I fenomeni a cui assistiamo nell area di Sasso Pisano, sono correlabili al vulcanismo attivo in questa zona milioni di anni fa.

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1 Le terre fumanti Note sulla geotermia e sull energia geotermica raccolte da Tiziano Barbetti in occasione della escursione del 10 Aprile 2011 a Sasso Pisano Monterotondo Marittimo I fenomeni a cui assistiamo nell area di Sasso Pisano, sono correlabili al vulcanismo attivo in questa zona milioni di anni fa. Nelle aree vulcaniche, dopo che l attività è terminata, il raffreddamento del magma in profondità continua per migliaia e migliaia di anni e può dar luogo in superficie ad emissioni di acqua calda e vapori: è la cosiddetta fase idrotermale delle rocce del focolaio magmatico. Le stesse forze che determinano la formazione delle strutture vulcaniche possono dar luogo ad intrusioni magmatiche non affioranti ( plutoni ). Anche in questo caso il lento raffreddamento del magma in profondità può determinare in superficie una area con attività idrotermale: è il caso dei soffioni di Larderello e Sasso Pisano. Aree di questo tipo sono presenti in molte zone della terra e sono indicate con il termine generico di campi geotermici per evidenziarne il particolare flusso geotermico (geotermia = calore della terra) che le contraddistingue. Il calore rilasciato dal magma, viene portato in superficie dalle rocce sovrastanti e dai fluidi che le attraversano. La composizione di queste rocce e la loro disposizione (giacitura) influenza in maniera importante le caratteristiche del campo geotermico (manifestazioni di superficie, mineralizzazioni, sfruttamento economico). I campi geotermici sono aree particolarmente ricche di minerali e per questo hanno sempre rivestito un particolare interesse economico sia per le popolazioni locali che per quelle direttamente confinanti. Nell ultimo secolo l interesse economico alle aree geotermiche ha ricevuto un nuovo impulso con la possibilità di produrre elettricità direttamente dall energia geotermica. Nel mondo, il primo tentativo riuscito, di produrre elettricità dall energia geotermica è stato condotto a Larderello nel La storia della geotermia toscana è la storia dell utilizzo delle risorse geotermiche. Foto Roberto Fortini Pag. 1 / 8

2 Natura delle risorse geotermiche (tratto da Mary H. Dickson e Mario Fanelli Cos è l Energia Geotermica?, A. Bosellini Tettonica delle Pacche e Geologia) All aumentare della profondità la temperatura aumenta in media di circa 2,5-3 C ogni 100 m. I primi metri sotto la superficie hanno una temperatura media di circa 15 C (temperatura media annua dell aria esterna); pertanto si può prevedere che a 2000 m di profondità la temperatura raggiunga in media i (15 + (2,5 * 2000 /100)). La variazione della temperatura con la profondità è espressa dal gradiente geotermico. Vi sono, vaste regioni nelle quali il valore del gradiente geotermico si discosta sensibilmente da quello medio. In aree di rapido accumulo di sedimenti geologicamente molto giovani, il gradiente geotermico può essere anche inferiore a 1 C/100 m. Viceversa, in certe aree geotermiche il gradiente può raggiungere valori superiori a dieci volte quello normale. Nell area di Sasso Pisano Monterotondo M.Mo il gradiente geotermico arriva a raggiungere valori di 30 C ogni 100 m. L aumento della temperatura con la profondità, i vulcani, i geysers, le fumarole, le sorgenti calde sono manifestazioni tangibili e visibili del calore interno della Terra, ma questo calore è all origine di fenomeni meno percettibili dagli uomini, ma di tale grandezza, che la Terra è stata paragonata ad un enorme motore termico. Le modalità di funzionamento di questo motore termico e dei fenomeni ad esso connessi, attività geotermica compresa, rientrano nella teoria della tettonica a zolle. Nella figura in alto abbiamo una sezione schematica del nostro pianeta in cui si possono distinguere: - crosta, che ha uno spessore di circa km nelle