Fonti Rinnovabili classiche di energia: la Geotermia e l Idroelettrica

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1 " Economia dell'energia e dell'ambiente. a.a. 2017/18 Lezione 4: Fonti Rinnovabili classiche di energia: la Geotermia e l Idroelettrica Roberto.Fazioli@unife.it Dipartimento di Economia e Management, Università di Ferrara

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5 Mappa mondiale dei Tumori ai polmoni.

6 Definizione Le fonti rinnovabili sono quelle risorse che si rigenerano nel tempo con cicli comparabili con quelli del loro consumo; A differenza dei combustibili fossili, possono considerarsi inesauribili Sono da considerarsi fonti di energie rinnovabili (FER) quelle forme di energie generate da fonti che per loro caratteristica si rigenerano e non sono esauribili nella scala dei tempi umani e il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future; dal punto di vista sociale e politico, si crea la distinzione in uso oggi fra fonti di energia considerate rinnovabili (sole, vento, ecc.) il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro, e quelle non rinnovabili, le quali sia per avere lunghi periodi di formazione di molto superiori a quelli di consumo attuale (petrolio, carbone, gas naturali), sia per essere presenti in riserve non inesauribili sulla scala dei tempi umana (nucleare), sono limitate nel futuro. Una distinzione che spesso viene fatta in tale ambito è quella tra fonti rinnovabili classiche (idroelettrica e geotermica) e fonti rinnovabili nuove (dette NFER, incluse Energia Solare, Eolica e da Biomassa). Queste fonti di energia possono essere classificate in Fonti Programmabili e Fonti Non Programmabili a seconda che possano essere programmate in base alla richiesta di energia oppure no.

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8 sole terra Utilizzo diretto Utilizzo indiretto Solare termico Ciclo acqua Vento Foto sintesi maree geotermia fotovoltaico Solare termodinamico Idro elettrico eolico biomasse

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11 Energia Idroelettrica L energia idroelettrica è quel tipo di energia che sfrutta la trasformazione dell energia potenziale gravitazionale, posseduta da masse d acqua in quota, in energia cinetica nel superamento di un dislivello, la quale energia cinetica viene trasformata, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia elettrica. La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso o delle maree. Mentre l energia talassotermica, cioè delle marre, è una fonte di energia rinnovabile che sfrutta le differenze di temperatura tra la superfice marina e le profondità oceaniche. Le ottimali condizioni per lo sfruttamento di tale energia si trovano in mari molto profondi e caldi. La POTENZA di un impianto Idroelettrico dipende da: 1) la Portata (quantità passanti per unità di tempo); 2) Il salto o la velocità dell acqua rispetto alla superficie attiva della turbina.

12 I classici impianti idroelettrici di montagna sono generalmente costituiti da una struttura di captazione delle acque posta ad un livello superiore, da strutture di convogliamento e trasporto dell'acqua e da componenti, posti a livello inferiore, che trasformano l'energia idraulica in elettrica. Dopo l'utilizzo l'acqua viene restituita al decorso fluviale. I mini e micro-idro ad acqua fluente, impianti in genere con potenza inferiore a 1000 kw, risultano impianti versatili ed ampiamente sfruttabili; è sufficiente avere salti di qualche metro con adeguata portata d'acqua.

13 Centrale idroelettrica Trasforma l'energia potenziale di una massa di acqua in quiete e/o l'energia cinetica di una corrente di acqua in energia meccanica ed elettrica

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17 L'ENERGIA GEOTERMICA L energia geotermica è una forma di energia rinnovabile che deriva dal calore della Terra; le manifestazioni più evidenti dell energia geotermica sono i fenomeni vulcanici, le sorgenti termali,soffioni,geyser. Il calore immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l esterno con l aiuto di fluidi come l acqua e vapore, proviene dal mantello e dal nucleo del pianeta. In media il calore terrestre calcolato è pari a 0,06 W/m, quindi per tutta la superficie terrestre si arriva a valori di miliardi di watt; questa energia termica costituisce il flusso termico e viene espressa in HFN ( Heat Flow Unit ).

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19 Energia geotermica Il dato di fatto fisico su cui si basa la geotermia è che la temperatura della Terra aumenta con la profondità (gradiente geotermico) mediamente di circa 3 C ogni 100 metri, ma la distribuzione di energia termica e il flusso di calore, a parità di profondità, sono molto variabili e dipendono dalle condizioni geodinamiche e geologico-strutturali. Poiché il vettore che permette lo scambio termico con la massima efficacia è l acqua, l energia termica estraibile dipende non solo dalla presenza di anomalie termiche a profondità modeste, ma anche dalla permeabilità e dalla porosità delle rocce, nonché dal loro grado di saturazione in fluido. La temperatura, all interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità secondo un gradiente geotermico di 3 C ogni 100 metri

