Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
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Maurizio Vaccaro Partecipazione a
(20 aprile 2013) "PREMIO UGI per la Geotermia"
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Maurizio Vaccaro, PhD
Unione Geotermica Italiana (UGI)
Università di Pisa - Dipartimento di Ingegneria dell'Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni
(DESTEC, Department of Energy, Systems, Land and Construction Engineering)
largo Lucio Lazzarino 1, 56122, Pisa (PI), Italy
mauriziovaccaro@hotmail.it – (+39) 3474932066
Keywords: Sostenibilità dei progetti geotermici, risorse geotermiche nel mondo è molto spostata sulle
risorse a medio-bassa temperatura, impianti a ciclo medie temperature (50 – 150 °C). Lo sfruttamento di
binario (ORC), approccio multidisciplinare, sviluppo queste risorse tramite impianti ORC (Organic Rankine
della geotermia in Italia. Cycle) è ormai considerato come una prospettiva di
breve termine. Gli impianti a ciclo binario consentono
ABSTRACT uno sfruttamento moderatamente efficiente di queste
Un interesse sempre maggiore viene mostrato da parte risorse, così come nel caso di applicazioni per le
del mercato dell'energia rispetto alla geotermia, biomasse e il recupero di calore di processo. In questo
soprattutto per quanto riguarda le risorse a medio- lavoro si analizzano alcuni aspetti critici e temi
bassa temperatura. In Italia (come in altri Paesi del strutturali legati allo sviluppo di questo settore, in
mondo) le richieste di permessi di ricerca sono relazione ai diversi fattori che condizionano lo
aumentate in maniera considerevole negli ultimi tre sviluppo dei progetti e la gestione della risorsa.
anni. Il conseguimento degli obiettivi di sostenibilità
dei progetti geotermici è tuttavia possibile solo tramite
un approccio alla geotermia che sia multidisciplinare e
davvero integrato. I campi coinvolti sono ovviamente
l'ingegneria, la geologia, la geofisica e l'economia. Lo
studio dei case-histories ha tuttavia portato a
considerare come la prevalenza di un settore su un
altro, durante lo sviluppo di un progetto, vada a
scapito della produttività e delle vita utile
dell'impianto stesso.
Uno degli obiettivi di questo lavoro è quello di
sintetizzare e condensare i principali punti di un
approccio integrato mirato all’ottimizzazione tecnica
degli impianti e alla massimizzazione della durabilità
dell’utilizzazione stessa, ovvero alla sostenibilità Figura 1: Distribuzione probabilistica dell'energia
generale del progetto geotermico (Vaccaro 2013). Il geotermica nel mondo, in riferimento alla
sistema di controllo, a questo fine, è il “sistema temperatura della risorsa (da Stefansson
geotermico” (Franco e Vaccaro 2012), costituito 2005).
dall’impianto, la risorsa, l’ambiente e i collegamenti
fra di essi in termini di scambi di energia e materia. I fattori che condizionano l'utilizzazione dell'energia
geotermica sono di varia natura, a seconda degli
L'utilità della simulazione nuemrica dei serbatoi ambiti coinvolti. Fra i fattori geologici-geofisici sono
geotermici e le sue criticità vengono esposte ed predominanti i seguenti:
illustrate. Un approccio multidisciplinare viene
promosso, anche attraverso l'introduzione di concetti distribuzioni spaziali di temperatura, calore
di analisi termoeconomica dei sistemi energetici. specifico, pressione;
estensione spaziale del campo geotermico;
1. INTRODUZIONE individuazione delle aree di ricarica naturali;
porosità totale ed effettiva;
Il sempre crescente interesse verso l'utilizzazione
energetica delle risorse a medio-bassa temperatura è modello di permeabilità e circolazione del fluido;
fase/i del fluido geotermico e parametri termofisici;
dimostrato dall'attività dei soggetti industriali, del
caratteristiche chimiche del fluido geotermico
mercato e dell'aumento di richieste di permessi di
(salinità, aggressività chimica);
ricerca, anche in Italia. Come si può vedere dalla Fig.
1, almeno in termini relativi, la distribuzione delle
1
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Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
I fattori tecnologici principali, invece, nel contesto 2. LA VALUTAZIONE DEL POTENZIALE
delle utilizzazioni mediante ORC sono: GEOTERMICO
In questa sezione si illustrano alcune considerazioni di
tecnologie di prospezione e individuazione
base inerenti la valutazione delle risorse geotermiche,
dell’acquifero
al fine di affrontare la discussione sulla sostenibilità
tecniche di perforazione e di estrazione del fluido
dei progetti per risorse a medio-bassa temperatura.
tecnologia di conversione energetica utilizzata
Sembra non essere universalmente adottato un
(fattori di conversione energetica, fattore di
approccio sistematico e immediato alla valutazione del
utilizzazione)
potenziale delle risorse geotermiche, dato il grande
sistemi di trattamento delle acque residue
numero di applicazioni e di studi, spesso solo locali.
strategia di reiniezione
Pur esistendo studi e lavori ad alto livello, si tende
Tutti questi fattori e soprattutto la loro analisi (e nella pratica industriale ad adottare un approccio
sintesi dei risultati) contribuiscono alla valutazione del dispersivo e specifico rispetto al particolare sito (o
potenziale geotermico applicata ad una certa area di progetto) considerato. Spesso la valutazione del
interesse. È evidente che questa debba tener conto sia potenziale è condizionata dall’apporto in termini di
dell'analisi della risorsa, ma anche del tipo di esperienza personale di chi ne è incaricato. Un buon
tecnologie usate per l'estrazione e la conversione modo di rendere più condivisibile e accessibile questo
energetica (Cataldi e Muffler 1978, Franco e Vaccaro processo di analisi è quello di adottare un approccio
2012, Vaccaro 2009, Vaccaro 2013). multidisciplinare (come verrà dimostrato nel seguito
di questo lavoro), illustrato in Fig. 2 (Franco and
Dal punto di vista tecnologico i sistemi ORC offrono Vaccaro 2012, Vaccaro 2013).
diverse soluzioni impiantistiche. La loro
ottimizzazione ingegneristica è stata ed è oggetto di Thermodynamics
ricerca negli ultimi anni (Gnutek e Bryszewska- Energy engineering Economic
Mazurk 2001, Kanoglu 2002, Di Pippo 2004, context
Hettiarachchi et al. 2007, Kaplan 2007, Kose 2007,
Moya e Di Pippo 2007, Franco e Villani 2009, Franco
2011 fra gli altri). Un interessante sbocco dal punto di Geochemistry Reservoir
vista della ricerca potrebbe essere quello della Geophysics engineering
standardizzazione delle taglie delle unità di
produzione, al fine di una maggiore diffusione, così
come è accaduto nel caso di altre fonti rinnovabili (ad Figura 2: Approccio integrato, ambiti disciplinari
esempio per l’eolico). I problemi tecnologici legati coinvolti.
agli impianti ORC sono principalmente: la selezione
del fluido di lavoro, le geometrie e le superfici dello
scambiatore, il tipo di ciclo termodinamico (Rankine,
Hirn, Kalina), le temperature e pressioni di lavoro, i
sistemi ausiliari (altamente energivori, soprattutto nel
caso di raffreddamento a secco) e l'aggressività
chimica del fluido.
