Energie Rinnovabili Ep.1 - Energia Geotermica

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Breve storia della geotermia

Ma veniamo al dunque, oggi parliamo di energia geotermica, una delle tipologie di energie rinnovabili basata sullo sfruttamento del calore contenuto nella superficie terrestre, come suggerito dall’etimologia della parola ("geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" che significa "calore della Terra").

L’utilizzo del calore risale all’antichità, già nel 4000 A.C., quando principalmente l’utilizzo era finalizzato al riscaldamento di vasche termali, pratica che ha avuto grande sviluppo con gli Antichi Romani. Dopo di essi, la geotermia ha subito un declino fino alla fine del Medioevo, quando tornò in auge non solo per i bagni, ma anche per l’utilizzo dei minerali idrotermali per l’industria tessile.

Verso la fine del 18’ secolo vennero scoperti i benefici medicinali dell’acido borico, principalmente per la cura degli occhi, e nacque un’industria chimica in Toscana, a Larderello, che si occupava di ciò, ma è solo nei primi anni del 20’ secolo che iniziò l’utilizzo per la generazione di energia. Il 4 luglio 1904 avvenne il primo esperimento di produzione elettrica tramite geotermia, grazie a Piero Ginori Conti. Nel 1913 fu fondata la prima centrale geotermica del mondo, sempre a Larderello (detta Larderello 1), e da quel momento iniziò l’utilizzo della fonte rinnovabile di cui parliamo quest’oggi.

La fonte geotermica

L’energia geotermica appartiene alla categoria delle fonti rinnovabili, anche se con caratteristiche abbastanza particolari che la contraddistinguono dalle altre forme di energia, ovvero:

1. non deriva dal Sole, ma dal calore endogeno presente nella profondità della Terra, che attraverso meccanismi di scambio termico viene reso disponibile negli strati più superficiali della crosta terrestre.
2. ha una disponibilità continua nel tempo e concentrata nello spazio, in quanto i giacimenti geotermici sono disponibili in misura significativa in particolari zone della terra. 
3. il suo sfruttamento presenta problematiche di impatto ambientale simili a quelle delle fonti fossili poiché nei giacimenti geotermici sono contenute notevoli quantità di gas prodotte dalle reazioni chimiche (in particolare anidride carbonica, idrogeno, solforato, cloro, mercurio) che fuoriescono in atmosfera insieme al vapore attraverso pozzi costruiti, appunto, per lo sfruttamento di quest’ultimo.

Giacimenti geotermici 

 In figura: Schema di un giacimento geotermico

Il gradiente geotermico* è in media di 3°C ogni 100 m di profondità, ossia 30°C ogni km. Esistono tuttavia nella crosta terrestre zone privilegiate ove il gradiente è nettamente superiore, grazie alla presenza, non lontano dalla superficie (5-10 km), di masse magmatiche fluide o già solidificate in via di raffreddamento.

L'energia termica accumulata in queste zone può essere resa disponibile da vettori termici* presenti nella crosta terrestre, denominati fluidi geotermici, composti da acqua meteorica penetrata nel sottosuolo, che forma i giacimenti geotermici, ovvero falde acquifere costituite da rocce permeabili sature di acqua.

Il calore del magma si trasferisce per conduzione attraverso le rocce ignee o per trasporto di gas attraverso le fessurazioni presenti in queste rocce, riscaldando l’acqua presente nello strato sovrastante, che è poroso e permeabile. Un ulteriore strato di roccia solido e impermeabile copre lo strato precedente, intrappolando l’acqua calda o il vapore come in un serbatoio. La roccia solida ha tuttavia fessure, che danno luogo a fumarole o bacini di acqua calda. 
Si possono quindi realizzare pozzi che prelevano il vapore dalle fessure per trasformarlo in elettricità mediante un ciclo termodinamico*.