20 È per questi assunti che tra le energie rinnovabili, l Unione Europea ha riconosciuto all utilizzo dell energia geotermica un valore strategico prioritario per attenuare la dipendenza energetica dai combustibili fossili e le conseguenti immissioni in atmosfera (Parere del Comitato economico e sociale europeo sul tema Lo sfruttamento dell energia geotermica il calore endogeno della Terra GUUE 2005/C 221/05). Anche i sistemi di tipo conduttivo come Rocce Calde Secche (Hot Dry Rock), i sistemi geopressurizzati e i sistemi magmatici, sono stati classificati come zone caratterizzate da anomalie geotermiche rilevanti, secondo la definizione della sezione Energia del Comitato Economico e Sociale Europeo ( Lo sfruttamento dell energia geotermica il calore endogeno della terra, poi adottato in sessione plenaria il 9/2/2005 e pubblicato sulla GUCE C 221 8/9/2005.)

21 in zone tettonicamente attive (quali le zone vulcaniche) il gradiente geotermico può essere oltre 20 volte maggiore di quello medio in zone tettonicamente poco o per niente attive, il gradiente geotermico è invece normale Riferimenti normativi e classificazione geotermica (Decreto n.22 del 11/02/2010, Art.1 com.2): 1. sistemi ad alta entalpia (temperature > 150 C) 2. sistemi a media entalpia (temperature 90 C < T < 150 C) 3. sistemi a bassa entalpia (temperature T < 90 C). La produzione di energia elettrica è attualmente la forma di utilizzazione più importante delle risorse geotermiche ad alta entalpia. Distribuzione del flusso di calore endogeno 21

22 Schema di sistema geotermico

23 Geotermia in Italia L Italia è il paese geotermicamente più caldo di tutta Europa: vulcani, soffioni boraciferi, sorgenti termominerali Grande sviluppo settore elettrico: 785 MWe (1,5%) energia elettrica per 2 MIL di famiglie

24 In Italia, i primi esperimenti di produzione di energia elettrica, se pur modesta, furono effettuati a Larderello nel 1904, mentre la prima centrale geotermica al mondo entrò in esercizio sempre a Larderello, nel 1913, con produzione di energia elettrica a livello commerciale, con una potenza installata di 250 KW e ). Schema semplificato di utilizzo combinato di calore ed energia elettrica da fonte geotermica

25 Conviene? Comparazione tra la produzione elettrica da energia geotermica e quella da energia eolica in Italia e in Svezia, da cui si evince che la produzione di energia geotermica in Italia è tre volte più economica rispetto a quella eolica grazie alla differenza in utilizzo ed al prezzo dell energia (fonte: Vindkraft till havs: SvD ; Vindkraft i Sverige: 25

26 Energia geotermica L energia geotermica è l energia generata per mezzo del calore, il calore della terra grazie alle sue temperature sempre più alte man mano che si scende in profondità. Per estrarre e usare il calore imprigionato nella terra, è necessario individuare le zone dove questo si è concentrato: il serbatoio o giacimento geotermico.

27 Gli altri usi del calore geotermico Oltre che per generare elettricità, il calore geotermico e' impiegato in applicazioni dirette, che assicurano un risparmio d'energia producendo acqua a temperature comprese tra i 20 e i 150ƒC.Accanto alle cure termali, l'acqua calda geotermica viene usata per riscaldare serre per la floricoltura e l'orticoltura, per pastorizzare il latte, per essiccare cipolle o legname, per lavare la lana. Altro uso abbastanza diffuso e' rappresentato dal riscaldamento di edifici, sia privati che pubblici, o di interi quartieri.

28 Sistemi ad alta temperatura I sistemi ad alta temperatura possono essere sistemi "a vapore dominante", se il fluido geotermico si trova sotto forma di vapore. In questo caso, l'energia geotermica viene utilizzata principalmente per produrre energia elettrica. Nei sistemi cosiddetti "ad acqua dominante" il fluido geotermico si trova nel sottosuolo in forma liquida ad alta temperatura e sotto pressione. Quando un pozzo geotermico viene perforato, la pressione diminuisce bruscamente e l'acqua vaporizza, risalendo in superficie come miscela di acqua e vapore. In questi casi, l'energia geotermica può essere utilizzata sia per produrre energia elettrica,che usata direttamente.

29 trasformazione Magma Energia termica Vapore Energia cinetica Turbina Energia meccanica Alternatore Energia elettrica

30 Centrale di Lardarello (Toscana) Gli impianti di Lardarello (Pisa) hanno un'origine datata ben prima della metà dell'ottocento. I vapori provenienti dal sottosuolo erano una valida alternativa delle innovative macchine a vapore industriali dell'epoca ed avevano il pregio di non utilizzare il costoso carbone per alimentare le caldaie. Un vantaggio che non passò inosservato agli imprenditori toscani del primo ottocento. Una tradizione toscana che arriva fino ai nostri giorni e che pone la regione Toscana ai primi posti dello sfruttamento dell'energia rinnovabile dalla geotermia. Non è un caso che proprio a Lardarello si trovi un "Museo dedicato al vapore". L'Islanda l L'Islanda è uno dei paesi in cui l'energia geotermica è più intensamente impiegata: essa costituisce l'85% delle Fonti d Energia Primaria utilizzata. La particolare conformazione geologica dell Islanda, infatti, è ottimale per l intensivo impiego di cotale fonte d energia rinnovabile naturale. Si pensi solo all onnipresenza di Gayser nel territorio islandese.

