Appunti di energie rinnovabili

CAPITOLO: ENERGIA GEOTERMICA

L’energia geotermica si basa sull’utilizzazione del calore naturale generato dal terreno; essendo lega ta agli scambi di

calore che avvengono lungo la crosta terrestre non soffre di stagionalità a differenza delle altre rinnovabili . I gradienti

di temperatura presenti sotto la superficie sono rilasciati a seguito dei processi di decadimento radioattivo degl i

elementi naturali contenuti all’interno della composizione della crosta terrestre quali Uranio, Torio e Potassio.

L’individuazione di aree geografiche con attitudine allo sfruttamento di energia geotermica richiede indagini

superficiali e profonde del terreno per determinare l’installazione di una qualunque tipologia di impianto e, affinché

si possano garantire dei buoni rendimenti, è necessaria la conoscenza della stratigrafia del terreno e i materiali

presenti in composizione chimica.

Per comprendere il fenomeno geotermico è necessario avere conoscenza della composizione della crosta terrestre.

È stato stimato che sino alle profondità raggiungibili con le moderne tecniche di perforazione il gradiente geotermico

medio è 2,5-3 °C/100 m da cui ne consegue che se la temperatura nei primi metri sotto la superficie corrisponde con

buona approssimazione alla temperatura media annua dell’aria esterna cioè 15 °C, è possibile prevedere che la

temperatura a 2000 m di profondità si attesti intorno ai 65-75 °C e di 90-105 °C a 3000m e via di seguito. La zona di

interesse geotermico rientra essenzialmente nella cosiddetta litosfera che comprende la crosta e una parte del

mantello.

Vi sono comunque vaste regioni nelle quali il valore

del gradiente geotermico si discosta sensibilmente

da quello medio. Si può avere gradiente

geotermico di 1 °C/100 m o addirittura aree in cui

può raggiungere valori superiori a dieci volte quello

normale. La differenza di temperatura tra le zone

più profonde e calde e quelle superficiali più

fredde, genera un flusso di calore dall’interno

verso l’esterno della terra. Il flusso di calore medio

terrestre è pari a 87 kW/kmq ma non è

uniformemente distribuito sulla superficie, bensì

estremamente variabile.

Il nostro pianeta è formato dalla crosta, che ha uno

spessore di circa 20-65 km nelle aree continentali

e 5-6 km in quelle oceaniche, dal mantello, spesso

circa 2900 km e dal nucleo che ha un raggio di circa

3470 km. L’involucro esterno, cioè la crosta più

parte del mantello prende il nome di litosfera.

Questa si comporta come un corpo rigido. Sotto di

essa si trova l’astenosfera, formata dalla parte alta del mantello e che ha un comportamento più plastico. Nelle zone

dove è più sottile, soprattutto nelle placche oceaniche, la litosfera è spinta verso l’alto e fratturata dal materiale

molto caldo e parzialmente fuso, che risale dall’astenosfera in corrispondenza dei rami a scendenti delle celle

convettive: si formano così le dorsali→ le rocce fuse emergono e a contatto con l’acqua solidificano formano nuova

crosta oceanica. In realtà si hanno solitamente due flussi che si diramano in direzioni opposte facendo si che i fondal i

si allontanino gli uni dagli altri. Da altre parti questo comporta la riduzione della crosta perché la superficie

complessiva non è aumentata: ci sono zone di subduzione dove la litosfera si inflette verso il basso. Le dorsali, le

faglie e le zone di subduzione formano un reticolato che divide la terra in placche o zolle, sei di grande dimensione

e numerose più piccole. Le zolle si muovono di continuo e i loro margini corrispondono a zone di fragilità e da flussi

di calore elevati. 12

-SISTEMA GEOTERMICO

Un sistema geotermico è formato essenzialmente da tre sezioni:

• La sorgente di calore

• Il serbatoio

• Il fluido

La sorgente di calore può essere un’intrusione magmatica a temperatura molto alta (>600 gradi centigradi)

posizionata a piccole profondità (5-10 km) oppure può essere dovuta al normale calore proveniente dal centro della

terra.

Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore.

Solitamente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque

meteoriche possono sostituire, in parte o totalmente, i fluidi perduti attraverso vie naturali o che sono estratti

mediante pozzi.

Il fluido geotermico è il mezzo che trasporta il calore e nella maggioranza dei casi è costituito da acqua meteorica in

fase liquida o vapore, in dipendenza dalla sua temperatura e pressione. Molto spesso l’acqua porta con se sostanze

chimiche e gas come CO2 H2S…

Le leggi che regolano la convezione dei fluidi sono alla base del meccanismo dei sistemi geotermici . La convezione si

attiva in seguito al riscaldamento ed alla conseguente espansione termica del fluido in campo gravitazionale, il calore

alla base del sistema di circolazione è l’energia che alimenta è muove il sistema. La costruzione del modello di un

sistema geotermico reale non è affatto facile. La sorgente di calore è l’unico dei tre elementi di un sistema

geotermico che deve essere naturale, gli altri possono essere “artificiali” ( es. pozzi di reiniezione per ridurre

l’impatto ambientale).

