L energia geotermica. Andrea D Oriano, Emanuela Petruccione* Ergasum S.r.l. Convegno CAI 5 marzo 2016 Napoli

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1 L energia geotermica Andrea D Oriano, Emanuela Petruccione* Ergasum S.r.l. Convegno CAI 5 marzo 2016 Napoli

2 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.

3 Il calore terrestre Il calore terrestre si propaga dall interno verso l esterno del pianeta attraverso processi conduttivi (non associati a trasporto di materia) e convettivi e advettivi (tramite un fluido vettore). Lo 0.1% dell energia termica immagazzinata nella crosta terrestre potrebbe soddisfare la richiesta energetica mondiale per anni

4 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 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.

5 Il gradiente geotermico Carta della distribuzione delle anomalie del gradiente geotermico Da La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007.

6 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/m 2 mentre nelle zone oceaniche è di 0,101 W/m 2 con un valore medio di 0,087 W/m 2. Per motivi geodinamici l Italia è un paese caratterizzato da forti anomalie positive di calore (i.e. elevati flussi di calore). Larderello (fino a 1 W/m 2 ) Monte Amiata (fino a 0,6 W/m 2 ).

7 Natura delle risorse geotermiche Le principali aree ad alto potenziale geotermico sono collocate in corrispondenza dei margini di placca

8 L energia geotermica Il calore è una forma di energia e, in senso stretto, l energia geotermica è il calore contenuto all interno della Terra. L espressione energia geotermica è generalmente impiegata, nell uso comune, per indicare quella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo ed essere sfruttata dall uomo. ~ 30 C/km Ai fini dell utilizzo energetico, viene indicata come risorsa geotermica quella il cui calore può venire estratto da profondità economicamente sostenibili ed accessibili alle tecnologie correnti. > 1000 C > 3000 C > 5000 C nucleo

9 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 frequentazione non 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.)

10 Un po di storia.. 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.

11 Un po di storia.. Il principe Piero Ginori ed il primo esperimento di generazione di energia elettrica con vapore geotermico. Larderello, Toscana (La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007) La prima centrale geotermoelettrica del mondo, di 250 KW di potenza istallata a Larderello nel (La Geotermia ieri, oggi, domani, UGI, 2007).

12 I sistemi geotermici Un sistema geotermico viene definito come: Un sistema acqueo convettivo che, in uno spazio confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica al luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato). (Hochstein, 1990). 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

13 I sistemi geotermici I sistemi geotermici sono spesso suddivisi tra sistemi ad acqua dominante ed a vapore dominante: ACQUA DOMINANTE l 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).

14 I sistemi geotermici Viene anche fatta una suddivisione in funzione della modalità di ricarica del serbatoio geotermico SISTEMI DINAMICI L 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 STATICI La ricarica del serbatoio è molto ridotta e lo scambio termico avviene soltanto per conduzione. 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.

15 I sistemi geotermici I sistemi geotermici vengono anche classificati in base al loro potenziale termico (ENTALPIA) Alta Entalpia (T > 150 C) Media Entalpia (90 C < T < 150 C) Bassa Entalpia (T < 90 C)

16 Utilizzi dell energia geotermica L'utilizzo convenzionale dell'energia geotermica è identificato dalla suddivisione in due categorie principali: per produzione di energia elettrica (risorse ad alta-media entalpia) e per usi diretti del calore (risorse a bassa-media entalpia). Le possibilità di utilizzo dell'energia geotermica a temperature inferiori a quelle comunemente utilizzate per la produzione geotermoelettrica sono notevoli e spaziano dalle comuni terme ai sempre più frequenti utilizzi diretti per scopi agroalimentari, florovivaistici ed industriali. CNR-IGG, Progetto VIGOR

17 Tecnologie per la produzione di energia elettrica

18 Tecnologie per la produzione di energia elettrica Il calore sotterraneo non viene utilizzato direttamente per la produzione di energia, ma attraverso una massa d acqua che scambia ed estrae il calore immagazzinato nelle rocce (sistemi idrotermali) La potenza elettrica è prodotta dalla conversione di energia termica immagazzinata nella massa d 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 energia elettrica grazie al generatore 10 MW t (termico) => 1 Mw e (elettrico) 1 MW e richiede: 7-10 t/h di vapore secco t/h di fluido bifase a C (tecnologia flash) t/h di acqua se si utilizzano cicli binari ORC a bassa entalpia ( C)

19 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 e pressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco. Sono i più diffusi (es. Wairakei in Nuova Zealanda, Tongonan nelle Filippine, e Cerro Prieto in Messico). Tecnologie per la produzione di energia elettrica Sistemi a vapore dominante: normalmente coesistono nel serbatoio acqua liquida e vapore, che è la fase continua che controlla la pressione. Sono sistemi ad alta temperatura e normalmente producono 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 in Indonesia).

20 Tecnologie per la produzione di energia elettrica Sistemi a vapore dominante Impianti a vapore secco Impianti a separazione di vapore (singolo o doppio flash) Sistemi ad acqua dominante Impianti binari Impianti combinati

21 Tecnologie per la produzione di energia elettrica SISTEMI A VAPORE DOMINANTE (DRY STEAM) I sistemi a vapore dominante utilizzano vapore ad alta temperatura (>235 ) e pressione per muovere 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 trova circa 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.