aree continentali e 5-6 km in quelle oceaniche, - dal mantello, spesso approssimativamente 2900 km, - e dal nucleo, che ha un raggio di circa 3470 km. Le proprietà fisiche e chimiche di crosta, mantello e nucleo variano andando dalla superficie verso l interno della Terra; così, per meglio descriverne il comportamento fisico si preferisce distinguere: - La litosfera, involucro esterno del globo, costituito dalla crosta e dalla parte superiore del mantello, che si comporta come un corpo rigido - L astenosfera, sotto la litosfera è formata dalla parte alta del mantello, ed ha un comportamento meno rigido o più plastico. In altre parole, sulla scala geologica, ove i tempi si misurano in milioni di anni, in certi fenomeni, l astenosfera si comporta in modo simile a quello di un fluido viscoso. Le differenze di temperatura tra le diverse parti dell astenosfera hanno prodotto moti convettivi nei materiali che la costituiscono, e, qualche diecina di milioni di anni fa, potrebbero essersi innescate vere e proprie celle di convezione. Enormi volumi di rocce profonde, allo stato fuso o semifuso, più calde, meno dense e più leggere Pag. 2 / 8

3 dei materiali sovrastanti, risalgono verso la superficie, creando nuova crosta, mentre le rocce più vicine alla superficie, più fredde, più dense e più pesanti, tendono a scendere per riscaldarsi, fondersi nel mantello e poi risalire di nuovo, con un meccanismo che assomiglia a quello che si instaura in una pentola quando si riscalda dell acqua. Il loro lentissimo movimento (pochi centimetri l anno) è sostenuto dal calore interno del pianeta. In questo quadro, in cui la crosta si genera da una parte (dorsali dei fondi oceanici) e si distrugge dall altra (zone di subduzione), i continenti giocano un ruolo passivo. In pratica galleggiano come schiuma di crosta leggera sul sottostante mantello in lento moto convettivo: i continenti vengono trasportati passivamente come su di un nastro trasportatore. Le dorsali, le zone di subduzione e le faglie trasformi (strutture che permettono lo scorrimento reciproco di zolle di crosta adiacenti) formano un enorme reticolato, che divide la Terra in placche litosferiche o zolle, sei di grandi dimensioni e numerose altre più piccole. I margini delle zolle corrispondono a zone di fragilità e di forte fratturazione della crosta e sono caratterizzate da: elevata sismicità, presenza di molti vulcani forte gradiente geotermico. Zolle crostali, dorsali, fosse oceaniche, zone di subduzione e campi geotermici. Le frecce indicano la direzione del movimento delle zolle. (1) Campi geotermici che producono elettricità; (2) dorsali interrotte dalle faglie trasformi (fratture trasversali); (3) zone di subduzione, nelle quali la litosfera volge in basso verso l astenosfera, dove fonde. Come è evidenziato nella figura qui sopra in corrispondenza del simbolo le più importanti aree geotermiche si trovano nei pressi dei margini delle zolle crostali. Nella figura a destra è riportata una rappresentazione schematica della disposizione e delle relazioni fra le placche che insitono nell area del mediterraneo. Distribuzione dei vulcani in Italia (tratto da Bullard I Vulcani della Terra) I vulcani italiani sono disposti lungo un asse disposto grosso modo nord ovest sud est, che corre parallelo alla catena degli Appennini e alla costa tirrenica. Lungo tale asse sono rilevabili una serie di fratture correlabili con lo sprofondamento del mar tirreno e col sollevamento appenninico. In estrema sintesi, dal nord a sud incontriamo i centri vulcanici del lago di Bolsena, lago di Vico, lago di Bracciano, dei colli Albani, Roccamonfina e l area circostante Napoli con i vulcani Vesuvio e Campi Flegrei. L attività vulcanica lungo questo allineamento iniziò a nord e si spostò progressivamente verso sud tanto che attualmente si riscontra solo sul Vesuvio. Pag. 3 / 8

