COSA E' UN CAMPO GEOTERMICO?
Un campo geotermico, puo' definirsi come “un sistema acqueo convettivo, che, in uno spazio confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica al luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso e' assorbito (disperso o utilizzato)” (Hochstein, 1990).
Rappresentazione schematica di un sistema geotermico
Fonte immagine: https://www.treccani.it/export/sites/default/Portale/sito/altre_aree/Tecnologia_e_Scienze_applicate/enciclopedia/italiano_vol_3/595-610_ita.pdf
La temperatura interna del nostro pianeta aumenta man mano che si scende in profondita'. L'aumento di temperatura con la profondita' e' denominato gradiente geotermico e vale mediamente:
Nella crosta terrestre, ad una profondita' di (1-4) km, esistono alcune zone dove il gradiente geotermico e' sensibilmente superiore a quello medio. Questo fenomeno e' da attribuire alla presenza di masse fluide o gia' solidificate in via di raffreddamento, oppure e' da associare a particolari situazioni idrogeologiche che hanno permesso al calore di accumularsi. Un campo geotermico si trova prevalentemente in regioni con gradiente geotermico superiore al valore medio; queste zone sono caratterizzate da una vasta gamma di temperature i cui valori massimi sono ben superiori ai 400°C. E' possibile comunque la formazione di un campo getermico in regioni con gradiente geotermico normale, a profondita' piu' basse e con temperature che non superano di solito i 100°C.
Un campo geotermico si compone sostanzialmente di tre elementi:
la sorgente di calore - puo' essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta (>600°C) che si e' posizionata ad una profondita' di (5-10) km; oppure, come accade in certi sistemi geotermici a bassa temperatura, puo' trattarsi del normale calore della Terra.
il fluido geotermico - e' il mezzo che trasporta il calore. A formare i fluidi geotermici e' prevalentemente l'acqua meteorica che, penetrando nel sottosuolo, si riscalda per effetto delle masse calde che incontra. Quando l'acqua meteorica raggiunge uno strato di roccia impermeabile, da' luogo alla formazione di acquiferi caldi, detti “serbatoi geotermici”. Questi serbatoi possono essere considerati delle vere e proprie riserve naturali d'acqua, la cui temperatura puo' superare i 300°C.
il serbatoio - si tratta di un complesso di rocce calde permeabili, dove i fluidi possono circolare assorbendo il calore. Nei serbatoi geotermici l'acqua, oltre ad essere presente allo stato liquido, si presenta anche nello stato di vapore, prodotto per l'effetto del calore delle rocce. Tali serbatoi possono rimanere confinati ed in pressione grazie ad una copertura rocciosa impermeabile, percio' sono in grado di fornire un elevato contributo energetico. Il serbatoio e' connesso a zone di ricarica superficiali, dalle quali le acque meteoriche provvedono a sostituire totalmente o parzialmente i fluidi (acqua e/o vapore) che si perdono attraverso alcune manifestazioni geotermiche naturali, come per esempio: sorgenti idrotermali, soffioni, geysers e fumarole. Le acque meteoriche possono anche rimpiazzare i fluidi che, attraverso trivellazioni di pozzi profondi qualche chilometro, vengono estratti dal sottosuolo al fine di essere utilizzati per la produzione di energia elettrica o termica. Le zone della crosta terrestre dove si formano con maggiore probabilita' i serbatoi geotermici sono quelle attive dal punto di vista vulcanologico. In queste zone e' sufficiente raggiungere profondita' non superiori a 3000 metri per trovare acqua calda ad una temperatura superiore a 150°C.
INDIVIDUAZIONE DEI CAMPI GEOTERMICI
L'individuazione dei campi geotermici avviene attraverso 4 fasi principali:
1. Esplorazione superficiale - consiste in indagini geologiche, geofisiche e geochimiche del terreno preso in esame.
2. Perforazione di pozzetti esplorativi - in questa fase si effettuano anche misure del gradiente di afflusso di calore dagli strati piu' superficiali della crosta terrestre.
3. Esplorazione profonda - questo tipo di esplorazione permette di verificare la presenza di fluidi idonei alla produzione di energia elettrica o termica.
4. Sperimentazione a carattere chimico-fisico - in questa fase si valutano le potenzialita' di produzione di energia dei fluidi geotermici che sono stati individuati nella fase di esplorazione profonda.
Una volta portate a termine le quattro fasi descritte inizia l'attivita' di sviluppo del campo, che consiste nella perforazione dei pozzi necessari a rendere disponibile il fluido geotermico per il suo impiego.
TIPOLOGIA DI SORGENTI GEOTERMICHE
Sistema geotermico a vapore dominante:
Le sorgenti di energia geotermica, in base alla morfologia, possono essere classificate in:
1. SORGENTI IDROTERMICHE: la sorgente si trova a profondita' non eccessive (1000-2000 m). I sistemi idrotermici sono gli unici sistemi geotermici sfruttati su scala industriale per la produzione di energia elettrica, ma anche per l'utilizzo diretto del calore dei fluidi geotermici. Sono costituiti da serbatoi geotermici ricoperti da rocce impermeabili e contenenti acqua che puo' trovarsi nello stato liquido e/o di vapore, a seconda delle condizioni di pressione e di temperatura. Tali sistemi si possono distinguere in:
Caratteristica: acqua allo stato liquido responsabile della pressione nel serbatoio geotermico.