La simulazione numerica dei serbatoi geotermici può
essere un utile strumento di sintesi in ausilio alla
valutazione del potenziale geotermico, in grado anche
di implementare l’approccio integrato qui illustrato. I
modelli numerici (studiati in letteratura, ma poco
implementati nella pratica industriale) consentono la
previsione del comportamento della risorsa a seconda
di diversi scenari di produzione/reiniezione,
potendone così valutare il livello di sostenibilità (al Figura 3: Il “sistema geotermico”, prso a
variare, ad esempio, del numero e della posizione riferimento per le valutazioni tecnologico-
reciproca dei pozzi, della portata estratta/reiniettata). ambientali (Franco and Vaccaro 2012,
Vaccaro 2013).
Su queste basi, e attraverso anche considerazioni di
natura termoeconomica, in questo articolo si cerca di Ad ogni modo è bene chiarire fin da subito a quale
illustrare l’approccio integrato e le linee generali di sistema (e quindi il suo contorno, ai fini dei bilanci
una metodologia interdisciplinare di valutazione del termodinamici) ci si riferisca. Chiamiamo “sistema
livello di sostenibilità e di progettazione degli impianti geotermico” quello composto dall’impianto di
geotermici. conversione dell’energia, il serbatoio, il sistema di
pozzi, l’ambiente tutti gli scambi in termini di massa
ed energia che intercorrono fra di essi (Fig. 3).
2
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Considerando questo sistema è possibile affrontare al tipo di utilizzazione sia fondamentale e basilare per
l’ottimizzazione tecnologica del sistema di la valutazione (anche programmatica) del potenziale
conversione energetica, nonché valutare gli impatti geotermico.
ambientali e il livello di utilizzazione della risorsa.
È molto importante tenere conto della scala temporale
Come già affermato da Cataldi e Muffler (1978), uno e spaziale del dominio interessato dall’analisi. Dalle
dei problemi principali è quello di valutare non solo la proporzioni e dal dettaglio richiesto dipende infatti il
risorsa di “base”, ma soprattutto quello di valutarne la tipo di metodo da adottare. Esistono infatti metodi
porzione sfruttabile in maniera utile stando alle attuali “del primo ordine”, metodi su base
condizioni tecnologiche e al contesto economico. Oggi statistico/probabilistica e metodi invece basati sulla
sono disponibili molti più strumenti di indagine, ma simulazione numerica dell’evoluzione dei serbatoi
rimane il problema di integrare gli approcci e i fini, (O’Sullivan 2001).
puntando alla definizione di una strategia di
utilizzazione sostenibile, e non quindi settoriale. È noto che la geotermia sia una fonte di energia
rinnovabile solo in certe condizioni di utilizzazione,
Alcuni tipi di problemi causati da una mancata o ed è ancora più vero (e coinvolge a più livelli la
superficiale caratterizzazione della risorsa possono poi fattibilità tecnico-ambientale del progetto stesso) nel
essere i seguenti: caso delle risorse a media temperatura (anche per le
caratteristiche proprie dei sistemi ORC). La criticità
sovradimensionamento della taglia dell’impianto, sta quindi nell’individuare la giusta corrispondenza tra
che porta poi ad un eccessiva estrazione e i requisiti minimi individuati da ogni settore, e dalla
sfruttamento della serbatoio; disponibilità del serbatoio rispetto alle potenzialità
scaling e danneggiamenti dovuti al chimismo del dell’impianto.
fluido estratto/reiniettato (corrosione, calo della
produttività, riduzione del diametro utile delle 2. IMPIANTI A CICLO BINARIO (ORC) PER
tubazioni); UTILIZZAZIONI GEOTERMICHE
raffreddamento eccessivo del serbatoio, dovuto, in
In questa sezione si cerca di schematizzare e discutere
generale, ad errori o fattori non considerati nella
brevemente di alcune caratteristiche peculiari e
strategia di reiniezione adottata.
criticità dei sistemi ORC applicati alla geotermia. Se
È bene precisare ai fini di questa discussione, che le la geotermia “tradizionale”, ovvero orientata
decisioni importanti per il dimensionamento di un all’utilizzazione di campi ad alta entalpia (impianti ad
impianto sono spesso, invece, il frutto di valutazioni espansione diretta o a flash), aveva tutto sommato un
basate sull’economicità (paradigma economico). Per background consolidato, alti coefficienti di
quanto affidabili e internamente consistenti, queste utilizzazione (ore/anno) e rendimenti abbastanza
valutazioni conducono spesso a perdere di vista la indipendenti da alcuni parametri esterni, i sistemi
sostenibilità e un utilizzo responsabile della risorsa ORC per risorse a media temperatura (< 160 °C circa)
geotermica, condizionando non solo il livello di hanno caratteristiche e curve di efficienza molto
estrazione, ma anche (nei casi peggiori) la fattibilità e particolari, a volte anche sito-dipendenti. Nel mondo
producibilità stessa degli impianti. È evidente che un sono attualmente installati circa 200 impianti a ciclo
ruolo fondamentale lo hanno alcune considerazioni binario da fonte geotermica (Bertani 2010), ma il loro
derivanti dall’applicazione del Secondo Principio della numero è in continua crescita. La potenza totale
termodinamica e dalle efficienze e caratteristiche installata si aggira attorno ai 1150 MW, per una
tecnologiche degli impianti. Si può in generale dire produzione di energia di più di 6 TWh (Bertani 2010).
che qualora uno dei settori disciplinari di Fig. 2 tende
Lo schema operativo di un semplice impianto ORC è
a prevalere sugli altri l’analisi può risultare spesso
rappresentato in Fig. 4. Il fluido di lavoro, o fluido
povera e poco lungimirante. Uno sviluppo
secondario (di solito organico, o un refrigerante, con
commerciale e industriale che sia accettabile e
un punto di ebollizione più basso rispetto all’acqua),
sostenibile passa necessariamente per questo tipo di
viene riscaldato e vaporizzato, ricevendo calore dal
considerazioni. Gli investitori non tengono spesso
fluido geotermico (attraverso uno scambiatore a
conto dei problemi tecnologico-ambientali, ma basano
superficie). Il fluido geotermico (in pressione) in
le decisioni strategiche sulla piccolo taglia e durabilità
generale non viene mai in contatto con l’ambiente o il
nel tempo della risorsa e degli incentivi, ma i
fluido di lavoro, ma viene poi reiniettato. Il fluido di
parametri operativi dell’impianto sono in realtà
lavoro in fase vapore espande poi in una turbina,
funzione del tipo di utilizzazione e della strategia
producendo potenza (fase utile del ciclo), viene poi
adottata.
condensato, cedendo calore all’ambiente (sono
Analizzando le prestazioni dei sistemi ORC si vede possibili le soluzioni di raffreddamento a secco o a
come l’efficienza vari di molto al variare dei parametri umido) e ricircolato (tramite una pompa) allo
esterni (temperatura dell’ambiente esterno, del fluido scambiatore, per poter ricominciare il ciclo (DiPippo
geotermico, del fluido reiniettato), per cui appare 2008). Il ciclo termodinamico nel caso del fluido
evidente come un’accurata caratterizzazione, orientata R600a (isobutano), ad esempio, è rappresentato in Fig.
