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Camera di Commercio di Massa Carrara – EAMS
Giovedì 2 febbraio 2012
ENERGIA GEOTERMICA
Impianti geotermoelettrici e usi diretti
Ing. Maurizio Vaccaro
Università di Pisa – Department of Energy and Systems Engineering
[email protected]
1
Sommario
Camera di Commercio di Massa Carrara – EAMS
Giovedì 2 febbraio 2012
Introduzione
La risorsa geotermica
 Modello concettuale di un
serbatoio geotermico
 Aspetti tecnologici
Classificazione degli impianti
 Impianti a espansione diretta
 Impianti a flash e doppio flash
 Impianti a ciclo binario (ORC)
Usi diretti della geotermia
 Usi diretti del calore geotermico
 Impianti a pompa di calore geotermica
 Tipologie di geoscambiatori
 La situazione in Toscana
2
Introduzione
• Più di 100 anni di attività geotermica
• 700-800 MW potenza installata (su una richiesta
massima storica nel 2007 di 56,8 GW)
• 5500 GWh di energia prodotti ogni anno (su
circa 350000 GWh di fabbisogno nazionale) 3
Introduzione
80000
• Produzione e potenza installata
“marginale” rispetto alle altre
rinnovabili
12000
10715
70000
8933
60000
 Circa 10000 MW installati nel
mondo (solo in Germania più di
24000 MW di eolico)
7972
8000
55709
6833
49261
40000
6000
MW
GWh
50000
10000
67346
38035
30000
4000
20000
energia prodotta [GWh]
10000
potenza installata [MW]
0
1990
1995
2000
2005
2010
2000
0
2015
da R. Bertani, “Geothermal Power Generation in the World
2005–2010 Update Report”
• Impianti in grado di operare per
tempi molto lunghi rispetto alle altre
fonti rinnovabili
Calcolo della distribuzione dell’energia geotermica a livello
mondiale in funzione della temperatura della risorsa (da
Stefansson V., “World geothermal assessment”, Proceedings
World Geothermal Congress 2005)
4
La risorsa geotermica
Serbatoio geotermico: modello concettuale
Perché possa avvenire lo
sfruttamento dell’energia
geotermica devono sussistere
alcune condizioni elementari:
• intrusione magmatica
(corpo caldo in profondità)
• presenza di rocce
permeabili (serbatoio)
• circolazione di fluido
(affinché il calore delle
rocce possa essere
prelevato e sfruttato sulla
superficie)
5
La risorsa geotermica
Serbatoio geotermico: modello concettuale
formazioni rocciose
porose e fratturate
(impermeabili)
formazione di
celle di convezione
6
La risorsa geotermica
Diffusione mondiale degli impianti
per la produzione di energia da fonte geotermica
7
La risorsa geotermica
Serbatoio geotermico: modello concettuale
Schema dell’area geotermica di Larderello - Travale
8
La geotermia in Italia
Larderello 1904. La prima macchina
(un motore alternativo accoppiato ad
una dinamo), che ha prodotto elettricità
sfruttando il vapore geotermico.
Nella foto, il Principe Piero Ginori
Conti, succeduto a Francesco Larderel
nella proprietà dell’industria boracifera.
“Lagone coperto” a Larderello,
all’interno di queste strutture in mattoni
erano raccolte e fatte evaporare le
acque boriche.
9
La risorsa geotermica
Classificazione dei serbatoi geotermici in base al
contenuto energetico
(bassa – media – alta entalpia)
10
La risorsa geotermica – Classificazione dei campi
Classificazione dei serbatoi geotermici
in base al fluido estratto
Campi a vapore
 Solo 6 nel mondo: Italia (Larderello ), USA (Geysers, CA), Islanda, Indonesia, Nuova Zelanda
 Sistema di condensazione a liquido
 Impatti ambientali elevati (CO2, H2S, inquinamento termico)
Liquido a T > 160 °C
 Flash : Sistema di condensazione a liquido
 Possibilità di combinazione flash - binario
Liquido 100 °C < T < 160 °C
 Impianti a ciclo binario (ORC)
Campi a vapore dominante
- Vapore 90% - 98%
- Gas 2 % - 10%
Campi ad acqua dominante
- Fase liquida 20% - 100% del
totale estratto
 100% rigenerazione dei pozzi
 Possibilità di utilizzazione condensatori ad aria (torri evaporative a secco)
 Ridotte emissioni inquinanti
 Elevati costi di istallazione
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a espansione diretta
 Espansione diretta del vapore estratto a pressione atmosferica o
inferiore
 Impiantistica tradizionale degli impianti a vapore (taglie
impiantistiche standard 10-20-40-60 MW)
Impianti con separazione del vapore
 Impianti a singolo flash
 Impianti a doppio flash
 Impianti a ciclo combinato
(flash + binario)
Impianti a ciclo binario
 Fluido geotermico completamente reiniettato
 Emissioni nulle di sostanze nell’ambiente
 Problema del raffreddamento a secco e consumo degli ausiliari
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a espansione diretta
T
G
vapore
acqueo
condensatore
Torre di
reffreddamento
a umido
pozzo di
prelievo
pozzo di
reiniezione
13
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a espansione diretta
Alla rete elettrica
Turbina ad espansione
diretta del vapore estratto
Sistemi per condensazione e
raffreddamento
Sistemi di estrazione degli
incondensabili (aria, CO2, H2S)
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
separatore
flash
Impianti a separazione del vapore (flash singolo)
T
G
vapore
acqueo
condensatore
Torre di
reffreddamento
a umido
pozzo di
prelievo
pozzo di
reiniezione
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a separazione del vapore (flash singolo)
Turbina ad espansione del vapore estratto
500
T (°C)
400
pmax
300
200
1
pint
4
3
2
100
pcond
6
5
0
0
2
4
6
8
10
s (kJ/ kg K)
Separatore
Sistemi per condensazione
e raffreddamento
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a separazione del vapore (flash doppio)
separatore
flash
separatore
flash
T
pozzo di
prelievo
T
G
vapore
acqueo
condensatore
Torre di
reffreddamento
a umido
pozzo di
reiniezione
17
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a separazione del vapore (flash doppio)
alla rete elettrica
Separatori
(a flash)
Stadi di turbine di alta
e bassa pressione
e generatore
Condensatore
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Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianto di perforazione e uscita
controllata di vapore da un pozzo
geotermico produttivo (Larderello)
Centrale geotermoelettrica “Valle Secolo” (Larderello)
Pozzo di vapore e vapordotto (Larderello)
19
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianto dry-steam da 1500 MW
di The Geysers, California
20
Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC)

