Vai ai contenuti. | Spostati sulla navigazione

Sei in: Home Notizie ARPATnews 2018 142-18

Dove Siamo

 
ARPAT News - newsletter sulle tematiche ambientali
Giovedì 25 Ottobre 2018

Geotermia e applicazione delle tecnologie


RSS

Il punto di vista Enel Green Power

Negli scorsi mesi sulle pagine di Arpatnews sono state pubblicate una serie di interviste, attraverso le quali sono stati approfonditi vari aspetti riguardo la geotermia.

Ora riceviamo un intervento di Enel Green Power sull'argomento che volentieri pubblichiamo.


Facendo seguito agli interessantissimi articoli pubblicati su questa rivista in merito all’energia geotermica italiana e alle sue applicazioni, passando dalle considerazioni del prof. Basosi sull’importanza e sull’utilità di questa risorsa a quelle del prof. Fiaschi sulla necessità di operare una continua sperimentazione nell’ottica di un continuo miglioramento, siamo approdati col Prof. Sbrana a scoprire quanto sia marginale l’emissione prodotta dall’applicazione geotermoelettrica delle centrali rispetto all’emissione naturale di tipo areale, che si manifesta nei territori dove è presente il fenomeno geotermico caratterizzato da una forte anomalia termica del sottosuolo.

Per analizzare le ragioni di questo fenomeno geotermico, non certo banale né di immediata interpretazione, occorre dire che una sua corretta interpretazione richiede approfonditi studi di tipo multidisciplinare e ampie conoscenze in vari indirizzi scientifici, dalla geologia in senso stretto alla geofisica e geochimica fino all’ingegneria di serbatoio. Il nostro Paese è stato il primo al mondo ad utilizzare la geotermia per scopi industriali e quest’anno Enel Green Power festeggia i duecento anni da quando nel 1818 furono rilasciate le prime concessioni geotermiche. Ancora oggi l’Italia, e con essa Enel, è considerata un’eccellenza mondiale nel campo della conoscenza del fenomeno, dell’ottimale sviluppo della risorsa, della sua coltivazione, delle tecnologie adottate per l’ottimizzazione del ciclo e per la minimizzazione dell’impatto ambientale, del continuo processo di innovazione in campo tecnologico e ambientale.

In Toscana Enel Green Power gestisce il più antico complesso geotermico del mondo e detiene il know how della geotermia che esporta in tutto il pianeta. Delle 34 centrali geotermoelettriche (per un totale di 37 gruppi di produzione) di Enel Green Power, 16 sono in provincia di Pisa; 9 sono nella provincia di Siena per 10 complessivi gruppi di produzione; infine, altre 9 si trovano nel territorio provinciale di Grosseto per un totale di 11 gruppi di produzione. I quasi 6 miliardi di KWh prodotti in Toscana, oltre a soddisfare più del 30% del fabbisogno energetico regionale, forniscono calore utile a riscaldare più di 10mila utenti residenziali.

Il fenomeno naturale

Quando si parla di geotermia siamo in presenza di un fenomeno naturale dove in genere si manifesta un’anomalia di tipo termico a cui sono spesso associate manifestazioni naturali di vapore e/o gas. In effetti molti parlano di geotermia industriale, ma pochi considerano i fenomeni naturali che interessano le aree geotermiche, ricche di emissioni naturali diffuse su aree anche più estese, rispetto a quelle interessate dall’anomalia termica.

I fenomeni geotermici sono conosciuti da sempre in tutto il mondo, e sono presenti non solo in aree vulcaniche ma anche, come nel caso dei campi di Larderello e “The Geyser” in California, in zone senza vulcanismo conclamato.

Queste anomalie termiche rappresentano la vera essenza della risorsa geotermica. La loro natura, associata alla presenza di rocce impermeabili di confinamento del serbatoio (reservoir) e di un fluido di trasporto dell’energia termica (fluido endogeno) rappresenta la condizione essenziale per poter utilizzare questa forma di energia naturale come energia rinnovabile.

Quando le condizioni energetiche del serbatoio sono particolarmente interessanti (alta e media entalpia), le applicazioni nei campi idrotermali nel mondo hanno portato ad un utilizzo geotermoelettrico.

Lo sviluppo delle applicazioni geotermiche è stato sempre accompagnato da sperimentazioni, prove ed esperienze proprio perché la natura dei fluidi, che trasportano il contenuto energetico della risorsa, ha caratteristiche diverse da campo a campo, in funzione delle condizioni fisiche di pressione e temperatura e delle caratteristiche chimiche tipiche delle formazioni geologiche attraversate.