4 Il vulcanismo responsabile delle intrusioni magmatiche dell area di Larderello Sasso Pisano comprendeva fra gli altri i focolai di Campiglia, Roccastrada, Monte Amiata, Radicofani, Tolfa, Cerveteri, ed era attivo dal Miocene al Quaternario superiore (25-1,5 Milioni di anni) I Vulcani attivi della Sicilia (Stromboli, Vulcano, Etna, sea - mounts) non sono correlabili direttamente alle strutture appenniniche che invece proseguono nella catena dell Atlante in nord africa. Sebbene l attività vulcanica recente in Italia abbia determinato un ampia distribuzione di fumarole, solo nell area di Larderello Sasso e nelle vicinanze del Monte Amiata si sono utilizzate le risorse di vapore naturale. I sistemi geotermici (tratto da Mary H. Dickson e Mario Fanelli Cos è l Energia Geotermica? ) Un sistema geotermico è formato da tre elementi: - la sorgente di calore, - il serbatoio - il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore. Cornate di Gerfalco La sorgente di calore può essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta ( 600 C), che si è posizionata a profondità relativamente piccola (5-10 km), oppure, come in certi sistemi a bassa temperatura, il normale calore della Terra. Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore. Il serbatoio generalmente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque meteoriche possono sostituire, totalmente o parzialmente, i fluidi perduti attraverso vie naturali (per esempio sorgenti) o che sono estratti mediante pozzi. La struttura e la stratigrafica delle rocce serbatoio controllano il sistema convettivo, ovvero le acque calde risalendo lungo la via più facile, che non è necessariamente quella verticale, si possono allontanare dalla sorgente di calore. Il fluido geotermico, nella maggioranza dei casi, è acqua meteorica in fase liquida o vapore, in dipendenza dalla sua temperatura e pressione. Quest acqua spesso trascina con se sostanze chimiche e gas, come CO2, H2S ed altri. La sorgente di calore è l unico dei tre elementi di un sistema geotermico che deve essere naturale. Gli altri due elementi, se esistono le condizioni adatte, possono essere artificiali. Per esempio, i fluidi geotermici estratti dal serbatoio per alimentare la turbina di una centrale elettrica, dopo averne sfruttato l energia, possono essere immessi di nuovo nel serbatoio attraverso appositi pozzi di reiniezione. In questo modo la ricarica naturale del serbatoio è integrata dalla ricarica artificiale. Da diversi anni, inoltre, la reiniezione dei fluidi sfruttati è stata adottata per ridurre drasticamente l impatto ambientale degli impianti geotermici. Pag. 4 / 8

5 Il sistema geotermico di Sasso Pisano Il sistema geotermico di Sasso Pisano è così strutturato: - La fonte di calore deriva da un plutone in via di raffreddamento a bassa profondità (geologicamente parlando naturalmente). - Il serbatoio dell area di Sasso Pisano è costituito da calcare cavernoso e diaspri. - La copertura impermeabile è formata da carbonati impermeabili, argilliti (prevalenti) e ofioliti. La copertura impermeabile non è continua su tutta l area del campo geotermico,ne consegue che in alcune zone affiorano direttamente le rocce del serbatoio (calcari e diaspri): in queste aree il vapore è libero di dar luogo alle vistose manifestazioni delle terre fumanti. La tettonica che ha interessato questa zona ha generato un fascio di spaccature (faglie) con andamento nord est sud ovest. Nei punti attraversati da queste faglie, in cui la copertura impermeabile è presente, il vapore in pressione arriva in superficie risalendo lungo le che raggiungono il serbatoio. Queste bocche naturali sono dette soffioni. per ogni Kg di vapore: Il fluidi a contatto con le rocce del serbatoio raggiungono temperature di grammi 300 C, il vapore che esce dalle fratture ha una temperatura di circa 100 C Acqua H ed è costituito per circa il 95% da vapore acqueo. 