economici legati alla incentivazione statale, piuttosto generosa, dell elettricità prodotta da questa fonte. La potenza installata ha raggiunto e superato negli anni 2000 il valore di 800 MWe, ma il trend espansivo si è significativamente ridotto ed oggi l Italia non detiene più il primato di un tempo della potenza.geotermica installata (figura 1) Stati Uniti Filippine Indonesia Messico Italia Nuova Zelanda Islanda Giappone Iran El Salvador Kenya Costa Rica Potenza installata (MWe) Figura 1 Potenza geotermoelettrica installata nei paesi del mondo La cause sono imputabili alla necessità di maggiori investimenti finanziari legati alla notevole profondità dei pozzi e alla maggiore attenzione della popolazione agli aspetti ambientali, che costituiscono un forte elemento di criticità. Inoltre l attuale situazione italiana della geotermia contiene in se elementi di disparità che frenano lo sviluppo dello sfruttamento di questa fonte. Da un lato Enel, godendo della condizione privilegiata di disporre delle risorse migliori, caratterizzate da giacimenti di vapore ad alta entalpia, non è spinta oltre misura a estendere lo sfruttamento a risorse meno pregiate. Dall altra i nuovi

3 soggetti, che si sono fatti avanti a valle della liberalizzazione del settore della geotermia avvenuta, forse troppo tardi, nel 2010, mostrano difficoltà a sostenere i costi connessi a perforazioni profonde, per risorse meno pregiate e che non consentono un adeguata certezza di remunerazione degli investimenti necessari. Particolarità della fonte geotermica Per le sue caratteristiche intrinseche l energia geotermica presenta alcune particolarità che la differenziano in maniera sostanziale dalle altre fonti rinnovabili. Mentre le energie rinnovabili sono essenzialmente distribuite sul territorio, quella geotermica risulta concentrata in aree particolari del pianeta, in cui la temperatura cresce con la profondità in maniera notevolmente più intensa, per via della presenza, vicino alla superficie terrestre di masse magmatiche. Queste zone si trovano dove le placche tettoniche confinano tra di loro e dove le forze geologiche spostano in superficie le masse magmatiche. Figura 2 Conformazione di un giacimento geotermico Ma questa condizione geologica non è ancora sufficiente per avere a disposizione una risorsa geotermica; occorre una condizione come quella mostrata in figura 2 in cui zone rocciose impermeabili racchiudono una zona altamente fessurata dove si depositi l acqua per accumulare il calore e renderlo disponibile per il suo sfruttamento. In casi ancora più

4 limitati è possibile che esistano le condizioni termodinamiche tali che il fluido di accumulo termico, sia costituito da vapore, direttamente utilizzabile per la produzione di elettricità. Le sorgenti geotermiche hanno caratteristiche diverse che dipendono sia dalle modalità di formazione dei giacimenti, che dalla loro evoluzione nel tempo. Nel caso in cui il giacimento si trovi a profondità non eccessivamente elevate, fino a 1 2 chilometri e sia presente acqua, la sorgente si definisce di tipo idrotermico. In esse l acqua viene riscaldata dal contatto con le rocce calde e a seconda della pressione, si trova allo stato di vapore od allo stato liquido; nel primo caso si parla di sorgenti a vapore dominante, nel secondo ad acqua dominante. Quando il giacimento si trova a elevata profondità, cioè da 3 a 10 chilometri ed è presente acqua, ovviamente a pressioni molto alte, la sorgente si dice di tipo geopressurizzata; l acqua contenuta nel giacimento si trova a pressioni oltre 1000 atmosfere e temperature intorno a 160 C Infine vi sono giacimenti molto profondi costituiti da rocce calde a temperature comprese tra 150 e 300 C, prive di acqua; sorgenti di quest o tipo si definiscono petrotermiche. Costituiscono l 85% delle risorse geotermiche terrestri, ma sono di difficile sfruttamento proprio per l assenza di acqua. In termini energetici le risorse disponibili nelle tre ipologie di sorgenti sopra descritte sono quantificate in figura 3 Idrotermiche J Geopressurizzate J Petrotermiche J Figura 3 - Disponibilità di energia nei tre tipi di sorgenti geotermiche Attualmente le uniche sorgenti effettivamente sfruttate sono quelle idrotermiche essenzialmente per la loro minore profondità e per la maggiore presenza di vapore che rende più semplici e più efficienti i processi di conversione dell energia in elettricità. L area della Toscana intorno a Larderello dispone di sorgenti di tipo idrotermico che contengono vapore a temperature tra 200 e 300 C già tra uno e due chilometri di profondità. Si tratta di una situazione particolarmente fortunata ed è anche questo il