3
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5, la fase utile del ciclo è la trasformazione di Wnet
espansione (3-4), mentre la cessione di calore dal II [2]
fluido geotermico a quello di lavoro avviene lungo la m geo in rein geo
trasformazione 1-3. La Fig. 6 riporta invece le curve
sul diagramma T-s di alcuni dei più utilizzati fluidi m
organici per sistemi a ciclo binario. In Fig. 7 sono geo [3]
rappresentati invece i profili di temperatura del fluido Wnet
geotermico (che si raffredda) e del fluido secondario o
di lavoro, che aumenta la sua entalpia lungo lo β rappresenta la quantità di fluido da estrarre e
scambiatore di calore. mandare nello scambiatore per ottenere un'unità di
potenza. Valori tipici di questi parametri, da una
review di letteratura (Franco e Villani 2009, Vaccaro
2013), e valori tipici dei consumi degli ausiliari sono
schematizzati in Tab. 1. Le taglie tipiche di questi
impianti vanno da circa 0,1 MW a 5 – 10 MW.
Tab. 1: Valori tipici delle efficienze dei sistemi
ORC geotermici.
Efficienze e parametri tipici
Efficienza di Primo Principio (ηI) 5 – 10 %
Efficienza di Secondo Principio (ηII) 20 – 45 %
20 – 120
Consumo specifico di geofluido (β)
kg/(s·MW)
Consumo degli ausiliari (valori medi)
Pompe di circolazione 2 – 10 %
Figura 4: Schema di impianto ORC geotermico. Sistema di raffreddamento 10 – 40 %
150
R600a(isobutane)
125
2 3 175
peva
100
150
Temperature (°C)
75 125 R114 R600
4 (butane)
Temperature (°C)
100
50
1 pcond
75
25 5
50 R600a
0 (isobutane)
25
-25
0
R134a
-50
-25
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Specific entropy (J/kgK) R502
-50
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Specific entropy (J/kgK)
R600a (isobutane) R134a R600 (butane) R502 R114
Figura 5: Schema di ciclo Rankine sul diagramma
T-s del fluido R600a (isobutano).
Le efficienze degli impianti possono essere valutati in Figura 6: Fluidi organici e refrigeranti utilizzati
termini di bilanci di energia (Efficienza di Primo negli impianti a ciclo binario.
Principio della Termodinamica, ηI) o di exergia Soluzioni tecnologiche più complesse, per aumentare
(Efficienza di Secondo Principio della l'efficienza e ottimizzare le prestazioni possono essere
Termodinamica, ηII) o di consumo specifico di fluido adottate, come ad esempio l'implementazione di cicli
geotermico per unità di potenza prodotta (β). Queste termodinamici con rigenerazione interna e scambiatori
grandezze sono così definite: a recupero (Franco 2011), lo schema di una soluzione
impiantistica di questo tipo è riportato in Fig. 8. Un
Wnet ciclo rigenerativo consente di ridurre le dimensioni del
I [1]
m geo hin hrein geo sistema di raffreddamento, e di conseguenza le perdite
ad esso connesse. Se alla fine dell'espansione il fluido
è allo stato surriscaldato (come in Fig. 5, punto 4) e ha
ancora una temperatura più elevata di quella di
4
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condensazione, allora può essere usata una soluzione La temperatura di reiniezione non può essere scelta
di questo tipo. arbitrariamente (per aumentare il ΔT utile a
piacimento). Il suo valore ottimale dipende da molti
2.1 Effetti dei parametri esterni fattori, legati principalmente alla composizione
Come accennato sopra, la variazione delle temperature chimica del fluido geotermico e alla strategia di
del serbatoio, di reiniezione e ambientale hanno reiniezione adottata. Fenomeni di scaling (deposizione
conseguenze sui parametri di efficienza degli impianti, chimica e precipitazione di solidi nella soluzione)
soprattutto se di piccola taglia. Se la temperatura causano fouling (sporcamento delle superfici) nello
dell'ambiente è troppo vicina a quella di scambiatore e nelle tubature dell'impianto, corrosione,
condensazione del fluido di lavoro, molta più potenza oltreché clogging e intasamento dei pozzi di
sarà necessaria per dissipare il calore verso l'esterno. I reiniezione. Alcune di queste reazioni avvengono al
sistemi ausiliari di raffreddamento assorbono fino al diminuire della temperatura del geofluido, per cui è
40 % della potenza dell'impianto (soprattutto quelli nella parti più fredde del circuito del geofluido che si
che lavorano a secco). Gli aerocondensatori, inoltre, possono verificare questi fenomeni (Corsi 1986). Lo
contribuiscono in maniera molto accentuata scaling (siliceo, carbonatico, etc.) può essere tuttavia
all'occupazione di suolo da parte dell'impianto, inibito e rimosso dall'impianto con diverse tecniche,
peggiorando l'impatto ambientale e paesaggistico ma un approccio globale e sistematico per questo tipo
complessivo del sistema di conversione di potenza. Il di soluzioni non è disponibile nella letteratura
sistema di dissipazione e condensazione contribuisce scientifica. Esistono esempi di applicazioni, su diversi
fino al 30-35 % del costo totale dell'impianto, per cui tipi di impianti nel mondo, ma spesso le compagnie di
appare evidente come il suo dimensionamento sia un gestione ed esercizio degli impianti preferiscono non
elemento molto importante per la fattibilità tecnico- divulgare questo tipo di dati e soluzioni tecniche.
economica dell'impianto stesso. Appare però evidente che un aumento della
temperatura di reiniezione causerebbe una
T diminuzione della potenza termica in ingresso (Pt,geo),
proporzionale alla portata di geofluido ( m geo ) e al ΔT
Tgeo
Geothermal fluid
utile (fra temperatura di estrazione e temperatura di
reiniezione):
Pinch Point geoc p Tgeo Trein
Pt , geo m [4]
(PP)
Teva
3 2
Trein
Affinché il bilancio di energia in ingresso rimanga
Working fluid costante si dovrebbe agire quindi aumentando la
portata estratta, ma questo potrebbe influire
1
negativamente sulla sostenibilità (durability della
risorsa) del “sistema geotermico”.
x
T
Tgeo
Figura 7: Profili di temperatura del fluido Geothermal fluid
geotermico e del fluido secondario in un ciclo T*
Rankine (sistema ORC).
turbine generator
heat PP1
G Teva PP2
exchanger
3 2
condenser Trein
cooling
device Working fluid
recuperator circulation pump
1
x
PRODUCTION REINJECTION
WELL WELL
Figura 9: Riduzione del pinch point dovuto a
diminuzione della Tgeo, nello scambiatore di
GEOTHERMAL
RESERVOIR
calore.
