Qualchenuovaidea per lo sviluppo dellageotermia Prof. Ennio Antonio Carnevale Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Firenze
La geotermia in numeri Gradiente geotermico mediamente pari a 3 C ogni 100 m Il flusso termico medio proveniente dalla Terra è 87 mw/m 2 Flusso di calore superiore a 4x10 13 W Quattro volte superiore all attuale fabbisogno energetico mondiale (circa 10 13 W) Necessità di un fluido termovettore naturale o iniettato Risalita naturale o indotta artificialmente 2
Panorama mondiale produzione elettrica Fonte Bertani (2015) 3
Panorama mondiale produzione elettrica MWe 12636 MWe nel 2015 Usata come carico elettrico di base in 24 paesi Soddisfa più del 10% della domanda elettrica totale in 6 paesi Italia al sesto posto come potenza elettrica installata 4
Panorama mondiale usi diretti World-Wide Capacity, MWt World-Wide Utilization, TJ/yr Aumento degli usi diretti negli ultimi 20 anni dovuti al crescente utilizzo delle pompe di calore geotermiche 5
Situazione italiana Fino agli anni 70 l Italia era al primo posto nel mondo per la produzione di energia elettrica da fonti geotermiche Oggi l Italia si trova al 12 posto nella graduatoria del contributo dato dall energia geotermica rispetto alla produzione totale del Paese Generazione elettrica localizzata in Toscana Larderello/Travale 795 Mw e Monte Amiata 121 Mw e La produzione elettrica da fonte geotermica italiana rappresenta il 25%del fabbisogno della Toscana. 6
Limiti degli impianti attualmente esistenti Gli impianti esistenti per la produzione di energia elettrica sono gli impianti idrotermali Aspetti economici Alti costi di investimento: 2.8 5.5 USmilion/MW Basso costo dell energia: 4.9 5.2 UScent/kWh Problemi principali Necessità contemporanea di alto gradiente geotermico e presenza di bacini acquiferi Necessità di almeno due pozzi Fenomeni di subsidenza Emissioni di inquinanti a causa del contatto con il sottosuolo Fluidi geotermici contengono gas come CO 2 H 2 S NH 3 CH 4 e altri gas in piccole quantità Quantità di anidride carbonica emessa è minore rispetto ai combustibili fossili Utilizzo di nuovi sistemi per lo sfruttamento di zone in assenza di acqua 7
Soluzione n 1: Sistemi Hot Dry Rocks Ricerca rivolta verso sistemi EGS(Enhanced Geothermal Systems) Sistemi HDR (Hot Dry Rocks) Assenza di bacini acquiferi Sistemi con temperature che vanno dai 200 ai 350 C Frantumazione artificiale delle rocce Necessità di una coppia di pozzi divergenti e circolazione forzata del fluido termovettore 8
Potenziale enorme Soluzione n 1: Sistemi Hot Dry Rocks Aree dal rosso al nero sufficienti per la produzione di energia elettrica Fonte IEA Previsione: nel 2050 il 50% dell elettricità prodotta dai sistemi geotermici proviene da sistemi EGS quali gli HDR. La Toscana è una delle zone con più alto gradiente geotermico in Europa 9
Soluzione n 1: Sistemi Hot Dry Rocks LIMITI DEI SISTEMI HDR Aspetti economici Alti costi di investimento dovuti alla perforazione dei pozzi (occorre almeno una coppia di pozzi) Aspettiambientali Fluido di lavoro a contatto con il sottosuolo Le aree geologiche più adatte sono le più instabili dal punto di vista tellurico Fenomeni di subsidenza Perdite di acqua con effetto negativo sia dal punto di vista economico che ambientale Sfruttamento di pozzi esausti 10
Soluzione n 2: Sistemi Double-Pipe Idea di utilizzo di uno scambiatore double-pipe Doppio tubo concentrico Utilizzo di un fluido termovettore Pros Fluido discendente riceve calore dal terreno circostante Risalita del fluido attraverso la conduttura interna coibentata Minore impatto ambientale: fluido confinato all interno del sistema Minori costi di realizzazione: una sola perforazione Q Q Cons Attualmente non esistono analisi dettagliate sui questi sistemi ad alta profondità 11