5 motivo, oltre all ingegno del principe Ginori, per cui la geotermia è nata proprio a Larderello. Qui infatti il fluido geotermico, essendo già allo stato di vapore e a discrete temperature, è già pronto per essere utilizzato in turbina e produrre elettricità. Nelle altre aree del paese, particolarmente interessanti da questo punto di vista, i giacimenti geotermici sono costituiti da accumuli di acqua pressurizzata a temperatura in genere inferiore a 200 C; per l utilizzo di questi giacim enti ad acqua dominante le tecnologie risultano più costose, complesse e meno efficienti di quelle per il vapore. Un altra criticità della fonte geotermica rispetto alle altre fonti rinnovabili è rappresentata dal fatto che il suo sfruttamento presenta problematiche di impatto ambientale simili a quelle degli impianti che impiegano fonti fossili. Infatti nei giacimenti geotermici sono contenute notevoli quantità di gas prodotte dalle reazioni chimiche che hanno luogo al loro interno, in particolare anidride carbonica e sostanze inquinanti quali idrogeno solforato, cloro e mercurio che, insieme al vapore, fuoriescono all atmosfera attraverso i pozzi. Il contenimento di questi inquinanti costituisce un aspetto critico, da cui dipendono le prospettive di utilizzo di questa fonte di energia. La quantità di gas, di solito elevata al momento all inizio dello sfruttamento del giacimento, si stabilizza a una certa concentrazione che, nel caso del vapore estratto nell area di Larderello risulta intorno al 5%. Il gas è composto in larga misura da anidride carbonica, oltre il 90% e da quantità minori di idrogeno e metano oltre a tracce di Mercurio e di Idrogeno Solforato. Fino ad alcuni anni fa il problema delle emissioni non veniva preso in considerazione. Le aree geotermiche risultavano caratterizzate dall acuto odore cosiddetto di uova marce, derivante dalla emissione di idrogeno solforato. La maggiore attenzione al problema ha costretto a mettere in atto soluzioni di mitigazione, tuttavia la soluzione definitiva della criticità ambientale della geotermia è ben lungi da essere raggiunta. La situazione italiana In Italia esistono giacimenti geotermici di varia natura e caratteristiche. Facendo riferimento alle sorgenti idrotermali, si hanno giacimenti a vapore dominante e ad acqua dominante. Quelli a vapore dominante, più interessanti rispetto a quelli ad acqua per quanto riguarda la generazione elettrica, sono presenti nelle aree della Toscana, che insistono suoi territori di Larderello, Travale-Radicondoli, Bagnore e Piancanstagnaio e sono sfruttati da Enel. Le ricadute occupazionali sul territorio, inizialmente elevate si sono ridotte progressivamente, sia per via di una maggiore automazione nella gestione degli impianti, sia per un minor impiego di personale nelle attività di perforazione, operate in

6 larga misura da ditte esterne al territorio e nelle attività di manutenzione del macchinario impiegato. Anche dal punto di vista tecnologico si è verificato a partire dagli anni 90 un cambio di scenario, con un passaggio da impianti a vapore di tecnologia italiana di fabbricazione Ansaldo a impianti di fornitura General Electric. Tutto questo è comunque avvenuto nel contesto di un notevole sostegno pubblico alla produzione geotermoelettrica, con l erogazione dei certificati verdi che in certi momenti hanno raggiunto il valore di 80 /MWh. Anche per la geotermia è avvenuto qualcosa che assomiglia al fotovoltaico, cioè che gli incentivi economici erogati non si sono tradotti in opportunità di sviluppo, soprattutto per le realtà interessate. Uno sforzo tecnologico è stato profuso da Enel per affrontare il problema ambientale, con la realizzazione del processo AMIS. AMIS sta per Abbattimento Mercurio e Idrogeno Solforato e consente di minimizzare le emissioni di alcuni componenti gassosi dalle centrali geotermoelettriche, riducendo di circa il 95% il mercurio rilasciato e di circa il 70-80%, a seconda delle caratteristiche del fluido geotermico, le emissioni di idrogeno solforato. Le due sostanze risultano le più critiche tra quelle contenute nel vapore. In particolare l idrogeno solforato crea disagi per l elevata sensibilità olfattiva che l uomo manifesta nei suoi confronti. Il funzionamento del processo si basa essenzialmente su tre fasi successivi: rimozione del mercurio presente nella corrente gassosa mediante adsorbimento su un letto fisso di sorbente specifico, con rendimenti di oltre il 99%; successiva conversione dell H2S a SO2 mediante reazione di ossidazione selettiva ottenuta a bassa temperatura su letto catalitico; assorbimento dell anidride solforosa con acqua geotermica, grazie ai composti alcalini in essa naturalmente presenti, in una colonna a riempimento. La reiniezione dell acqua geotermica nel serbatoio profondo garantisce lo smaltimento dei prodotti di reazione senza contaminazioni di acque superficiali. I punti di forza del processo risiedono essenzialmente nel fatto che esso è stato studiato e ottimizzato tenendo conto sia del ciclo di funzionamento delle centrali geotermiche che delle caratteristiche peculiari dei fluidi endogeni in esse utilizzati. L idrogeno solforato è solubile in acqua e così nel condensatore a miscela delle centrali geotermiche, questo composto si ripartisce fra le due correnti in uscita dal condensatore stesso: i gas incondensabili, evacuati dal condensatore e l acqua di raffreddamento che viene ricircolata alla torre di raffreddamento. Qest ultimo aspetto rappresenta un punto debole del processo, poichè l idrogeno solforato assorbito nell acqua viene asportato dall aria nella