 

Sorgenti geotermiche

A seconda dei giacimenti, le sorgenti di fluido geotermico si distinguono in 3 tipi:

1. Idrotermiche (ad acqua o vapore dominante), a profondità non eccessivamente elevate (1000-2000 m), contenenti acqua in stato liquido o vapore, reintegrata da acqua piovana.
2. Geopressurizzate, ad elevata profondità (da 3000 a 10000 metri), nelle quali è presente acqua a pressioni molto alte (oltre 1000 atm)
3. Petrotermiche o Rocce calde secche (“Hot Dry Rocks”), giacimenti molto profondi a temperature comprese tra 150-300°C, prive di acqua.

Principali tipologie di impianti per l’energia geotermica

La principale suddivisione degli impianti geotermici è tra impianti ad acqua dominante ed impianti a vapore dominante, a seconda del giacimento preso in considerazione.
1) Impianti a vapore dominante
           (a) – a contropressione (o scarico libero)
           (b) – a condensazione con compressione
                – a condensazione con eiettore

2) Impianti ad acqua dominante
           (a) – a flash di vapore
           (b) – a ciclo binario ORC (Organic Rankine Cycle)
Gli impianti a vapore dominante sono caratterizzati dal fatto di avere vapore surriscaldato
nel giacimento (temperature tra 150 ed i 250 °C) e dunque un elevato contenuto di entalpia estraibile senza dover far passare di stato l’acqua liquida in vapore. Pochi siti al mondo hanno giacimenti con queste caratteristiche (Larderello è tra questi), e per sfruttare la risorsa si può scegliere se utilizzare un impianto con o senza condensatore (la differenza è che condensando il fluido in uscita dalla turbina è possibile utilizzare un salto entalpico* più elevato e dunque estrarre una maggior quantità di energia). In tutti gli impianti è previsto comunque l’inserimento di un separatore per eliminare eventuali gas incondensabili o particelle solide dal fluido prima del suo ingresso in turbina. Si può procedere poi alla reiniezione o meno nel giacimento del fluido utilizzato, solitamente si fa negli impianti a condensazione, dopo aver eliminato gli incondensabili insieme a parte del vapore.

In figura a seguire, in ordine da sinistra a destra: impianto a contropressione*,

impianto a condensazione con compressore e con eiettore.

Gli impianti ad acqua dominante, se ad alte temperature e pressioni (T > 150°C, p > 5 bar), sono del tipo a flash*, un sistema che prevede la laminazione* dell’acqua in ingresso (dunque parte di essa diventa vapore) con la conseguente espansione del vapore in turbina per la produzione di energia. Dopo l’uscita della turbina è presente un sistema di condensazione, formato da condensatore e torre di raffreddamento (presente anche negli impianti a condensazione a vapore dominante). Solitamente si usa fare più stadi di flash* (la parte rimasta liquida dopo la separazione a flash viene ri-separata a pressione inferiore per riformare vapore e ri-espanderlo, in modo da sfruttare ancora di più il salto entalpico a spese di un sistema più complesso).

Per temperature più basse del giacimento (tra i 100 ed i 150°C) si tende ad usare un impianto ORC, in cui il fluido proveniente dal giacimento scambia calore con un fluido organico (propano o ammoniaca, ad esempio), senza che i due entrino in contatto diretto. Con questo sistema, essendo il fluido organico basso bollente (la temperatura alla quale diventa gas è più bassa di quella necessaria all’acqua per passare allo stato gassoso), si riesce ad espandere* anche a queste temperature in turbina, riuscendo a valorizzare una risorsa altrimenti difficile da utilizzare.

In figura: in ordine da sinistra a destra: impianto a singolo flash e impianto ORC.

Cicli ed impianti avanzati per l’estrazione di energia geotermica

Cicli avanzati:

1. Cicli combinati (in figura subito sotto)

• Topping*: impianto a flash ad acqua dominante
• Bottoming*: Impianto a ciclo binario (ORC)

1. Impianti ibridi

           (a) - Bottoming: Impianto a ciclo binario (ORC)
                 - Topping: combustione di biomasse
           (b) - Bottoming: Impianto a ciclo binario (ORC)
                 - Topping: solare a specchi parabolici; 
            (c) Integrazione fonte geotermica in cicli combinati (in parallelo)

In figura a seguire in ordine da sinistra a destra e poi sotto: (a), (b), (c)

