CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTROTECNICA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTE GEOTERMICA:

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1 CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTROTECNICA ELABORATO FINALE PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTE GEOTERMICA: OPPORTUNITÀ DI SVILUPPO DI IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI RELATORE: Ch.mo Prof. Ing. Arturo Lorenzoni LAUREANDO: Luca Bottega ANNO ACCADEMICO 2005/2006

2 Produzione di energia elettrica da fonte geotermica: Opportunità di sviluppo di impianti geotermoelettrici. 1. L energia geotermica come fonte rinnovabile 2. Storia dell energia geotermica 3. L origine dell energia geotermica 4. La ricerca dell energia geotermica 5. Lo sfruttamento dell energia geotermica 6. L impatto ambientale dell energia geotermica 7. Le opportunità di sviluppo di nuovi impianti geotermoelettrici

3 Che cosa s intende per fonte rinnovabile? Ai sensi dell articolo 2, comma 1 del Decreto Legislativo n. 387 del 29/12/2003 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 25 del 31/01/2004, per fonti rinnovabili s intendono <<le fonti energetiche rinnovabili o fonti rinnovabili: le fonti energetiche rinnovabili non fossili ( eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas). In particolare, per biomasse s intende la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura ( comprendente sostanze vegetali e animali ) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani>>. Che cosa s intende per energia geotermica? Per energia geotermica s intende: l energia accumulata in termini di pressione e di temperatura da un fluido endogeno, grazie allo scambio di calore con le roccie calde del sottosuolo, alimentate costantemente da un flusso termico proveniente dal mantello e dal nucleo terrestre.

4 Nel 1777 il chimico Höefer scoprì la presenza dell acido borico nei lagoni Nel 1818 Francesco Larderel costruì la prima industria dell acido borico Nel 1912 il conte Piero Ginori Conti mise in funzione la prima centrale geotermoelettrica Nel 2003 la potenza geotermoelettrica installata nel mondo era di circa 8402 MWe.

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6 Dalla diapositiva precedente possiamo vedere che sui 6 km di crosta terrestre è presente il maggiore gradiente geotermico della Terra pari a circa 1000 K. Il gradiente geotermico medio terrestre è pari a circa 30 C per ogni km. E nelle zone di subduzione che si trova la maggior parte dei sistemi geotermici la cui energia è sfruttata industrialmente. Campo geotermico è quella area, o meglio quel volume di roccia, che fa parte di un sistema geotermico e che è industrialmente utilizzabile e quindi produttivo. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI GEOTERMICI: 1. i sistemi idrotermali 2. i sistemi in rocce calde secche 3. i sistemi geopressurizzati 4. i sistemi magmatici

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8 1. decremento energetico 2. pressione d utilizzazione 3. caratteristica portata pressione 4. caratteristica consumo pressione 5. caratteristica potenza - pressione I DECREMENTI sono il problema più grave che ha un campo geotermico e che può inficiarne l utilizzo sotto tutti i punti di vista, infatti, si può dedurre che: 1. la vita media di un pozzo è di circa 30 anni; 2. il vapore estratto può modificare le sue caratteristiche ( G, p, T ) con il tempo e con il metodo d estrazione;

9 Per quanto riguarda il campo geotermico di Larderello ad esempio si è notato che: il valore ottimale della pressione del serbatoio si attesta sui 9 bar in quanto massimizza l entità dell energia producibile nell arco di venti anni; la ripressurizzazione a tale valore comporta la chiusura del pozzo per almeno sei mesi; per mantenere la stessa produzione di vapore ( passata da 1150 t/h alle attuali 950 t/h ), si deve necessariamente provvedere ad una reiniezione in pozzo di circa 200 t/h di fluido; I vantaggi della REINIEZIONE sono: 1. la possibile eliminazione, o diminuzione dei fenomeni di abbassamento del suolo ( subsidenza ), che si verifica con l estrazione dal sottosuolo di grandi quantità di fluido; 2. la possibilità di prevenire la diminuzione della pressione di un serbatoio e quindi della produttività del medesimo ( anche se come abbiamo già detto una ricarica completa è assolutamente improbabile ); Gli svantaggi della REINIEZIONE sono: 1. l aumento della sismicità della zona per effetto dello stress termico subito dalle rocce ancora calde che vengono rapidamente raffreddate dal fluido freddo iniettato; 2. l interferenza tra l acqua fredda reiniettata ed i pozzi produttivi;

10 I sistemi di conversione dell energia geotermica in energia elettrica in uso nel mondo si possono classificare come segue: 1. ciclo a contropressione 2. ciclo a condensazione 3. ciclo ad espansione semplice od a singolo flash 4. ciclo ad espansione doppia od a doppio flash 5. ciclo binario