7 torre e rilasciato all atmosfera. S tratta comunque di una quantità non elevata, per cui con l introduzione dell AMIS, l odore legato a questo tipo di emissione si è drasticamente ridotto. 600 Emissione di anidride carbonica (g/kwh) % 20% 0 3% 4% 5% 6% 7% 8% Frazione di gas nel vapore Figura 3 Emissioni di anidride carbonica in un impianto geotermico al variare del rendimento elettrico e della frazione di gas nel vapore Il problema che invece rimane insoluto con l introduzione dell AMIS è l emissione dell anidride carbonica che rappresenta la parte preponderante dei gas incondensabili. L anidride carbonica non è un inquinante, ma è il gas che più influisce sul cambio climatico legato alla generazione elettrica. SI può valutare che per un tipico impianto geotermoelettrico, l emissione specifica di anidride carbonica per elettricità prodotta è di circa 300 g/kwh, dello stesso ordine di quella relativa agli impianti a ciclo combinato alimentati a gas naturale. E solo in parte giustificata l obiezione che l anidride carbonica sarebbe comunque rilasciata naturalmente dai campi geotermici, ma certo non con la stessa entità e con gli stessi tempi di quelli in caso di sfruttamento di giacimenti profondi. E quindi necessario l introduzione di nuove tecnologie che consentano di superare il problema ambientale e contemporaneamente di sfruttare risorse geotermiche meno pregiate.

8 A questo proposito è necessario sottolineare, che anche nell ambito delle sorgenti idrotermali, esistono due tipologie; i campi geotermici a vapore dominante e quelli ad acqua dominante. I primi sono quelli sfruttati dall Enel nell area di Larderello, i secondi sono quelli presenti nella altre aree italiane e sono caratterizzati dalla presenza di acqua allo stato liquido, con temperature più basse tra 150 e 200 C a 2000 m di profondità, definiti come risorse a media entalpia. Vi sono infine aree con acqua a temperatura ancora più bassa, intorno e al di sotto di 100 C, non ido nee allo sfruttamento per la generazione di elettricità, ma potenzialmente destinabili ad usi termici, quali la climatizzazione, il teleriscaldamento e altri usi civili. Per quanto riguarda la situazione normativa, la liberalizzazione del settore della geotermia in Italia, avvenuta nel 2010, ha consentito l entrata in campo, almeno sul piano formale, di nuovi soggetti che potrebbero affiancare le iniziative di Enel in questo settore. Si tratta di una svolta, che potrebbe avere ripercussioni significative, ben oltre la ricaduta economica rappresentata dalla quota di sedici milioni all anno che Enel versa a titolo di compensazione ai comuni su cui insistono le concessioni geotermiche. In effetti questo finanziamento a pioggia, al di là dell impegno profuso dal CoSviG (Consorzio Sviluppo Geotermico) con l apertura di due centri di ricerca, non ha avuto l effetto di avviare uno sviluppo economico e industriale dell area considerata, a parte la creazione di infrastrutture per la promozione turistica, la parziale riqualificazione dei centri storici e interventi non significativi sull efficienza energetica e sulle rinnovabili. Un rilancio della geotermia, che nell area di Larderello, è ancora ferma al livello di 800 MWe degli impianti dell Enel, è ben lungi da prevedere anche in presenza della liberalizzazione del settore. I motivi sono molti e di difficile superamento. Intanto i campi geotermici disponibili per nuovi operatori sono meno redditizi di quelli attualmente sfruttati da Enel; si tratta infatti di campi ad acqua a media entalpia, con rendimenti di conversione elettrica notevolmente più bassi. Inoltre l esplorazione di nuovi giacimenti risulta economicamente molto onerosa. La costruzione di nuovi pozzi profondi oltre tre chilometri ha un costo di circa 1000 euro al metro e non si ha la certezza sulla disponibilità e la qualità della risorsa. Si considera che il grado di insuccesso delle attività esplorative sia quantificabile intorno al 30%. Infine esiste sempre una notevole opposizione locale verso gli operatori che intendono cimentarsi in questa impresa. La liberalizzazione della geotermia ha avuto inizialmente un avvio solo apparentemente promettente. Dal 2010 ci sono state in Italia oltre 100 richieste di permessi di ricerca geotermica, di cui 54 in Toscana, ma è ipotizzabile che solo pochi di questi operatori, cioè