Una riduzione della temperatura di estrazione (e
Figura 8: Schema di impianto ORC con ingresso nello scambiatore) del fluido geotermico
rigenerazione (scambiatore interno a (Tgeo) può avvenire durante la vita utile dell'impianto
recupero). per impoverimento della risorsa, dovuto anche a
un'errata strategia di reiniezione, o ad un regime di
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utilizzazione troppo spinto. Questo può portare ad un geo Π(geothermal system,t)
m [5]
abbassamento dell'efficienza dell'impianto, ma anche a
problemi tecnologici quali la riduzione del pinch point
Ad ogni modo è altrettanto evidente che il suo valore
nello scambiatore, ovvero il raggiungimento di un
punto di lavoro da ritenersi inaccettabile (Fig. 9). massimo ( m *geo ), ovvero il limite superiore, è
inversamente proporzionale al ΔT utile descritto prima
Il consumo specifico di geofluido (β), ovvero la
quantità di fluido da estrarre per ottenere un'unità di 1
potenza varia anche molto, rispetto al ΔT di impianto. m *geo [6]
Questo parametro può variare in un range molto Tgeo Trein
ampio (per diversi tipi di impianti, Axelsson 2010,
Franco e Vaccaro 2012), ovvero 20–40 kg/(s·MW) in Ulteriori limitazioni, di natura ambientale e più
caso di Tgeo nel range 150–160 °C, fino a più di 100 propriamente di impatto paesaggistico posso essere
kg/(s·MW) all'abbassarsi della temperatura di formulate, tenendo conto di fattori esterni a quelli
estrazione (110 °C). descritti finora (ad esempio occupazione di suolo
dovuta ai sistemi di raffreddamento, impatto
In Fig. 10 sono illustrati i valori delle temperature paesaggistico, etc.).
operative di alcuni impianti in diversi Paesi del
mondo. Anche l'estrazione e il pompaggio del geofluido sono
fattori che condizionano la fattibilità tecnica
160
151 Tgeo
Tgeo dell'impianto stesso (Aksoy 2007). Le pompe
140 Trein
Trein utilizzate in questi casi (Downhole Pumps) sono di
T0
T0
120 DeltaT
ΔT
tipo LSP (Line Shaft Pumps) oppure ESP (Electrical
110
108 106 Submersible Pumps), ma hanno limitazioni sulla
100 95
87 89
profondità e la temperatura del fluido che le lambisce
T (°C)
81
80 74
(che ha anche la funzione di raffreddamento del corpo
70 70
64
57
pompa stesso). La vita utile di queste pompe è in
60
generale molto bassa (massimo 2 anni) e sono quindi
40
27
36
una parte importante dell'investimento.
25
22 22
20 17 17
13 13
9
0 2.3 Standardizzazione tecnologica: alcune
0
considerazioni
Una standardizzazione di questa tecnologia di
conversione energetica potrebbe portare ad una
maggiore diffusione di questo tipo di impianti, così
Figura 10: Temperature caratteristiche di alcuni come è stato nel caso di altre fonti rinnovabili (es.
impianti a ciclo binario. eolico). Pur esistendo una folta letteratura scientifica
sui cicli binari, nel caso della geotermia si vedono
2.2 Limite superiore all'estrazione spesso installazioni progettate per la specifica
Il discorso sulla sostenibilità delle utilizzazioni utilizzazione locale. Recentemente alcuni produttori
geotermiche non comprende solo aspetti strettamente hanno però portato sul mercato unità di piccola taglia,
ambientali e sociali, come i fenomeni micro-sismici, la standardizzate, per venire incontro alle sempre
subsidenza, il rumore, l'impatto dovuto alle fasi di crescenti richieste degli investitori. Questo fattore,
trivellazione e costruzione dell'impianto. Sono invece insieme ad un approccio alla valutazione della
da considerare anche altri aspetti, più legati alla sostenibilità ad ampio respiro e multidisciplinare
tecnologia di esercizio degli impianti a ciclo binario. (quale è quella proposta qui), potrebbe portare ad una
Riassumendo quanto illustrato brevemente sopra, è migliore predisposizione dei mercati e degli enti
evidente che questo limite superiore dipende sia dalla preposti alla vigilanza e alla tutela ambientale.
tecnologia che dalla risorsa. In particolare la valutazione del potenziale
I sistemi ORC lavorano a efficienze molto più basse di geotermico, insieme alla definizione di un'accurata e
quella nominale in condizioni di off-design. In caso di sostenibile strategia di reiniezione, devono essere al
diminuzione di Tgeo, gli impianti si riportano in centro dell'attività dell'industria geotermica. Le unità
condizioni di produzione nominale a scapito di una di taglia standard (es. PureCycle ® Power System,
maggiore estrazione di fluido. Un’estrazione eccessiva UTC, 100–300 kW) esistono, e possono essere
può però rapidamente all'impoverimento della risorsa ottimizzate in base al sistema geotermico specifico
(raffreddamento, avanzamento del fronte freddo dai (http://www.utrc.utc.com/pages/ResearchInnovation/O
pozzi di reiniezione). La portata ottimale è quindi una RC.html). Manca tuttavia ancora un approccio ampio
funzione complessa (Π) del potenziale geotermico, e solido sulla valutazione globale della sostenibilità
delle caratteristiche del “sistema geotermico” e del dei progetti geotermici.
tempo
6
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3. SIMULAZIONE NUMERICA DEI SERBATOI serbatoio nel tempo sotto certe condizioni di
GEOTERMICI sfruttamento (Antics 2001, O’Sullivan 2001, Vaccaro
La simulazione numerica è una delle parti più 2013). Esistono sia software di tipo open, che
complesse dello studio di un sistema geotermico. La commerciali, molti di essi sono ormai molto noti in
sua funzione più immediata è quella di consentire lo ambito scientifico, oltreché industriale (Diersch e
studio del comportamento nel tempo della risorsa sotto Kolditz 1998, Kolditz et al. 1998, Pruess et a. 1999).
determinate condizioni di sfruttamento. La
Come già accennato, è possibile, mediante i modelli
simulazione numerica delle equazioni di
ripercorrere la storia di utilizzazione di un serbatoio e
conservazione e di stato per vari fenomeni fisici è
realizzarne una simulazione. È molto importante per
usata con successo in moltissimi ambiti dell'ingegneria
questo poter avere a disposizione i data log di
e delle scienze applicate. Tuttavia la modellazione di
esercizio dei pozzi e degli impianti relativi. La
oggetti e fenomeni che avvengono a diverse centinaia
mancanza di dati specifici per il set up dei modelli è
di metri di profondità presenta un certo grado di
uno dei problemi principali. Spesso i dati sono
incertezza, che deve essere noto ai fini della
mancanti, riservati, o di cattiva qualità. La
valutazione dei risultati. Le applicazioni per la
realizzazione di modelli costringe ad avere set di dati
geotermia sono orientate principalmente alla
di input e output comuni ai diversi ambiti coinvolti,
simulazione dei fenomeni di trasporto nei serbatoi
favorendo il tipo di approccio multidisciplinare
profondi e allo scambio termico fra acquiferi
descritto in questo lavoro. Un'altra fondamentale
superficiali (o terreno) e sistemi per il
funzione, come già accennato, è quella di poter
condizionamento e la climatizzazione. I principali
realizzare modelli previsionali, in base a diverse
software per la simulazione dei serbatoi sono in
strategie produttive e confrontare i livelli di
generale multi-purpose, e possono essere utilizzati
sostenibilità di ogni caso.
anche in altri ambiti (es. idrogeologia, remediation).