11 La produzione di energia elettrica da fonte geotermica, sinora centrata su impianti geotermoelettrici, che sfruttano gradienti di temperatura dei serbatoi geotermici sopra i 150 C, si sta portando progressivamente verso lo sfruttamento delle risorse geotermiche a bassa temperatura, cioè al di sotto dei 150 C, dette anche risorse geotermiche a bassa entalpia o ( low enthalpy geothermic resources ). L utilizzazione delle risorse geotermiche a bassa temperatura è possibile se si studiano metodi per estrarre da una stessa quantità di fluido geotermico a bassa entalpia, una maggiore quantità d energia; a questo proposito vedremo il confronto termodinamico tra il ciclo binario O.R.C. ( Organic Rankine Cycle ) e il ciclo binario Kalina. 1. Le centrali geotermoelettriche che utilizzano un ciclo termodinamico binario sono dei poveri convertitori di calore in lavoro. Si passa dal 3.2 % per un fluido geotermico a 120 C sino al 7 % per un fluido a 180 C; 2. Per un ciclo binario O.R.C. ( Organic Rankine Cycle ) il principio operativo è semplice: l acqua geotermica riscalda tramite un apposito scambiatore di calore il fluido a basso punto d ebollizione, questo vaporizza e viene espanso in turbina; 3. Per un ciclo binario Kalina il principio operativo è simile a quello del ciclo binario O.R.C., tuttavia esiste una differenza sostanziale: il fluido operativo a basso punto d ebollizione evapora a temperatura variabile permettendo così un piccolo aumento dell area del ciclo termodinamico e così pure del rendimento di secondo principio; 4. Il ciclo binario Kalina presenta un efficienza exergetica che è circa il 3% più elevata rispetto ad un normale ciclo binario O.R.C. ( Organic Rankine Cycle );

12 Il costo totale di produzione di energia elettrica da fonte geotermica è suddiviso in: % costo totale di perforazione dei pozzi di produzione e di reiniezione; % costo O&M per la centrale e i vapordotti; 10 % costo totale d esplorazione per l individuazione del campo geotermico; Per una centrale geotermoelettrica da 20 MW: 6 pozzi di produzione e reiniezione; 2.3 km in media per pozzo; 0.85 M$ per km perforato; 12 M$ costo totale di perforazione dei pozzi di produzione e di reiniezione; Per una centrale geotermoelettrica da 60 MW: 18 pozzi di produzione e reiniezione; 2.3 km in media per pozzo; 0.85 M$ per km perforato; 35 M$ costo totale di perforazione dei pozzi di produzione e di reiniezione;

13 Su base mondiale si stima attualmente un costo (O&M + esplorazione) totale di 1.1 M$ per MW installato; Per un impianto geotermoelettrico a ciclo binario di potenza 20 MW il costo totale (O&M + esplorazione) si aggira attorno ai 26 M$, quindi 1.3 M$ per MW installato; In base ai dati riferiti al gennaio 2003 il costo del kwh geotermico si aggira attorno ai cent$. La riduzione dei costi totali di generazione può avvenire se si intraprendono le seguenti strade : 1. rinnovamento delle centrali esistenti; 2. utilizzo delle risorse geotermiche a bassa entalpia; 3. maggiore automazione; 4. gestione mirata della risorsa geotermica; 5. espansione della zona esplorata; 6. miglioramento metodi di ricerca dell energia energia geotermica; 7. miglioramento delle tecniche di trivellazione; 8. sfruttamento degli altri sistemi geotermici; forte economia nei ricambi dei componenti; prefabbricazione standard dei componenti; adattabilità dei componenti alle varie configurazioni; rapida messa in servizio dell unità; alta flessibilità rispetto alla portata dei pozzi.

14 Il 2 della superficie dell Europa ha una veramente ottima convenienza per la produzione di energia elettrica da fonte geotermica ( Islanda, Isole Azzorre, Isole Canarie, pre- Appennini tosco-laziali, Isole Eolie, Isole del Mar Egeo, e l ovest della Turchia); Circa il 2.5 % presenta buona convenienza ( aree al confine delle sopra menzionate regioni, Massiccio Centrale, Isole di Lesbo, piana del Reno, piana del Campidano, Pannonia); applicazioni su larga scala ( di solito P>5MW ); paesi in via di sviluppo ed aree remote; centrali geotermoelettriche di piccola dimensione ( di solito P<5 MW, qualche volta P<1 MW); applicazioni per piccole reti; approccio multi-processo processo;

15 CONCLUSIONI I cicli termodinamici di riferimento degli impianti geotermoelettrici debbono essere valutati sulla base del rendimento di secondo principio; Per i campi ad acqua dominante a bassa temperatura => cicli innovativi binari ORC ad uno o più livelli di pressione; Per i campi ad acqua dominante ad alta temperatura => cicli innovativi combinati tipo flash + binari ORC; Accelerare lo sviluppo industriale per la produzione di energia elettrica dei sistemi geotermici in rocce calde e secche o ( Hot Dry Rocks geothermal system ); Accelerare i processi industriali atti a standardizzare i componenti delle centrali geotermoelettriche e ad aumentare la taglia delle singole unità geotermoelettriche;