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

23 Tecnologie per la produzione di energia elettrica SISTEMI AD ACQUA DOMINANTE Impianti a ciclo binario Gli impianti a ciclo binario vengono utilizzati per sfruttare serbatoi che producono acqua a temperature moderate (tra i 120 e i 180 C). In questi impianti il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un secondo liquido bassobollente (ad esempio isobutano o isopentano). Il fluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore in un circuito chiuso, senza scambi con l'esterno. La tecnologia del ciclo binario è la più diffusa e redditizia.

24 Tecnologie per la produzione di energia elettrica La generazione geotermoelettrica italiana corrisponde a: 8,5 % di quella mondiale, 1,9 % della generazione nazionale 25 % dei consumi elettrici della Toscana. Thailand Australia Austria Germany Ethiopia France China Portugal Guatemala Papua New Guinea Russia Nicaragua Turkey Costa Rica Kenya El Salvador Japan Iceland New Zealand Italy Mexico Indonesia Philippines USA

25 Tecnologie per la produzione di energia elettrica IMPATTO AMBIENTALE La Geotermia è spesso considerata come una fonte di energia alternativa rinnovabile, pulita e sostenibile 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 se gli impatti della geotermia sono sensibilmente inferiori sia rispetto alle fonti non rinnovabili sia rispetto 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 energia geotermica è proporzionale alla scala dell utilizzazione. La produzione di elettricità con impianti a ciclo binario produce effetti simili a quelli degli usi diretti. L impatto sull ambiente è potenzialmente maggiore nel caso di centrali elettriche convenzionali, specialmente per ciò che riguarda la qualità dell aria, ma può essere in ogni caso mantenuto entro limiti accettabili e assai inferiori rispetto ad impianti di pari potenza ma alimentati da fonti non tradizionali.

26 Uso diretto del calore 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.

27 Uso diretto del calore

28 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.

29 Uso diretto del calore 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.

30 Uso diretto del calore 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

31 Uso diretto del calore SCAMBIO DI CALORE (Impianti geotermici a bassa entalpia) Sonde geotermiche verticali / orizzontali presenza / assenza acquifero

32 Uso diretto del calore SCAMBIO DI CALORE (Impianti geotermici a bassa entalpia) La climatizzazione (riscaldamento e raffreddamento) di ambienti con l energia geotermica si è diffusa notevolmente a partire dagli anni 80, a seguito dell introduzione nel mercato e della diffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibili permettono di estrarre ed utilizzare economicamente il calore contenuto in corpi a bassa temperatura, come terreno, acquiferi poco profondi, masse d acqua superficiali, ecc.

33 Uso diretto del calore 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

34 Uso diretto del calore 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.

35 Uso diretto del calore L acquacoltura, vale a dire l allevamento controllato di forme di vita acquatiche, in questi ultimi tempi 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 che per le specie terrestri.

36 Uso diretto del calore 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.

37 Uso diretto del calore IMPATTO AMBIENTALE L utilizzo diretto del calore (Teleriscaldamento e impianti geotermici a bassa entalpia) è sicuramente 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)

38 Sviluppi futuri della geotermia La geotermia rappresenta una delle poche fonti di energia primaria di cui dispone l Italia. Si tratta di risorse sempre sostenibili, spesso rinnovabili, ovunque compatibili con l ambiente, ed ora anche convenienti sul piano economico a tutti i livelli di temperatura. Tenendo quindi presente il probabile ulteriore aumento dei prezzi delle fonti tradizionali di energia nei prossimi anni, per le due forme di utilizzazione delle risorse 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 a MWe, con una generazione di 10 miliardi di kwh/anno, pari al fabbisogno elettrico di 9 milioni di abitanti. Ciò rappresenta il raddoppio della produzione del 2006, 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 corrispondente ad oltre tep nel 2006, la potenza installata (senza nulla sottrarre alla generazione di energia geotermoelettrica) può giungere a MWt nel 2020, con una produzione equivalente ad tep, idonea per riscaldare appartamenti. Si tratta di valori circa 10 volte superiori a quelli del 2006.

39 la Legge Regionale n. 5 del 6 maggio 2013 rimanda agli articoli 6 e 7 del decreto legislativo 28/2011. Art. 7. Regimi di autorizzazione per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili 4. Con decreto del Ministro dello sviluppo economico, da adottare, di concerto con il Ministro dell'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 la posa 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 la procedura abilitativa semplificata di cui all'articolo Ai sensi dell'articolo 6, comma 2, lettera a), e dell'articolo 123, comma 1, del testo unico delle disposizioni legislative e regolamentari in materia di edilizia, di cui al decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380 gli interventi di installazione di impianti di produzione di energia termica da fonti rinnovabili diversi da quelli di cui ai commi da 1 a 4, realizzati negli edifici esistenti e negli spazi liberi privati annessi e destinati unicamente alla produzione di acqua calda e di aria per l'utilizzo nei medesimi edifici, sono soggetti alla previa comunicazione secondo le modalità di cui al medesimo articolo I procedimenti pendenti alla data di entrata in vigore del presente decreto sono regolati dalla previgente disciplina, ferma restando per il proponente la possibilità di optare per la procedura semplificata di cui al presente articolo. 7. L'installazione di pompe di calore da parte di installatori qualificati, destinate unicamente alla produzione di acqua calda e di aria negli edifici esistenti e negli spazi liberi privati annessi, è considerata estensione dell'impianto idrico-sanitario già in opera.

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