Le fasi essenziali di un processo di modellazione e
In questo lavoro non si vuole entrare nello specifico
simulazione di un serbatoio geotermico sono le
sull'argomento, ma si vogliono sottolineare alcuni
seguenti:
vantaggi dell'introduzione della simulazione numerica
nella valutazione del potenziale, oltreché alcune acquisizione ed interpretazione dei dati;
criticità, intrinseche e non, di questa metodologia. Gli realizzazione di un modello concettuale;
aspetti principali su cui si deve focalizzare una set up del modello, in termini di equazioni di base,
discussione di questo tipo sono i seguenti: parametri termofisici, condizioni al contorno (e
condizioni iniziali);
equazioni fisiche del modello ed equazioni
modellazione dello stato imperturbato del sistema
costitutive;
(ovvero allo stazionario);
parametri termofisici delle rocce e del fluido che
modellazione di scenari di produzione (più evoluti).
costituiscono il modello;
condizioni al contorno e condizioni iniziali; Per un background scientifico-matematico più
valutazione del potenziale geotermico; dettagliato si rimanda a una letteratura più
accoppiamento del sistema impianto-serbatoio. specializzata (Rybach e Muffler 1981, Diersch e
Kolditz 1998, Kolditz et al. 1998, Pruess 1999,
In particolare le assunzioni di base e le semplificazioni
Ungemach et al. 2007, Ungemach e Antics 2008,
effettuate nel modello devono essere esplicitate e le
Huenges 2010). In questo lavoro si vuole solo
loro conseguenze dovrebbero essere note in fase di
sottolineare quali siano le potenzialità della
realizzazione del modello. In questi modelli vale il
simulazione e il suo ruolo all'interno di una
principio “trash in - trash out”, ovvero la qualità dei
metodologia di tipo integrato. Si tratta ovviamente di
dati in ingresso influisce (in maniera diretta) sulla
un processo iterativo, continuamente migliorabile, in
qualità dei risultati. Dati poco affidabili conducono
base alle diverse fasi del progetto geotermico e a
sicuramente ad una modellazione poco credibile, sulla
seconda del flusso di informazioni (Antics 2001).
quale basare una strategia di sfruttamento (Vaccaro
2013). Spesso i software per la simulazione dei
serbatoi vengono visti come delle “magic box” a cui 3.1 Limitazioni e criticità
affidare tutte le incertezze legate all'analisi della Schematizzando quanto detto finora e condensando
risorsa. In realtà i modelli sono veramente affidabili l'attenzione su alcune questioni centrali, possiamo dire
quando sono basati su ipotesi attendibili, ed in quel che i principali limiti sono i seguenti:
caso costituiscono un eccellente strumento sia di
monitoraggio del serbatoio, che di previsione i risultati dipendono fortemente dall'affidabilità e dal
strategica. livello di accuratezza dei dati in ingresso;
modelli che sono stabili dal punto di vista numerico
I principali obiettivi della simulazione numerica sono possono non essere consistenti dal punto di vista
il monitoraggio (time real o history matching) del fisico.
serbatoio e la previsione del comportamento del
7M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
Ci si dimentica che a volte un problema fisico può di diverse decine di modelli numerici dalla letteratura
essere affrontato con modelli matematici semplici attuale (Vaccaro 2013, cap. 4).
attraverso delle apposite semplificazioni (e per i quali
spesso esistono soluzioni pre-codificate o addirittura T (°C)
analitiche), anziché con troppo più sofisticati 362
strumenti come le simulazioni numeriche. Modelli a
parametri concentrati possono a volte essere anche
utili, in caso di serbatoi semplici e analisi di primo 275
tentativo, in cui non si hanno dati di buona qualità in
ingresso.
188
3.2 Esempi di modelli numerici
In questo lavoro si cerca di dare più spazio alla 102
metodologia integrata e multidisciplinare finalizzata
all'analisi di sostenibilità, che a specifici casi studio di
applicazione di modelli numerici. Alcune figure, 15
tuttavia, relative a modelli realizzati dall'autore sono
esplicative di quanto in dettaglio ci si possa spingere Figure 13: Modello del serbatoio di Momotombo
nell'analisi numerica. (scenario di produzione, 15 anni, estrazione
555 kg/s).
Figure 14: Modello del serbatoio di Momotombo
Figure 11: Modello del serbatoio di Momotombo
(dimensioni, modello di grande scala).
(dimensioni, modello di piccola scala).
T (°C)
363
T (°C)
276
189
102
15
Figure 15: Modello del serbatoio di Momotombo
(distribuzione di temperatura su diversi
piani di taglio).
Figure 12: Modello del serbatoio di Momotombo
(stato imperturbato, vettori del moto del Attraverso questi modelli è in generale possibile
fluido). valutare il livello di sostenibilità dell’utilizzo della
risorsa. Attraverso parametri oggettivi come la portata,
Le Fig. 11-13 rappresentano il modello del serbatoio la pressione e la temperatura del fluido geotermico è
di Momotombo (Nicaragua). per il quale è stato possibile stabilire se la vita utile di impianto in certe
realizzato un modello (di piccola scala) dell'area di condizioni è paragonabile al tempo di reintegro del
produzione e reiniezione (scenario di utilizzo in Fig. serbatoio, o al raggiungimento di un livello di
13). Il modello è stato realizzato a partire dai lavori di estrazione eccessivamente basso, e in alcuni casi
Porras et al. 2007 e 2010. Nella tesi di dottorato anche antieconomico. In questa fase appare chiaro che
dell’autore, recentemente discussa presso l’Università anche l’economia e il mercato giocano un ruolo
di Pisa – DESTEC, sono riportate due corpose reviews importante, che può essere tenuto in considerazione
8M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
solo con un approccio che adotti i punti di vista dei 7,0
Mansure (2005)
diversi ambiti illustrati in Fig. 2. Augustine (2006)
6,0
Klein (2004)
Un modello invece su scala maggiore, e più fedele Bradys
(seppur rivisitato) a quello originale di Porras et al. 5,0
(2007 e 2010) è riportato nelle Fig. 14-15.
4,0
(M€)
4. VALUTAZIONI TERMOECONOMICHE
SULL’UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA 3,0
GEOTERMICA
2,0
La valutazione della sostenibilità di un progetto
geotermico comprende necessariamente anche 1,0
valutazioni di natura economica. In questa sezione si
cercano di introdurre anche concetti legati all’analisi 0,0
termoeconomica, che considerino non solo i flussi di 0 1000 2000 3000 4000
denaro, ma anche quelli di energia e delle Depth (m)
irreversibilità.
4.1 Costi dell’energia geotermica Figura 16: Stime dei costi di perforazione secondo
diverse relazioni (after Shevenell 2012).
È noto che in generale i costi di installazione nella
geotermia sono molto alti (Sanyal 2004, Stefansson I costi dell’impianto si possono valutare con una
2002). I fattori che influenzano maggiormente la relazione del tipo
composizione dei costi dell’energia geotermica sono
essenzialmente: q
P
C pp C *pp * [8]
i meccanismi legati alle economie di scala; P
la produttività dei pozzi;
i costi di progettazione, manutenzione ed esercizio; In accordo con Bejan et al. (1996), facendo riferimtno
il contesto macro-economico. al costo di un impianto di riferimento ( C *pp ) di
Il discorso finalizzato alla standardizzazione delle potenza P* e un opportuno esponente q (dalla
tagli impiantistiche va anche quindi legato a questi letteratura). I costi di investimento e O&M invece si
concetti di sviluppo economico dei progetti. In questa possono valutare tramite relazioni del tipo
sezione sono riassunte e schematizzate brevemente le
componenti di costo di un impianto geotermico. Sono c l exp m P n [9]
essenzialmente cinque i gruppi di costi, che danno
luogo al costo sostenuto: si tratta dei costi di Essendo c il costo specifico, P la potenza e le altre
investimento (CZ), i costi di Operation and lettere degli appositi parametri numerici derivanti
Management (CO&M), i costi dei pozzi di make-up dalla letteratura o da altri impianti usati come
eventuali, per ripristinare il livello di produttività riferimento.