Per la coltivazione dei campi geotermici, destinati ad un utilizzo geotermoelettrico, occorre distinguere fra soluzioni sperimentali, tramite impianti pilota finalizzati a verificare l’applicabilità di tecnologie ancora non consolidate, e soluzioni già sperimentate e consolidate per l’applicazione commerciale. La scelta tra queste opzioni non può prescindere dalle caratteristiche del fluido geotermico reperito o reperibile. Per questo l’esperienza consolidata in decenni di prove e sperimentazioni può essere schematizzata e rappresentata come di seguito indicato.

Le condizioni del serbatoio geotermico e del fluido reperito, scelta dei cicli applicabili

Le caratteristiche della risorsa e del fluido reperito in un campo geotermico possono essere riassunte secondo lo schema seguente:

Sulla base di tali elementi si possono distinguere varie casistiche con conseguenti diverse scelte tecnologiche:

  • Fluido geotermico a media entalpia e contenuto di gas non trascurabile (>1% in peso sul fluido totale)

Se la risorsa geotermica individuata è a media entalpia, le condizioni sono tali da avere in superficie tutto il fluido ancora allo stato liquido.

Al fine di mantenere il gas disciolto in soluzione è necessario gestire la fase liquida (con poca energia) e quella gassosa (con molta energia) ad una pressione superiore a quella di bolla. Se però il contenuto di gas è elevato, le pressioni necessarie diventano estremamente alte è rendono tale soluzione non solo economicamente sconveniente ma anche tecnicamente complessa, poiché si rendono necessari particolari accorgimenti per evitare la separazione del gas all’interno del pozzo di reiniezione. È evidente la complessità impiantistica ed il dispendio energetico di questa soluzione che, peraltro, dovrebbe essere adeguatamente verificata e sperimentata nel contesto specifico del sistema pozzo-serbatoio, al fine di evitare un accumulo di gas nel serbatoio stesso con conseguente incremento nel tempo degli incondensabili.

Per questo motivo, dovendo adottare tecnologie industrialmente sostenibili, se il contenuto di gas incondensabili è superiore al 1% in peso sul fluido totale, la soluzione impiantistica che può essere adottata prevede un ciclo indiretto binario (ORC- Organic Rankine Cycles) dove il fluido secondario è costituito da fluidi organici basso bollenti. La fase aeriforme incondensabile, dopo adeguato trattamento per eliminare alcune sostanze critiche (tipicamente H2S, Hg), sarà immessa in atmosfera.

  • Fluido geotermico ad alta entalpia e contenuto di gas non trascurabile (>1% in peso sul fluido totale)

In questo caso le condizioni termodinamiche del serbatoio (indipendentemente dal fatto che sia a vapore o liquido dominante) sono tali da avere in superficie il fluido allo stato vapore o comunque una miscela liquido/vapore. Questa categoria di sistemi geotermici prevede l’utilizzazione “diretta” del vapore geotermico che viene espanso in turbina per produrre energia elettrica e successivamente condensato. La fase liquida ottenuta dalla condensazione viene reiniettata nel serbatoio geotermico, insieme all’eventuale fase liquida erogata dai pozzi di produzione.

I gas incondensabili presenti nel fluido geotermico, dopo adeguato trattamento per eliminare la maggior parte delle sostanze critiche (tipicamente H2S, Hg), le minime parti restanti escono dai refrigeranti insieme al vapore acqueo nel processo di raffreddamento, elemento quest’ultimo che costituisce oltre il 99% dell’emissione dal refrigerante. Naturalmente a seconda delle caratteristiche del fluido, possono essere adottati schemi impiantistici diversi e molto più articolati rispetto a quanto schematizzato (doppio e triplo flash, impiantistica di bottoming, etc). A questa categoria appartengono gli impianti geotermici Enel Green Power in Italia.

  • Fluido geotermico a media/alta entalpia e contenuto di gas trascurabile (<1% in peso sul fluido totale)

Nel caso in cui il fluido estratto dal serbatoio non contenga gas (o ne contenga in quantità trascurabile) è possibile utilizzare una tecnologia a ciclo indiretto, dove il calore del fluido geotermico viene ceduto ad un fluido secondario mediante l’utilizzazione di uno o più scambiatori di calore. Il fluido secondario, riscaldato e vaporizzato, viene utilizzato in ciclo chiuso per la produzione di energia elettrica mediante espansione in turbina. Appartengono a questa categoria i classici cicli binari (ORC- Organic Rankine Cycles) dove il fluido secondario è costituito da fluidi organici basso bollenti quali: isopentano, isobutano, ammoniaca (ciclo Kalina). Tali cicli indiretti possono essere applicati sia a sistemi geotermici a media entalpia (sistemi binari ORC tradizionali) che ad alta entalpia (sistemi binari ORC ad alta entalpia). In entrambi i casi tutto il fluido da reiniettare è allo stato liquido e può quindi essere reimmesso totalmente nel serbatoio con facilità e senza importanti consumi energetici. Il fluido da reiniettare sarà pertanto mantenuto ad una pressione di esercizio tale che il gas presente possa risultare disciolto nella fase liquida e quindi facilmente reiniettato nel serbatoio.