Temperatura: 125°C <T< 225°C.
Diffusione: sono le sorgenti piu' diffuse al mondo.
Risorsa in funzione della temperatura e della pressione: acqua calda, vapore e acqua calda, vapore umido ed in alcuni casi vapore secco.
Caratteristica: vapore (misto ad acqua) responsabile della pressione nel serbatoio geotermico.
Temperatura: T>225°C.
Diffusione: sono piuttosto rari ed anche i migliori sistemi per la produzione di energia elettrica. I piu' conosciuti sono quelli di Larderello (Toscana-Italia) ed il campo geotermico “The Geysers” (California-Stati Uniti d'America).
Risorsa: vapore secco o surriscaldato.
- Sistemi ad acqua dominante
- Sistemi a vapore dominante
2. SORGENTI GEOPRESSURIZZATE: sono giacimenti molto profondi (3000-10000 m) e l'acqua contenuta e' a pressioni molto elevate (oltre 1000 bar) e ad una temperatura di 160°C. Si puo' produrre energia termica ed idraulica (acqua calda in pressione) e gas metano. Questa risorsa e' stata studiata in modo approfondito, ma non si e' raggiunto ancora un livello applicativo nel settore industriale.
3. SORGENTI PETROTERMICHE o HDR (Hot Dry Rock): la sorgente si trova a profondita' modeste ed e' composta da rocce calde secche impermeabili (senza acqua) a 150-290°C. Circa l'85% delle risorse geotermiche sono di questo tipo, ma, a causa dell'assenza dell'acqua necessaria per la produzione di energia termica, sono di difficile sfruttamento. Il loro utilizzo e' possibile solo tramite fratturazione idraulica artificiale delle rocce calde e circolazione forzata del fluido. In pratica, attraverso un pozzo appositamente perforato, viene pompata acqua ad alta pressione in una formazione di roccia calda compatta, provocando cosi' la fratturazione idraulica della roccia. L'acqua penetra e circola nelle fratture prodotte artificialmente ed estrae l'energia termica dalle rocce circostanti che funzionano da serbatoio naturale. Il serbatoio viene poi raggiunto da un secondo pozzo, usato per estrarre l'acqua che ha assorbito calore. In definitiva, un sistema geotermico HDR e' formato da:
un pozzo utilizzato per la fratturazione idraulica, attraverso il quale e' iniettata acqua fredda nel serbatoio artificiale;
un pozzo per l'estrazione dell'acqua calda;
l'impianto di utilizzazione presente in superficie.
L'intero sistema forma un circuito chiuso, evitando cosi' ogni contatto tra il fluido e l'ambiente esterno.
Rappresentazione schematica di un sistema geotermico artificiale (Rocce Calde Secche).
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RISORSE GEOTERMICHE
La tabella riporta una distinzione delle risorse geotermiche in base all'entalpia*:
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ENTALPIA |
TEMPERATURA DEI FLUIDI |
SETTORE DI UTILIZZO |
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Risorse geotermiche a bassa entalpia |
T<90°C |
Uso diretto del calore per scopi terapeutici, termali e balneari, ma anche nei settori dell'agricoltura e dell'itticoltura, in processi industriali che richiedono essiccazioni, sterilizzazioni e distillazioni, nel riscaldamento e nel raffrescamento di ambienti con l'utilizzo di pompe di calore ed infine in impianti di teleriscaldamento. |
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Risorse geotermiche a media entalpia |
90°C<T<150°C |
Impieghi diretti ed indiretti del calore. In quest'ultimo caso si utilizzano sistemi a ciclo binario atti a produrre energia elettrica, nei quali il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare un fluido secondario di lavoro, solitamente organico, con basso punto di ebollizione ed elevata pressione di vapore a bassa temperatura. |
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Risorse geotermiche ad alta entalpia |
T>150°C |
Uso indiretto del calore con fluidi geotermici usati in cicli di produzione di energia elettrica. |
*L'entalpia in Termodinamica e' una grandezza che esprime l'energia che un sistema fluido puo' scambiare con l'ambiente esterno. E' data dalla somma tra l'energia interna U del sistema fluido ed il prodotto tra la pressione p ed il volume V del fluido: H=U+pV.
IMPIEGO DELLE RISORSE GEOTERMICHE
La produzione di elettricita' rappresenta la forma di utilizzazione piu' importante delle risorse geotermiche ad alta temperatura (›150°C). Le risorse geotermiche a temperature medio-basse (‹150°C) coinvolgono invece ampi settori di impiego.
Il classico diagramma di Lindal (Lindal, B., 1973) mostra in maniera dettagliata il possibile utilizzo dei fluidi geotermici alle varie temperature:
Fonte immagine: http://pubs.sciepub.com/rse/4/1/4/figure/2