(CMW), i costi dell’impinato (CPP), i costi degli inibitori
(Cinhib): 4.2 Un approccio termoeconomico
La base di qeusto approccio, già applicato in
Cin CZ CO&M CMW CPP Cinhib [7] letteratura ad altri ambiti dell’energetica (Brodyansky
et al., 1994, Kotas 1995, Lazzaretto e Tsatsaronis
Il calcolo del costo totale da sostenere non è affatto 2006), è quello di mettere insieme bilanci energetici
banale, anche nelle fasi iniziali, e soprattutto in caso di (basati sul Primo e Secondo Principio della
installazioni a medio-bassa temperatura. La termodinamica) e bilanci di flussi di denaro. In questa
deliverability e produttività dei pozzi, ad esempio, sede si vuole solo far notare quale può essere il
condiziona fortemente questa stima. I costi di contributo dell’analisi termoeconomica alla
investimento secondo Stefansson (2002) possono valutazione della sostenibilità dei progetti geotermici,
essere suddivisi in surface costs e underground costs, prendendo spunto e confrontando quanto fatto anche
con evidente distinzione fra i tipi di interventi. In con altre fonti di energia rinnovabile e i sistemi
questa sezione considereremo alcune stime, anche per energetici in generale.
illustrare la complessità dell’argomento. I costi di
perforazione posso raggiungere, a seconda dei casi, L’output energetico e la dissipazione di energia sono
anche il 50 % del costo di investimento. In Fig. 16 è strettamente legate all’estrazione a cui è sottoposta la
riportato un grafico in cui questi costi sono stimati in risorsa. L’utilizzo del solo paradigma economico (es.
base alla profondità, secondo diverse relazioni scalabilità) risulta inefficace quindi, sia nella fase di
proposte in letteratura (Shevenell 2012). progettazione che di verifica, si vuole quindi
9M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
geo (e
dimostrare e provare a considerare il valore di m che risultano un po’ degli estremi di paragone rispetto
ai quattro impianti turchi qui descritti. Si tratta del ben
quindi anche la taglia stessa dell’impianto) come
noto impianto toscano di Valle Secolo, che produce
dipendente dal processo stesso di valutazione (anziché
più di 100 MW da vapore a circa 200 °C. L’altro
come input (se non solo di primo tentativo).
impianto di paragone estremo è un ciclo binario
Cin austriaco di piccola taglia (180 kW), ovvero Bad
Energy Blumau (Legmann 2003).
CI conversion penW
system Tab. 2: Dati principali degli impianti usati come
Cfuel confronto per i bilanci termoeconomici.
Cost balance
Impianto Potenza (MW) ηI (%) ηII (%)
Figura 17: Possibile schema per il bilancio Tuzla 5.2 14.06 57.7
termoeconomico di un sistema energetico.
Dora 1 6.5 12.2 45.9
La dissipazione di exergia (irreversibilità), ovvero la Dora 2 9.8 9.3 35.8
perdita di energia potenzialmente utile rispetto Kizildere 15.6 12.8 59
all’output dell’impianto viene quindi contabilizzata
come costo. In Fig. 17 è riportato uno schema per
l’interpretazione dei bilanci termoeconomici rispetto a 140 Effective cost
un sistema energetico (con considerazioni di questo 120 Maximum sustainable cost 116,7
98,3
tipo). CI è il costo delle irreversibilità, Cin è il costo 100
82,6
c€/kWh
iniziale descritto sopra, mentre come output si ha la 80
62,4
remunerazione (prezzo specifico) dell’energia 60 54,3
46,1
immessa in rete. Cfuel è invece il costo del 40
25,6
combustibile, nel caso di sistemi da fonte non 20 14,8
rinnovabile. Nel caso della geotermia Cfuel può essere 0
TUZLA DORA 1 DORA 2 KIZILDERE
considerato nullo, pur portando questa assunzione ad
eccessive semplificazioni. Si arriva ad un bilancio Figura 18: Stima dei fattori di costo
finale simile a termoeconomici degli impianti considerati.
Cin CI pen Eout [10] 1200 Power specific cost
982,6
1000
Il che ci porta a definire un costo massimo sostenibile 800
€/kW
Cmax, col quale confrontare il Cin, che dovrà essere 600 526,1
480,0
421,5
sempre minore, secondo la relazione 400
374,4
287,5
200
Cin Cmax pen Eout CI [11] 0
BAD TUZLA DORA 1 DORA 2 KIZILDERE VALLE
BLUMAU SECOLO
Si vede che ovviamente anche in questo caso ha un
grosso ruolo il valore che viene deciso per il prezzo Figura 19: Costo specifico rispetto alla potenza
specifico di acquisto dell’energia (pen), da parte della degli impianti considerati.
rete nazionale, e quindi delle norme e delle politiche
di incentivazione. Sia nel caso di sostenibilità termoeconomica
conseguita o meno, è possible calcolare una cosiddetta
4.3 Esempi di valutazioni di sostenibilità “potenza modificata”, a cui è necessariamente
termoeconomica associate una “portata modificata” (Tedesco 2013,
Un confronto fra questi fattori di costo è qui riportato Vaccaro 2013). Nel caso di situazione inizialmente
rispetto a quattro casi di impianti situati in Turchia. Si non sostenibile, la potenza modificata indica il valore
tratta degli impianti riportati in Tab. 2 (Coskun 2011, da dover conseguire per ripristinare la convenienza
Dagdas et al. 2005). Sono impianti a ciclo binario, economica secondo l’approccio termoeconomico alle
tranne Kizildere che è un impianto a ciclo combinato condizioni considerate. Nel caso di sostenibilità già
flash più ciclo binario bottoming. conseguita, essa indica il valore a cui ci si può
spingere nll'estrazione, pur continuando a sottostare
Nelle Fig. 18 sono riportati i confronti fra Cin e Cmax, alle richieste di sostenibilità termoeconomica, ma
si nota che gli impianti, almeno stando alle stime (per continuando a impoverire la risorsa ulteriormente. È
quanto molto conservative utilizzate nei calcoli, bene evidenziare come in questo secondo caso non sia
Tedesco 2013, Vaccaro 2013) risultano non sostenibili consigliabile spingere verso ritmi di sfruttamento
dal punto di vista termoeconomico. In Fig. 19 invece troppo severi, per evitare bruschi cali di produttività e
si riportano i costi specifici rispetto alla potenza, e mancato ripristino dei livelli ottimali nel serbatoio.
vengono anche confrontati con quelli di due impianti
10M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
4.4 Progettazione sostenibile: il contributo della geotermico secondo diversi scenari di sfruttamento
termoeconomia (O’Sullivan et al. 2001, Cacace et al. 2010, Franco e
Vaccaro 2012).