Fino ad oggi tutti le applicazioni a livello mondiale di reiniezione totale (liquido + incondensabili) sono riconducibili a questa tipologia di fluido. Un esempio di questo tipo di processo sono le Centrali geotermiche Enel Green Power di Stillwater, Cove Fort e Salt Wells negli stati Uniti (sistemi geotermici a media entalpia con temperatura di serbatoio di circa 150 °C e contenuto di gas incondensabili trascurabile).

Ulteriori esempi di impianti con ORC e con basso contenuto di gas incondensabili sono quello di Ngatamariki in Nuova Zelanda (sistema geotermico ad alta entalpia con ORC diretto, con un contenuto di gas incondensabili trascurabile pari al 0,3% in peso sul fluido totale), e quello di Puna nelle isole Haway (sistema geotermico ad alta entalpia con turbina a ciclo diretto sul primo flash e ORC di bottom sullo scarico, con contenuto di incondensabili minore dello 0,5% sul fluido totale).

Sulla base delle suddette considerazioni, l’applicabilità dei cicli geotermici è quindi chiaramente subordinata alle caratteristiche del fluido reperito (alta, media, bassa entalpia) e al suo tenore di incondensabili sulla massa totale estratta (basso, medio, alto tenore).

La tabella sottostante riassume quanto detto:

Considerazioni relative agli impianti a emissioni zero

Indipendentemente dalla tipologia di impianto, le emissioni zero comportano la completa reimmissione nel serbatoio di tutto il fluido estratto (liquido o vapore + incondensabili) e sfruttato energeticamente sull’impianto.

L’elemento che incide in modo determinante sulla reiniezione totale è costituito dalla quantità di gas incondensabile nel fluido, che può rappresentare di fatto il vero ostacolo alla realizzabilità stessa del processo.

È questa peculiare caratteristica, da molti considerata marginale, che rende la reiniezione totale, per quanto fattibile dal punto di vista prettamente impiantistico, tecnicamente complessa e non compatibile con la gestione del serbatoio geotermico dal punto di vista minerario.

Allo stato attuale delle conoscenze, anche a livello internazionale, non esistono applicazioni industriali dove sia stata sperimentata con successo la reiniezione totale degli incondensabili (in campi con contenuto di gas superiori all’1%), tranne l’esperienza negativa effettuata in un sito della US Navy (campo geotermico di Coso in California USA). Dopo un breve periodo di sperimentazione tale applicazione è stata abbandonata per il progressivo aumento della percentuale di gas nel fluido estratto fino a renderlo, di fatto, non utilizzabile tecnicamente. Successivamente, per poter continuare ad utilizzare il campo geotermico di Coso, si è abbandonata la reiniezione totale dei fluidi e si è utilizzato una tecnologia del tutto simile a quelle utilizzate da Enel Green Power nei campi toscani, con un abbattitore delle emissioni di H2S (Lo-CAT) che riduce la concentrazione delle specie nella frazione gassosa con tecnica diversa ma con risultati paragonabili al trattamento AMIS (impianto Abbattimento Mercurio e Idrogeno Solforato).

In sintesi, quindi, ad oggi nessun impianto geotermico nel mondo (sono oltre 620 le centrali geotermiche in esercizio nel pianeta) utilizza la reiniezione totale (fase liquida + gas), in campi con contenuto di gas superiori all’1%.

Le centrali geotermiche si trovano in aree dove le emissioni naturali dal sottosuolo sono già molto importanti e non hanno alcun impatto sulla velocità di rilascio del gas in atmosfera. È importante precisare a questo proposito che la geotermia è considerata a livello internazionale un’energia rinnovabile perché è sostitutiva di emissioni naturali, che avverrebbero in modo più diffuso se non ci fosse l’attività industriale.

Oltre alle ragioni suddette, più prettamente minerarie, non possiamo prescindere da considerazioni strettamente connesse alle condizioni emissive legate a tutto il ciclo di funzionamento del sistema geotermico nel suo complesso.

Le emissioni diffuse per degassamento naturale dal terreno nei territori dove è presente la geotermia possono essere un ordine di grandezza superiore rispetto a quella considerata “concentrata” derivante dalla coltivazione geotermoelettrica. Tuttavia possono apparire non trascurabili le emissioni concentrate di inquinanti tipici associati ai gas incondensabili come idrogeno solforato, ammonica, mercurio ecc. Da qui la necessità di operare trattamenti di abbattimento ( es. AMIS, Lo-Cat, ecc.) o di confinamento (es. scambio termico a superficie con l’atmosfera, separazione e reiniezione parziale o totale di gas, ecc.). Tali trattamenti per quanto efficienti e in grado di raggiungere condizioni di rimozione prossime alla totalità in condizioni di normale esercizio, scontano una situazione di emissione libera pressoché totale nelle condizioni di fuori servizio (sfiori di gruppo o di impianto di trattamento).