9 solo coloro con adeguata solidità economica, potranno passare dalla fase di ricerca a quella di coltivazione e realizzazione degli impianti. Infatti per acquisire un permesso di ricerca occorrono circa 50 mila euro per la presentazione della domanda e le spese burocratiche. Per l attività di ricerca occorre circa un milione di euro per chilometro quadrato di giacimento e oltre 5 milioni per la realizzazione dei pozzi. Per installare un impianto completo di produzione geotermoelettrica occorrono circa 5 milioni di euro per la potenza elettrica di 1 MW. Devono essere quindi create condizioni idonee per avviare una nuova fase di sviluppo della geotermia nel nostro paese. In primo luogo occorre mettere in atto una evoluzione delle tecnologie per consentire lo sfruttamento di campi a media entalpia in maniera efficacie e compatibile con i requisiti ambientali. In secondo luogo occorre che gli interventi si concentrino su operatori di adeguata capacità finanziaria e in grado di sostenere i costi della filiera completa che va dall esplorazione alla produzione elettrica. Infine la normativa di remunerazione dell elettricità, deve seguire con tempestività gli sviluppi tecnologici e industriali, attraverso una incentivazione ritagliata sulle effettive condizioni di sviluppo e maturità industriale delle tecnologie e del mercato. Sviluppo tecnologico La crescente attenzione agli aspetti ambientali e la necessità di sfruttamento di nuovi giacimenti a media entalpia non consentono in futuro l utilizzo di tecnologie di tipo tradizionale, quali il ciclo a vapore diretto o a flash. La soluzione tecnologica adatta alle nuove esigenze è costituita dal ciclo binario (figura 4).. Figura 4 Schema semplice di un ciclo binario

10 Il fluido proveniente dal giacimento non viene utilizzato direttamente nel ciclo termodinamico di generazione elettrica, ma cede il suo calore per vaporizzare un fluido di natura diversa, in genere di tipo organico, che viene inviato alla turbina per produrre elettricità. Per le caratteristiche del fluido di lavoro, questo ciclo viene chiamato anche ORC (Organic Rankine Cycle). Il fluido geotermico, una volta trasferito il calore, viene reiniettato totalmente nel giacimento. I vantaggi connessi all uso di questo ciclo sono di due tipi, uno di natura terrmodinamica, l altro di valenza ambientale. Infatti usando un fluido di lavoro in grado di evaporare a basse temperature, rispetto all acqua, e a pressioni relativamente più elevate, è possibile ottimizzare la prestazione del ciclo e quindi migliorare il rendimento. Inoltre la reiniezione completa rende il processo geotermico confinato rispetto all ambiente, configurandosi come una soluzione a emissioni zero. L elemento critico dei cicli ORC è essenzialmente il costo di installazione. Tuttavia il costo potrebbe ridursi a seguito di una diffusione su larga scala di questa tecnologia. L altra criticità è rappresentata dal basso rendimento di conversione elettrica a causa delle basse temperature della sorgente geotermica e conseguentemente del ciclo. Figura 5 Integrazione del ciclo geotermico con la fonte solare e con biiomasse L integrazione della geotermia con altre fonti rinnovabili, quali il solare e le biomasse, può in parte mitigare il problema dei bassi rendimenti (figura 5). Sfruttando il calore raccolto da un campo solare o dalla combustione di biomasse, si può incrementare la temperatura del