In questo lavoro si cerca di far capire come sia
fondamentale integrare la valutazione del potenziale 5. OSSERVAZONI SULLO SVILUPPO
geotermico e anche la progettazione degli impianti ATTUALE DELLA GEOTERMIA IN ITALIA
grazie ai contributi che vengono dalla simulazione dei
In molti paesi, così come in Italia, si stanno
serbatoi e dall’analisi (anche ambientale) ottenibile
sviluppando progetti finalizzati all’installazione di
grazie all’analisi termoeconomica (qui solo una
impianti a ciclo binario da fonte geotermica. La
piccola parte dei possibili tipi di analisi è descritta).
geotermia in Italia ha una lunga storia e tradizione
Un workflow possibile (iterativo) per illustrare e (Cataldi e Ciardi 2005). La produzione negli ultimi
schematizzare quanto esposto finora è riportato in Fig. decenni è sempre stata controllata in maniera
20. Se si pone l’analisi termoeconomica come primo monopolistica, fino alla liberalizzazione del mercato
step dello schema, si vede come il valore di primo (Decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79, “Decreto
Bersani”) e al Decreto Legislativo 11 febbraio 2010,
tentativo della taglia ( W ( I ) ) possa essere valutato e
n. 22. Nuovi soggetti si affacciano al mercato,
discriminato come più o meno sostenibile in base a
recentemente orientati alla geotermia o anche di
considerazioni di carattere non puramente economico,
capitale straniero. Circa 44 permessi di ricerca di
ma legate alle prestazioni e alla dissipazione di
risorse geotermiche sono presenti sul sito
exergia. Un ruolo chiave è quello assegnato alla
dell’UNMIG del Ministero dello Sviluppo Economico
simulazione numerica del serbatoio. Altri aspetti di
(http://unmig.sviluppoeconomico.gov.it/unmig/geoter
ingegneria energetica e di serbatoio concorrono poi
mia/titoli/titoli.asp). Sono invece circa 10, allo stato
alla valutazione graduale del progetto (perdite di
attuale, le istanze di permessi per la sperimentazione
fluido reiniettato, test con traccianti, etc.). Un
di “impianti pilota”. Questo elenco di dati per dare
approccio integrato viene quindi qui proposto,
alcune cifre su questo sviluppo industriale in atto,
mediante la condivisione di obiettivi e input comuni ai
anche se ancora un po' più lento di quanto si poteva
diversi ambiti. Si ritiene di proporre questo schema
prevedere, per esempio, solo 3 anni fa (in occasione
solo in caso di risorse a medio-bassa entalpia, dato che
del DL n. 22 2010).
gli impianti e i sistemi ad alta entalpia soffrono di
problemi diversi e in misura differente da quanto Probabilmente sia i player sul mercato, che i
descritto in questo lavoro. regolamenti e i centri di valutazione non hanno
percepito la complessità del tipo di utilizzazioni
Economic context,
.
Tgeo, zgeo, W(I) tramite ciclo binario. Un approccio multidisciplinare e
regulations
Iterative realmente orientato alla sostenibilità delle applicazioni
process non è ancora promosso, perché spesso uno dei settori
Thermoeconomic No
Cin < Cmax
fondamentali tende a prevalere sugli altri. La
unsustainability caratterizzazione della risorsa, come abbiamo visto, è
Yes fondamentale, così come l’ottimizzazione
Economic/thermoeconomic ingegneristica dell’impianto e la valutazione globale
sustainability dell’impatto sia sulla risorsa che sull’ambiente
esterno. Strumenti adeguati sono oggi disponibili (ad
esempio l'analisi exergoenvironomica), ma anche le
.
.
Tracer W, η, mgeo, Trein Reduction of mgeo Istituzioni di controllo e gli investitori devono fare
.
test Reinjction strategy Change wells siting proprie queste nozioni e analisi, supportate da una
Seepage Numerical simulation Resource
solida e sempre più diffusa letteratura scientifica.
Fluid losses of the reservoir decline
Un approccio solo economico, o solo geofisico (da
Comparison between parte dell’industria e del mercato) sembra non essere
Reduction of different scenarios perseguibile. Le politiche degli incentivi e le loro
.
.
mgeo, W
Change wells variazioni temporali condizionano lo sviluppo del
siting settore, che però difficilmente guarda ad una self-
Sustainability: Power plant
• environmental-reservoir Parameters sustainability economica durante la fase di
No • economic Yes optimization
progettazione. Una prospettiva più ampia è quindi
necessaria, per considerare nelle valutazioni il
comportamento del sistema geotermico nella sua
Figura 20: Workflow di progettazione e complessità e sostenibilità.
valutazione proposto per l’approccio
integrato. 6. CONCLUSIONI
Si vede qui bene come la simulazione numerica sia Gli impianti ORC (Organic Rankine Cycles) sono
importante per valutare le prestazioni del sistema considerati il sistema attualmente più efficiente per lo
sfruttamento delle risorse geotermiche a media
11M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
temperatura. La loro progettazione e il loro esercizio multidisciplinare, che fa il paio insieme
sono da sottoporre ad un’attenta fase che deriva dalla all’applicazione dei modelli numerici. Vengono fatte
valutazione del potenziale geotermico della zona alcune considerazioni sullo sviluppo attuale della
considerata. È opportuno che nell’analisi entri a far geotermia in Italia (in particolare sulle medie
parte il “sistema geotermico” costituito dall’impianto, temperature).
il serbatoio, l’ambiente e le loro interazioni (scambi di
massa ed energia). La progettazione sostenibile passa La sostenibilità di un progetto geotermico passa per
principalmente attraverso l’individuazione di un ritmo una valutazione che è necessariamente risultato della
di estrazione che sia adeguato al “sistema” nel suo mediazione e dell’integrazione fra diversi ambiti
complesso, evitando un’eccessiva estrazione, che disciplinari. È necessario che essi convivano, data la
comprometterebbe la durata dell’impianto e la complessità del fenomeno geotermico e la sua
durabilità della risorsa stessa. diffusione e storia. In questo lavoro si cerca di dare
un’idea generale degli studi coinvolti e alcuni schemi
Le efficienze di questi sistemi sono molto sensibili (workflow di Fig. 20) per una multidisciplinare analisi
rispetto a variazioni dei parametri di temperatura di sostenibilità.
esterni (estrazione, reiniezione, ambiente) e rispetto al
ΔT utile. Questo è marcatamente vero in caso di basse BIBLIOGRAFIA
temperature del fluido geotermico. La strategia di Antics, M.: Computer simulation of low enthalpy
reiniezione e i fenomeni di scaling sono fattori geothermal reservoirs, European Summer School
controllanti le variazioni di questi parametri (fatta on Geothermal Energy Applications, Oradea,
salva la temperatura dell’ambiente esterno, che Romania, Text Book (Rosca, M. ed.), (2001), 77–
influisce sui sistemi di raffreddamento e le loro 92.
dimensioni).