Sono pertanto queste le condizioni da considerare con maggiore attenzione in un confronto oggettivo fra i vari sistemi nelle soluzioni da adottare per la coltivazione del campo geotermico ai fini della valutazione di impatto emissivo.

Gli impianti attuali di Enel Green Power sui campi italiani, hanno raggiunto livelli di indisponibilità (fuori servizi di gruppo e/o di trattamento) prossime al 2% su base annua, grazie al miglioramento continuo dettato da decenni di apprendimento e di esperienze affinate, riducendo di oltre dieci punti percentuali tali indisponibilità. Altre soluzioni, per quanto possano suscitare aspettative, in realtà più emotive che razionali, dovranno scontare anni di affinamento in esercizio per raggiungere livelli così bassi di indisponibilità che comunque potranno essere conseguiti per le parti impiantistiche sperimentali, ma non potranno prescindere dalla risposta dei serbatoi geotermici che per loro natura saranno diverse e sito specifiche.

Sviluppo e sostenibilità

La geotermia rappresenta, e può rappresentare sempre di più, un’opportunità di sviluppo socio economico e sostenibile per i territori geotermici. I principali valori su cui si basa la geotermia di Enel Green Power sono la sostenibilità, l’innovazione e la responsabilità. Oltre agli importanti benefici economici, connessi alle compensazioni ambientali, e a quelli occupazionali diretti e indiretti, Enel Green Power è sempre più impegnata a sostenere e supportare le iniziative volte all’utilizzo diretto del calore, da fonte geotermica. La disponibilità di calore residuo, a basso costo, rende sostenibili ed economicamente e competitivi i progetti legati al tele-riscaldamento per uso civile e industriale ma anche serricolo, florovivaistico, alimentare. I benefici connessi al teleriscaldamento civile sono molteplici:

  • risparmio economico
  • miglioramento del confort e della qualità di vita
  • riduzione dell’inquinamento nei centri abitati
  • aumento del valore immobiliare delle case
  • eliminazione degli obblighi manutentivi delle caldaie

Sostenibilità e innovazione

Tra le applicazioni che possono svilupparsi intorno all’utilizzo di calore e della CO2 si possono evidenziare i progetti per la coltivazione dell’alga spirulina e la cattura di CO2 a scopo industriale e alimentare.

Enel Green Power sta conducendo una sperimentazione in collaborazione con COSVIG e UNI FI per la coltivazione in serra dell’alga spirulina, con utilizzo della CO2 carbon free, già depurata a valle dei sistemi AMIS, e del calore geotermico. I risultati della sperimentazione consentono di dimostrare che il connubio fra la geotermia elettrica e la produzione algale consente una sinergia di elevato valore economico, con risparmi nella produzione e con sensibile aumento del rapporto algale per ettaro. L’obiettivo che si sta perseguendo è di far nascere una filiera per la coltivazione, il confezionamento e la commercializzazione delle alghe, creando un esempio di economia circolare, unico al mondo.

Inoltre, si sta verificando la disponibilità di player internazionali che si occupano dell’utilizzo e della commercializzazione della CO2, per realizzare un impianto di recupero della CO2 naturale, a valle dell’AMIS, per usi alimentari ed industriali nel campo delle bevande e della conservazione dei cibi.

Opportunità per il turismo in partnership con i territori

Il fenomeno geotermico e le sue applicazioni industriali rappresentano un presupposto importante per lo sviluppo turistico del territorio.

Sono numerose le iniziative che ruotano intorno al “mondo geotermico toscano” come i progetti di Centrali Aperte, i percorsi della geotermia che devono integrarsi con il concetto di turismo tradizionale e multidisciplinare che permetta di scoprire il territorio a 360° rafforzando le partnership con gli Enti locali, COSVIG e le associazioni.

Per fornire un dato recente, nel 2017 le presenze registrate nei vari ambiti Geotermici (Museo della Geotermia, parco delle Fumarole, parco delle Biancane, percorso turistico di Bagnore 4, Centrali Aperte e altre iniziative) hanno fatto registrare circa 60.000 presenze con un trend in continuo aumento.


Testo di Roberto Bonciani, ex responsabile Enel Green Power del Supporto Tecnico dell’O&M GEO, attualmente collabora sulle tematiche ambientali, e Maurizio Cei, responsabile dell’Ingegneria del serbatoio Enel Green Power


Organizzazione con sistema di gestione certificato e laboratori accreditati
Maggiori informazioni all'indirizzo www.arpat.toscana.it/qualita




— archiviato sotto: ,
Azioni sul documento
Strumenti personali