Soluzione n 2: Sistemi Double-Pipe Scambio termico tra scambiatore e terreno fino all equilibrio Cambiamento del campo di temperatura del terreno La temperatura a contatto con la scambiatore diminuisce gradualmente durante il funzionamento Aumento del raggio di influenza Il raggio di influenza è la porzione di terreno influenzata dallo scambio di calore Sviluppo di un modello per la stima dello scambio termico t=0 t=365 gg 12
Caso in studio STUDIO EFFETTUATO NELLA ZONA DEI CAMPI FLEGREI Zona in cui è noto l andamento della temperatura nel sottosuolo Circa 320 C a 1500 m di profondità Altezza scambiatore pari a 1500 m con un diametro massimo di circa 40 cm Fluido di lavoro: isobutano Scambiatore accoppiato ad un ciclo ORC 13
Modello proposto Modello 1D stazionario Scambio di calore solo in direzione orizzontale Scambiatore suddiviso in volumi di controllo Fornisce le condizioni al contorno istantanee per il modello 2D MODELLO 1D Double-pipe MODELLO 2D ASSIAL-SIMMETRICO Terreno roccia cemento Q in Q out Q out Q in Modello 2D assial-simmetrico instazionario Modellazione del flusso termico nel terreno circostante Possibilità di svolgere simulazioni transitorie 14
SCAMBIO TERMICO Il calore scambiato tra lo scambiatore ed il terreno diminuisce asintoticamente nel tempo Il flusso termico è fortemente influenzato dalla temperatura del terreno che diminuisce durante il funzionamento, soprattutto nei primi giorni Tendenza ad un asintoto quando viene raggiunto l equilibrio Risultati 15
Risultati Incremento del raggio d influenza durante il funzionamento Massima distanza raggiunta all equilibrio Raggio di influenza di circa 15 metri, raggiunto dopo 1 anno di funzionamento 16
Risultati Aumento della temperatura nel canale anulare e diminuzione durante la risalita nella conduttura interna Diminuzione della temperatura del fluido all estremità inferiore Andamento della pressione dovuto al contributo idrostatico Diminuzione netta della pressione nel punto di cambiamento di fase che si muove verso l uscita 17
Risultati Stima della potenza ottenuta da un ciclo ORC Diminuzione della temperatura del fluido in uscita dallo scambiatore a causa della riduzione della temperatura del sottosuolo Conseguente riduzione della potenza prodotta a causa di un minor contenuto energetico del fluido Con l utilizzo di uno scambiatore double-pipe è quindi possibile ottenere più di 40 kw da una risorsa geotermica che attualmente non viene sfruttata dagli attuali sistemi esistenti 18
Considerazioni economiche Prezzo energia geotermica: 15 c /kwh Prezzo scambiatore: 100 /m Prezzo impianto ORC: 4000 /kw installato Costi manutenzione: 7 /MWh per l espansore e 10 /MWh per il ciclo ORC 19
Considerazioni economiche Utilizzo di uno scambiatore double-pipe in un pozzo esistente (esausto) Ipotesi principali Ore di lavoro annue: 7000 h Costo medio ponderato del capitale: 7% Incentivi per ex certificati verdi (D.M. 6 luglio 2012) PBP di circa 11 anni CONFRONTO CON IMPIANTO HDR Risparmio del costo di trivellazione (1000 /m) 1.500.000 per pozzo Necessità di due pozzi Costo di investimento almeno 5 volte superiore PBP oltre 50 anni (a parità di potenza prodotta) 20
Conclusioni Gli attuali sistemi geotermici presentano forti limiti dovuti agli alti costi e alla necessaria presenza dei bacini acquiferi Una soluzione per aumentare lo sfruttamento delle risorse geotermiche sono i sistemi Hot Dry Rocks Una soluzione ancora più vantaggiosa è rappresentata dai sistemi doublepipe che hanno vantaggi economici ed ambientali È necessaria una sola perforazione ed è possibile il funzionamento in ciclo chiuso È stato stimato che è possibile ottenere circa 40 kw elettrici in una zona non sfruttabile dagli impianti attualmente esistenti Inoltre, con lo sfruttamento di pozzi esausti si stima di ottenere un rientro economico di circa 11 anni vantaggio economico rispetto a HDR 21
Qualchenuovaidea per lo sviluppo dellageotermia Prof. Ennio Antonio Carnevale Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Firenze