1. Hot Dry Rocks (HDR)

I sistemi geotermici a rocce calde secche sono costituiti da formazioni rocciose a temperature elevate, comprese tra 150 e 350°C, a profondità di 3000-5000 m, in cui non è presente la circolazione del fluido, in quanto impermeabili o scarsamente permeabili.
Il loro sfruttamento è reso possibile attraverso l’idrofratturazione, perforazioni e fratturazioni artificiali in profondità di tali rocce, mediante acqua in pressione a 8-15 MPa, per creare "serbatoi geotermici artificiali" all’interno dei quali attivare una circolazione forzata di acqua, mediante pozzi di iniezione. Questo circuito idraulico forzato consente di recuperare e portare in superficie il calore delle rocce costituenti il serbatoio geotermico artificialmente realizzato.      

• Criticità:

- Difficoltà nella perforazione di pozzi (rocce di maggiore durezza e compattezza e notevole profondità per avere temperature della roccia superiori a 200°C; a temperature inferiori la tecnologia non è fattibile in termini economici);
- Difficoltà di intercettazione corretta del giacimento nella perforazione del pozzo di estrazione;
- Rischio di sismicità indotta dalla idro-fratturazione e dal passaggio dell’acqua;
- Consumo di acqua legato alle perdite nel giacimento sotterraneo.

• Schema impianto:

Lo sfruttamento dell’acqua calda prelevata dal giacimento “artificiale” avviene mediante l’utilizzo di un ciclo binario organico ORC. Essa viene fatta passare in uno scambiatore di calore dove cede calore al fluido di lavoro organico, per poi essere reiniettata nel giacimento. Il fluido organico viene fatto evaporare ed espandere in turbina per produrre energia elettrica mediante un alternatore, ed in seguito condensato in un condensatore a superficie, la quale acqua condensatrice è fornita da una torre a secco. Si tratta dunque di un ciclo chiuso, con reiniezione totale del fluido geotermico e assenza di emissione di gas incondensabili.

Sfruttamento di un sistema geotermico a rocce calde secche e schema di impianto di un ciclo binario.

Sotto il ciclo termodinamico che regola i vari impianti (ciclo Rankine)

Legenda:

Gradiente termico: vettore con direzione e verso del massimo incremento di temperatura; aumento di temperatura in una certa direzione, nel nostro caso verso il centro della Terra.
Vettore energetico: sostanza o entità che permette lo spostamento dell’energia dalla sorgente all’utilizzatore.
Ciclo termodinamico: trasformazioni termodinamiche che si susseguono l’un l’altra fino al ritorno alla situazione iniziale (ciclo chiuso).
Entalpia: funzione di stato del sistema termodinamico definita come somma di energia interna e pressione moltiplicata a volume. In genere si esprime l’entalpia specifica, espressa come KJ/Kg, ed è una grandezza utile ad esprimere l’energia di un corpo se moltiplicata per la sua massa.
Contropressione: situazione in cui la pressione finale di un processo è superiore a quella dell’ambiente (pari a 1 atmosfera).
Flash: evaporazione parziale di un liquido facendolo passare attraverso una valvola di laminazione.
Laminazione: evaporazione parziale di un liquido dovuta al passaggio attraverso una valvola che ne abbassa la pressione.
Espansione: sistema di generazione di energia mediante passaggio di gas o vapore attraverso un elemento (in genere una turbina o un ugello) che ne abbassa la pressione e la temperatura.
Topping e Bottoming: processi collegati tra loro, il processo topping è quello che avviene prima (“sopra”), mentre il bottoming lo segue ("sotto”).

A cura di Silvia Melani e Gabriele Castè

Fonti:

• https://www.unionegeotermica.it/pdfiles/Breve_storia_Geotermia.pdf
• Appunti di “Energetica generale I e II”, corso di laurea triennale di Ingegneria dell’energia presso l’Università di Pisa. (prof. Alessandro Franco)
• Appunti di “Energia Geotermica”, corso di laurea triennale di Ingegneria dell’energia presso l’Università di Pisa (prof. Franco Donatini) e progetto sulle HDR.