Aksoy, N.: Optimization of downhole pump setting
Viene proposto un approccio multidisciplinare e depths in liquid-dominated geothermal systems:
integrato alla progettazione e alla valutazione dei A case study on the Balcova-Narlidere field,
progetti geotermici, nonché per la valutazione del Turkey. Geothermics, 36, (2007), 436–458.
potenziale geotermico. La simulazione numerica dei
Axelsson, G.: Sustainable geothermal utilization e
serbatoi è uno strumento chiave di questo approccio,
Case histories; definitions; research issues and
in questo lavoro viene brevemente illustrato il suo
modelling, Geothermics, 39, (2010), 283–91.
ruolo e la sua importanza nella previsione del
comportamento dei serbatoi sotto determinate Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M.J.: Thermal
condizioni di sfruttamento. Dal punto di vista Design and Optimization, John Wiley & Sons,
tecnologico la standardizzazione degli impianti e delle (1996).
unità di produzione potrebbe condurre ad una
maggiore diffusione, così come è avvenuto nel caso di Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the
altre fonti rinnovabili (eolico), tuttavia alcuni elementi World 2005–2010 Update Report, Proceedings
importanti relativi sia alla tecnologia che alla risorsa World Geothermal Congress 2010, Bali,
vanno considerati e inseriti in una prospettiva che sia Indonesia.
appunto multidisciplinare. La simulazione numerica Brodyansky, V.M., Sorin, M.V., Le Goff, P.: The
applicata alla geotermia consente di sintetizzare ed efficiency of industrial processes: exergy analysis
elaborare dati di input/output comuni per la and optimization, Elsevier, 1994.
progettazione e la verifica, il suo ruolo è
fondamentale. Alcune sue limitazioni vengono qui Cacace, M., Kaiser, B.O., Lewerenz, B., Scheck-
discusse, ad esempio l’affidabilità dei risultati, che Wenderoth, M.: Geothermal energy in
dipende direttamente dall’accuratezza con cui sedimentary basins: What we can learn from
vengono scelti dati in ingresso e condizioni al regional numerical models, Chemie der Erde, 70,
contorno. Un limite superiore all’estrazione e allo (2010), S3 33–46.
sfruttamento della risorsa va individuato, sia grazie a Cataldi, R., Ciardi, M. (editors): Il calore della terra.
considerazioni puramente tecnologiche (bilanci Edizioni ETS, (2005).
sull’impianto) che rivolte al comportamento della
risorsa stessa. Cataldi, R., Muffler, P.: Methods for regional
assessment of geothermal resources. Geothermics,
Un approccio termoeconomico viene brevemente 7 (1978) 53–89.
introdotto (rimandando ad altre fonti per maggiore Corsi, R.: Scaling and corrosion in geothermal
chiarezza ed approfondimento). La sostenibilità equipment: problems and preventive measures,
classica di un impianto viene arricchita quindi
Geothermics vol. 15, no. 5/6, (1986), 839–856.
considerandone i flussi di energia ed exergia insieme a
quelli monetari (costi massimi e costi sostenuti), in Coskun, C., Oktay, Z., Dincer, I.: Modified
relazione alle dissipazioni e perdite, considerate come exergoeconomic modeling of geothermal power
costi. Ne deriva un’analisi più ricca e veramente plants, Energy, 36, (2011), 6358–6366.
12M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"
Dagdas, A., Öztürk, R., Bekdemir, Ş.: Kutahya, Renewable and Sustainable Energy
Thermodynamic evaluation of Denizli Kızıldere Reviews, 11, 2007, 497–511.
geothermal power plant and its performance
Kotas, T.J.: The Exergy Method of Thermal Plant
improvement, Energy Conversion and
Analysis, Krieger Publishing Company, (1995).
Management, 46, (2005), 245–256.
Lazzaretto, A., Tsatsaronis, G.: SPECO: A systematic
Diersch, H.-J.G., Kolditz, O.: Coupled groundwater
and general methodology for calculating
flow and transport: 2. Thermohaline and 3D
efficiencies and costs in thermal systems, Energy,
convection systems, Advances in Wafer
31, (2006), 1257–1289.
Resources, (1998), 401–425.
Legmann, H.: The Bad Blumau geothermal project: a
DiPippo, R.: Second Law assessment of binary plants
low temperature, sustainable and environmentally
generating power from low-temperature
benign power plant. Geothermics, 32, (2003)
geothermal fluids, Geothermics, 33, 2004, 565–
497–503.
86.
Moya, P., DiPippo, R.: Unit 5 bottoming binary plant
DiPippo, R.: Geothermal Power Plants: Principles,
at Miravalles geothermal field, Costa Rica:
Applications, Case Studies and Environmental
Planning, design, performance and impact,
Impact, Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2nd
Geothermics, 36, (2007), 63–96.
ed. New York, USA, (2008).
O’Sullivan, M.J., Pruess, K., Lippmann, M.J.: State of
Franco, A.: Power production from a moderate
the art of geothermal reservoir simulation,
temperature geothermal resource with
Geothermics, 30, (2001), 395–429.
regenerative Organic Rankine Cycles, Energy for
Sustainable Development, 15, 2011, 411–419. Porras, E.A., Tanaka, T., Fujii, H., Itoi, R., Numerical
Modeling of the Momotombo Geothermal
Franco, A., Vaccaro, M.: An integrated “Reservoir-
System, Nicaragua, Geothermics, 36, (2007),
Plant” strategy for a sustainable and efficient use
304–329.
of geothermal resources, Energy, 37, (2012), 299–
310. Porras, E.A., Tanaka, T., Fujii, H., Itoi, R., Numerical
Modeling of the Momotombo Geothermal
Franco, A., Villani, M.: Optimal design of binary
System, Nicaragua, Proceedings of the World
cycle power plants for waterdominated, medium-
Geothermal Congress, Antalya, Turkey, (2010),
temperature geothermal fields, Geothermics, 38,
paper #1139.
(2009), 379–91.
Porras, E.A., Bjornsson, G.: The Momotombo
Gnutek, Z., Bryszewska-Mazurek, A.: The
Reservoir Performance upon 27 Years of
thermodynamic analysis of multicycle ORC
Exploitation, Proceedings of the World
engine, Energy, 26, 2001, 1075–82.
Geothermal Congress, Bali, Indonesia (2010),
Hettiarachchi, HDM, Golubovic, M., Worek, WM, paper #0638.
Ikegami, Y.: Optimum design criteria for an
Pruess, K., Oldenburg, C., Moridis, G., TOUGH2
Organic Rankine Cycle using low-temperature
User’s Guide, Version 2.1. Earth Sciences
geothermal heat sources, Energy, 32, 2007, 1698–
Division, Lawrence Berkeley National Laboratory
706.
University of California, Berkeley, California
Huenges, E. (editor), Geothermal Energy Systems. (USA), 1999 (rev. 2012).
WILEY-VCH, (2010).
Rybach, L., Muffler, P. (Editors): Geothermal
Kanoglu, M.: Exergy analysis of a dual-level binary systems: Principles and Case Histories, John
geothermal power plant, Geothermics, 31, 2002, Wiley and Sons, (1981).
709–24.
Sanyal, S.K.: Cost of geothermal power and factors
Kaplan, U.: Organic Rankine cycles configuration. In: that affect it, Proceedings of the 29th Workshop on
Proceedings of the European Geothermal Geothermal Reservoir Engineering, Stanford,
Congress 2007, 30 May-1 June, Unterhaching, California (USA), (2004), SGP-TR-175.
Germany, 5 p., 2007.
Shevenell, L.: The Estimated Costs as a Function of
Kolditz, O., Ratke, R., Diersch, H.-J.G., Zielke, W.: Depth of Geothermal Development Wells Drilled
Coupled groundwater flow and transport: 1. in Nevada, GRC Transactions, 36, (2012), 121–
Verification of variable density flow and transport 128.
models, Advances in water resources, vol. 21, no.
Stefansson, V.: Investment cost for geothermal power
1, (1998), 27–46.
plants, Geothermics, 31, (2002), 263–272.
Kose, R.: Geothermal energy potential for power
Stefansson, V.: World Geothermal Assessment,
generation in Turkey: a case study in Simav,
Proceedings of the World Geothermal Congress,
Antalya, Turkey (2005), paper #0001.
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