2 O 945,87 Anidrite CO 2 51,85 La combinazione delle rocce affioranti e della composizione dei fluidi ha carbonica determinato le diverse manifestazioni a cui assistiamo: Acido solfidrico* H 2 S 0,86 Soffione Localmente si intende in genere il pozzo perforato Acido Borico H 3 BO 3 0,50 Fumacchi Emissioni lente di vapore ad alta temperatura Ammoniaca NH 3 0,10 Fumarole Emissioni di vapore in genere non in pressione Metano, CH 4, H 2, 0,40 Emissioni di acqua e gas in piccoli laghetti di fango Idrogeno, ecc. ecc. Bulicami gorgoglianti Ossigeno O 2 0,01 Emanazioni di vapore contenenti acido solfidrico* e Azoto N 2 0,42 Putizze Gas rari (tratto da Bullard I vulcani della terra) circa 1 cc * L idrogeno solforato o acido solfidrico (H 2 S) è il responsabile del caratteristico odore di uova marce. Biancane Sorgenti Termali Piccoli geyser Mofete Lagone anidrite solforosa. Fessure o aperture del suolo da cui escono soprattutto biossido di carbonio e in minor quantità, vapore, metano, azoto, ecc. a bassa temperatura. Pozze o laghetti con emanazioni gassose Rocce di colore bianche derivanti: - dalla reazione chimica fra l idrogeno solforato dei fluidi e la roccia calcarea e che produce gesso (CaSO 4 ), - dallo sbiancamento acido dei diaspri (in genere rossi). Sorgenti di acqua calda ricca in gas e sali minerali sfruttate spesso per le loro proprietà terapeutiche. Sorgenti di acqua calda che presenta delle eruzioni periodiche creando delle colonne di acqua e vapore. La localizzazione delle diverse manifestazioni rispecchia la struttura delle rocce affioranti come si può vedere schematicamente da raffronto fra le due cartine a fianco. A sinistra i tipi di manifestazioni di superficie lungo gli itinerari del parco. A destra la stessa area con evidenziate in colori diversi i tipi di rocce affioranti. Pag. 5 / 8

6 Sfruttamento delle risorse geotemiche nell area di Sasso Pisano e Larderello. Già gli etruschi avevano rivolto la propria attenzione alle acque boriche e ai sali borici. Le prime erano ritenute efficaci nella cura di molte malattie, mentre i sali borici erano utilizzati per la preparazione di smalti decorativi. In epoca romana si hanno indicazioni della presenza di almeno due stabilimenti termali: uno dei quali individuabile nel complesso archeologico delle Terme del Bagno di Sasso Pisano. E d altra parte, ancora in tempi recenti la sorgente termale di Acqua Forte era considerata dai vecchi paesani un toccasana per la digestione e per i problemi gastrointestinali in genere. Nel Medioevo diviene importante l estrazione dei minerali dei Lagoni : - Zolfo: usato in campo bellico, farmaceutico, e nell industria tessile per sbiancare i tessuti - Vetrioli (solfato di rame o solfato ferroso idrato): usato per colorare di nero i tessuti - Acido borico: usato in campo farmaceutico, per la decorazione delle porcellane e per le saldature. - Allume (solfato di alluminio idrato): necessario per la lavorazione della lana, come fissante per i colori e nella concia di di cuoio e pelli. Nel primo Rinascimento le mineralizzazioni di quest area diventano così importanti da risolversi in una guerra fra Firenze e Volterra per il controllo delle cave d allume di Sasso Pisano (guerra delle allumiere). Lo sfruttamento dei composti borici e degli altri prodotti idrotermali divenne così monopolio della Repubblica di Firenze che ne dette la gestione alla Corporazione della lana.rendendola libera dai dazi su questi prodottti indispensabili all industria tessile Dal tardo Rinascimento e fino alla metà del 1700 l area geotermica cade nell oblio in quanto la scoperta di mineralizzazioni più ricche e facilmente sfruttabili e il riavviarsi del commercio con l oriente rendono le mineralizzazioni della zona non remunerative, ma nel 1777 Uberto Hoefer (direttore delle spezierie del granduca di Toscana Leopoldo III) isola l acido borico dal Lagone di Cerchiaio a Monte Rotondo Marittimo e apre nuove prospettive economiche per l area geotermica. Il processo di recupero dell acido borico avveniva per evaporazione e conseguente concentrazione in speciali contenitori dove l acido grezzo, puro al 90% veniva cristallizzato. Le