31 Sistemi a temperatura media Numerosi sono gli esempi di utilizzo dell energia geotermica a media entalpia, per il riscaldamento degli edifici, in diverse zone e città d Italia e d Europa (Pisa - Ospedale Geotermico, Ferrara, Parigi, Lund, Southampton, Reykiavik). Per serbatoi che producono acqua a temperature moderate abbiamo la tecnologia del ciclo binario è la più redditizia. In questi sistemi il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un secondo liquido, con temperatura di ebollizione più bassa rispetto all'acqua. Il fluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore in un circuito chiuso, senza scambi con l'esterno.

32 Bassa e media entalpia Le risorse a media e bassa entalpia si prestano ad essere sfruttate per molteplici usi, tra cui le pompe di calore, il termalismo, il riscaldamento ed il condizionamento di ambienti, l acquacoltura e numerosi impieghi nei settori agricolo ed industriale (lavorazione foraggio, allevamento animali, essiccazione di prodotti agricoli in genere, processi alimentari, riscaldamento serre, lavorazione aggregati cementizi, processi di deidratazione di alimenti, etc.). Tuttavia, lo sviluppo di cicli termodinamici binari utilizzando fluidi a bassa temperatura di vaporizzazione, avvenuto negli anni 70, consente di sfruttare per la produzione di energia elettrica anche fluidi a temperature relativamente basse ( C). 32

33 Perché preferire l'energia geotermica alle altre Vantaggi: -a parità di energia elettrica installata produce maggior quantità di energia -rende indipendenti dal prezzo dei combustibili -è ecologico poiché non emette CO2 -è silenzioso -nessun pericolo di fughe di gas o incendi -è realizzabile in ogni luogo della Terra -è indipendente dalle condizioni atmosferiche -è poco ingombrante I vantaggi per l'ambiente L'energia da fonte geotermica è generata senza ricorrere a combustibili fossili, quindi non produce le sostanze inquinanti associate a questi combustibili. Le centrali geotermiche producono inoltre altri inquinanti gassosi non condensabili, come idrogeno solforato, metano, ed i reflui liquidi possono contenere disciolte sostanze quali metalli pesanti e silicati. I moderni sistemi di controllo delle emissioni e le tecniche di reiniezione nel sottosuolo hanno tuttavia ridotto al minimo quest'impatto.

34 Aspetti critici Le centrali geotermiche ad alta entalpia sfruttano il calore delle profondità terrestri. Infatti queste centrali vengono costruite su un territorio particolare detta area geotermica ovvero una zona di origine vulcanica o soggetta a fenomeni di risalite termiche di profondità. Il calore derivante dalle rotture degli strati rocciosi profondi, le acque e i vapori riscaldatisi in profondità salgono verso la superficie e vengono, quindi, utilizzati o direttamente quale fonte di calore (ne è un applicazione il teleriscaldamento) oppure per produrre energia elettrica. In quest ultimo utilizzo, il getto di vapore caldo che esce dalla terra viene canalizzato in centrale per mezzo di tubi detti vapordotti. Se il vapore è presente ad alta temperatura ( C ) viene convogliato direttamente alla turbina che ne trasforma l'energia cinetica in energia meccanica. L'asse della turbina è collegato al rotore dell'alternatore che, ruotando, trasforma l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica alternata che viene trasmessa al trasformatore. Il trasformatore innalza il valore della tensione ( v) e la immette nella rete di distribuzione. Posta l evidente rinnovabilità della Fonte d Energia Primaria della Geotermia, sono stati sollevati rilievi critici (che si approfondiranno nella trattazione dei problemi di Nimby connessi, ormai, a qualsivoglia intervento impiantistico e infrastrutturale) che qui si sintetizzano. 1. Il vapore uscente dalla turbina viene riportato alla stato liquido in un condensatore e, tipicamente, re-iniettati in profondità tramite un processo che utilizza, prima, una torre di raffreddamento che consente di raffreddare l'acqua prodotta dalla condensazione del vapore e di fornire acqua fredda al condensatore stesso, poi, quell'acqua condensata viene smaltita reiniettandola nelle rocce profonde da cui il vapore è stato estratto. 2. In casi di pozzi geotermici profondi, alcuni altri gas,contenuti nel vapore, per quanto relativamente modesti, vengono dispersi nell'atmosfera. 3. L impatto ambientale viene anche indicato nell impatto visivo e invasivo in sé della Centrale Geotermica ad Alta Entalpia per la Produzione di Energia Elettrica, come, del resto, per qualsivoglia impianto di produzione industriale.