In figura è riportato un modello si sistema geotermico: La curva 1 è la curva di ebollizione

dell’acqua ( infatti maggiore è la

profondità, maggiore è la pressione e

maggiore sarà la temperatura di

ebollizione, la curva 2 mostra

l’andamento della temperatura del

fluido lungo il suo percorso dal punto

di ingresso A a quello di uscita E. Il

punto di inizio ebollizione è

determinato dalla pressione a cui ci si

trova.

In base alla temperatura del serbatoio

si distinguono serbatoio ad alta (>150

gradi centigradi), media (90-150) e

bassa entalpia (<90); i primi sono destinati alla produzione di energia elettrica o per usi diretti ( cicli single-double

flash..), i secondi si prestano all’uso con cicli binari per la produzione di en elettrica o per usi diretti mentre gli ultim i

si prestano solo a usi diretti.

Si possono avere due tipologie di serbatoio: a liquido dominante o a vapore dominante. Nel primo caso le fratture

sono occupate da acqua, con bolle di vapore occasionali (liquido saturo); nel secondo caso le fratture sono occupate

da vapore con una pellicola d’acqua aggrappata alle pareti delle fratture e nei cunicoli. 13

-ESPLORAZIONE GEOTERMICA

È di fondamentale importanza ed è composta da tre fasi:

1. Fase di riconoscimento: identificazione e classificazione delle aree più promettenti per l’esplorazione

2. Fase di esplorazione o prefattibilità: valutazione economica dell’investimento, strategie di sviluppo, analisi

della superficie, perforazione e test; sono condotti rilievi di varia natura e interdisciplinari: es. valutazione

del tipo di rocce in superficie e sotto, informazioni qualitative e quantitative sulle acque sotterranee e loro

composizione chimica, temperatura, densità… si inizia a costruire pozzi esplorativi al fine di fare prove a

lungo termine che danno indicazioni su pressione, temperatura e portata estraibile

3. Fase di sviluppo: proposta di un modello di serbatoio, strategia produttiva, analisi 3D

La perforazione geotermica è realizzata attraverso la rotazione di aste con nella parte terminale uno scalpello che

tritura la roccia. Per perforare è di fondamentale importanza il fluido di perforazione, il quale viene pompato ad alta

pressione all’interno delle aste attraverso la testa di iniezione e fuoriesce dallo scalpello; risalendo dall’intercapedine

foro-aste, trasporta i detriti fino in superficie dai quali viene separato mediante vibrovagli. Il fluido sostiene inoltre

le pareti del pozzo, così come la cementazione del pozzo. In caso di composizione di rocce poco favorevoli o nel caso

in cui si abbia la necessità di non scavare verticalmente si possono utilizzare profili direzionati come quello di slant,

ad S e orizzontale.

-BOILING POINT FOR DEPTH BDP: MODELLO DI RISALITA VERTICALE DEL FLUSSO

Solitamente il flusso che risale da elevate profondità è costituito da acqua o fluido supercritico; mentre il fluido risale

la sua pressione scende e dipendentemente dalla temperatura e dalla composizione chimica, il fluido inizia a

vaporizzare, con formazione di due fasi una liquida e una vapore. Il modello che si usa è quindi quello che assume il

fluido allo stato liquido in profondità che arriva all’ebollizione quando raggiunge la pressione di saturazione

(ovviamente a temperature maggiori di quelle normali di 100 gradi centigradi, essendo la pressione più alta).

Nella maggior parte dei casi il contributo della conduzione attraverso gli strati

terrestri al trasporto del calore può essere trascurato. Si osserva che prima che inizi

l’ebollizione la distribuzione di temperatura è data T=T dove T è la temperatura

b b

base costante a quel livello, determinata dal flusso termico in profondità; dopo che

l’ebollizione è iniziata la temperatura è quella di saturazione funzione della

pressione T=T (p), come si vede nella figura di lato.

sat

Il gradiente di pressione ad una generica profondità è dato da: gradiente

idrostatico+gradiente dinamico causato dal flusso ascendente. Nella maggior parte

dei casi il secondo è al di sotto del 10% del primo e può essere anche molto inferiore

a tale livello. Trascurando questo gradiente dinamico una buona approssimazione

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del BDP si può ottenere con il classico gradiente idrostatico (legge di stevino, liquido fermo). Il profilo di pressione

del BDP è quindi quello di una colonna statica di acqua la cui temperatura è, in ogni punto, quella di saturazione

corrispondente alla pressione in quel punto→ BDP è una colonna statica di liquido che si trova in condizioni di

ebollizione in ogni punto. Il modello di colonna liquida in ebollizione in ogni punto per il calcolo del BDP (almeno fino

al raggiungimento della sezione a temperatura costante) è una buona approssimazione dello stato iniziale delle

massa centrale del flusso risalente dal serbatoio; è comunque un’approssimazione: pressioni e temperature effettive

possono essere più alte o più basse. Il profilo BDP è meno indicativo dove i flussi rilevanti sono presenti e non si può

trascurare il gradiente dinamico.

In realtà la presenza di gas incondensabili nell’acqua ha come effetto quello di far iniziare l’ebollizione a profondità

maggiori rispetto al caso in cui si consideri semplice acqua.

-SERBAT