11 ciclo e incrementare sia il rendimento che la potenza elettrica prodotta. Per esempio, incrementando la temperatura del ciclo da 150 a 200 C, sia la potenza elettrica che il rendimento migliorano di circa il 30%. L integrazione con altre fonti rinnovabili può migliorare anche il ritorno economico, sfruttando la remunerazione incentivata di queste fonti presente a livello normativo sia nell ambito del conto energia per quanto riguarda il solare, che delle tariffe onnicomprensive per quanto concerne le biomasse. Aspetti economici La sostenibilità economica dello sfruttamento geotermico di campi ad acqua dominante e a media e bassa entalpia è legata al momento alle norme di incentivazione presenti. La tariffa onnicomprensiva prevista nel Decreto Ministeriale del 6 luglio 2012 remunera l elettricità prodotta fino a 200 /MWh, a cui si aggiungono altri contributi in certe particolari condizioni. Per esempio ad oggi sono stati previsti a livello nazionale circa 10 impianti pilota di tipo innovativo, che possono usufruire di un premio aggiuntivo di 30 /MWh. Il requisito richiesto è che si tratti di impianti a emissione zero e con totale reimmissione del fluido geotermico, condizione raggiungibile attraverso l impiego di cicli binari di tipo ORC. Il costo dell elettricità prodotta dipende in misura significativa dal costo di investimento e dalle ore di esercizio continuativo annuo. Le voci preponderanti dell investimento sono costituite dall impianto di generazione elettrica e dalle operazioni di perforazione dei pozzi, in misura abbastanza confrontabili. A queste si aggiungono altre parti accessorie di impianto le spese di ingegneria, di cantierizzazione e di acquisizione dei permessi e gli imprevisti stimati in oltre il 30% dei costi di perforazione. Lo spaccato dei costi di investimento è rappresentato in tabella, per un impianto da 5 MWe Impianto da 5 MWe M Realizzazione dei pozzi 8 32% Ciclo ORC 10 40% BOP 3 12% Ingegneria, permtting, altro 1 4% Contingencies 3 12% Totale impianto % Il costo di produzione dell elettricità è stato valutato al variare del tasso di attualizzazione, per diverse ore di funzionamento annuo nella figura 6. Emerge che, in caso di esito positivo del progetto, la tariffa onnicomprensiva attualmente prevista è in grado di remunerare adeguatamente l investimento.

12 250 Costo dell'elettricità ( /MWh) Campo di variazione della tariffa onnicomprensiva % 9% 10% 11% 12% 13% 14% 15% Tasso di interesse Figura 6 Costo dell elettricità al variare del tasso di interesse e delle ore di funzionamento annuo Chiaramente come risulta dal diagramma la sostenibilità economica è assicurata con funzionamenti annui superiori a 4000 ore, il ché richiede, oltre a una stabilità del livello di disponibilità della risorsa, anche che l impianto abbia una adeguata affidabilità. Gli impianti a ciclo binario, pur trattandosi di una tecnologia innovativa, stanno raggiungendo una maturità industriale in grado di rispondere ai requisiti necessari alle applicazioni commerciali. Conclusioni La geotermia oggi in Italia si trova essenzialmente a un bivio, tra rimanere un attività di nicchia, limitata allo sfruttamento delle risorse più pregiate effettuato da Enel, o aprirsi a nuove sfide. La seconda alternativa è l unica che possa rilanciare uno sviluppo, con ricadute economiche ed energetiche nel settore della generazione elettrica da fonti rinnovabili. A questo scopo, come già sottolineato, occorre un apertura verso nuove tecnologie che consentano lo sfruttamento delle risorse geotermiche a temperatura più bassa e insieme una elevata compatibilità ambientale. L apertura del settore a nuovi operatori a valle della liberalizzazione del 2010 è stata senz altro una condizione necessaria per l introduzione di elementi di mercato e di competizione in un contesto

13 monopolistico. E tuttavia importante affiancare provvedimenti normativi, non solo sul piano dell incentivazione, ma anche sulla facilitazione delle procedure autorizzative e del rapporto con le realtà locali, elementi che oggi rendono lungo e oneroso l avvio di nuove iniziative. Resta infine aperto lo sfruttamento della geotermia a bassa temperatura in contesti diversi dalla generazione elettrica, argomento che qui non è stato affrontato, ma che potrebbe dare in prospettiva un contributo molto significativo al fabbisogno energetico del paese per gli usi termici nel settore residenziale e terziario.