acque calde ricche di boro venivano fatte evaporare in bollitori metallici, usando, come combustibile, il legname ricavato dei boschi vicini. Nel 1827 Francesco Larderel, proprietario di questa industria, ideò un sistema per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di evaporazione, invece di bruciare il legname dei boschi, che si andavano esaurendo rapidamente. In questo periodo si inizia ad utilizzare anche l energia meccanica del vapore naturale per sollevare l acqua in semplici sistemi a gas lift eper il funzionamento di pompe ed argani impiegati nelle operazioni di perforazione o nell industria dell acido borico. Viene così costruito il lagone coperto e avviata la produzione industriale di Lagone coperto acido borico e derivati: borace (borato idrato di sodio) e talco borico. L industria chimica di Larderello detenne, tra il 1850 ed il 1875, il monopolio della produzione dell acido borico in Europa. Il recupero dell Acido Borico è stato interrotto negli anni 60 quanto non era più in grado di competere economicamente con altre fonti di borace Piero Ginori Conti Fin qui il vapore naturale veniva usato solo nei processi chimici industriali, ma nel 1879 si comincia a sfruttare il vapore anche per la produzione di energia elettrica. Inizialmente il vapore naturale venne usato per scaldare caldaie che fornivano vapore ad un motore alternativo, ma nel 1904 il principe Piero Ginori Conti produsse energia elettrica a partire dal vapore convogliato direttamente da un Pag. 6 / 8

7 soffione in un motore a pistoni collegato ad una dinamo. Il successo di questo esperimento mostrò il valore industriale dell energia geotermica e segnò l inizio di una forma di sfruttamento, che è ora diffuso in molti paesi. A lato, nella foto, la prima centrale geotermoelettrica di Larderello e del mondo (1913). In questo periodo l energia geotermica comincia ad essere utilizzata nell area di Larderello anche per il riscaldamento di Serre, edifici pubblici e privati. tre turbine da 3000 KW ciascuna. La prima turbina che utilizzò il vapore direttamente da un soffione è del 1913 e già nel 1916 vennero installate Più precisamente, queste turbine utilizzavano vapore derivante da acqua pura riscaldata dai soffioni in alcune caldaie in modo da evitare i problemi derivanti dalla corrosione e dall alto contenuto in gas del vapore naturale. Questo metodo fu poi affinato verso il 1923, quando fu perfezionato un dispositivo per separare circa il 90% dei gas dal vapore (processo Brighenti). La produzione di elettricità a Larderello fu un successo commerciale, oltre che della tecnica, tanto che, nel 1942, la potenza geotermoelettrica installata aveva raggiunto kw. L esempio italiano fu seguito da numerosi altri paesi. Nel 1919 venne perforato il primo pozzo geotermico in Giappone, e, nel 1921, negli Stati Uniti, a The Geysers in California. Nel 1958 un primo impianto geotermoelettrico entrò in esercizio in Nuova Zelanda, nel 1959 in Messico, nel 1960 negli Stati Uniti e negli anni seguenti in molti altri paesi. Attualmente l energia elettrica è prodotta in impianti convenzionali o in impianti a ciclo binario, secondo le caratteristiche delle risorse geotermiche disponibili. Gli impianti a ciclo binario sfruttano fluidi geotermici più freddi ( ) per scaldare un fluido secondario di lavoro (in genere organico) che ha un basso punto di ebollizione ed un elevata pressione di vapore a bassa temperatura rispetto al vapore acqueo. Gli impianti convenzionali richiedono fluidi con una temperatura di almeno 150 C e sono disponibili nel tipo a contropressione, con scarico diretto nell atmosfera, e nel tipo a condensazione. Impianto a contropressione Impianto a condensazione Pag. 7 / 8

8 A conclusione riportiamo il seguente diagramma (Lindal) in cui si riassumono schematicamente i molti tipi di impieghi cui si prestano le risorse geotermiche in funzione delle temperature disponibili : Link per scaricare questo documento: Pag. 8 / 8