Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare

Pagina creata da Chiara Serafini
 
CONTINUA A LEGGERE
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
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
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                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
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"

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
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                                                         Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"

5, la fase utile del ciclo è la trasformazione di                                                                                                                    Wnet
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
                                            Wnet                                                                         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
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                               Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"

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

                                                                                                                                             5
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                                                             Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"

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
Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
M. Vaccaro (2013) – Lo sviluppo sostenibile della geotermia in Italia: un approccio multidisciplinare
                                Partecipazione a "PREMIO UGI per la Geotermia"

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

                                                                                                                    7
M. 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
8
M. 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

                                                                                                                              9
M. 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
10
M. 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
                                                                                                                                   11
M. 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.

12
M. 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.
                                                                                                               13
Puoi anche leggere