Possibilità di sistemi modulari (prospettiva di standardizzazione e
maggiore diffusione)

Costruttori: ORMAT, Turboden, UTC, Mafi Trench, Cryostar

Possibilità di utilizzo in impianti geotermici a ciclo combinato

ORC – Tecnologia utilizzata per cicli “bottoming” per recupero di calore e
cascami termici (anche da altre fonti rinnovabili, es.: biomasse)

Soluzioni per il raffreddamento: a secco o con torri a umido
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Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC)
• L’attenzione viene sempre più rivolta a
giacimenti a temperature inferiori
• Le prestazioni degli impianti ORC sono
fortemente condizionate da
ΔT = (Tprelievo - Treiniezione) e portata
• La T di reiniezione è limitata inferiormente dai
fenomeni chimici di scaling (deposizione chimica)
• La corretta caratterizzazione della risorsa è tanto
più importante nel caso di impianti a ciclo binario (a
media entalpia), le cui prestazioni e la cui
operatività risentono maggiormente delle variazioni
dei parametri esterni
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Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC)
Impianti a ciclo binario nel mondo
numero impianti
> 200
potenza installata [MW]
> 1150
energia prodotta [TWh]
>6
23
Impianti a ciclo binario (Organic Rankine Cycle, ORC)
24
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Impianti a ciclo combinato
separazione di vapore + Organic Rankine Cycle (ORC)
unità ORC
Schema del diagramma di flusso dell’impianto di Svartsengi (Islanda)
25
Problemi tecnologici
 Fenomeni di deposizione chimica (scaling):
incrostazioni e intasamenti
 Danneggiamento delle parti a contatto; riduzione
della portata; corrosione
 Metodi di inibizione chimica
 Metodi di inibizione meccanica
 Metodi di rimozione meccanica
Strategie di coltivazione e di reiniezione
Reiniezione
Garantire la ricarica del serbatoio,
consentire la rinnovabilità della risorsa
Stimolazione
Migliorare l’estrazione e la produttività
(iniezione di acqua in pressione e
miscele acide)
26
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Hot Dry Rocks (Rocce calde secche) e sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems)
27
Impianti geotermici per la produzione di energia elettrica
Hot Dry Rocks (Rocce calde secche) e sistemi EGS (Enhanced Geothermal Systems)
Sperimentazione in Europa – Il più importante progetto R&D di sistema EGS europeo si trova in Francia,
a Soultz-sous-Fôret. Recentemente è stato connesso alla rete elettrica un impianto dimostrativo da 1,5
MW. Sperimentazioni in corso sui sistemi a “tripletto” (2 pozzi produttori e 1 reiniettore)
Si stimano 125000 km2 di superficie (Europa
occidentale) con T > 200 °C a circa 5000 m
di profondità
(fonte: Geothermie Soultz)
Soultz
28
Problemi tecnologici e ambientali
Caratteristiche chimiche del vapore geotermico
Pressione:
Temperatura:
Percentuale di incondensabili:
Portata:
SPECIE INCONDENSABILE
5-10 bar
150-250 °C
5 % in volume
100-250 t/h
VOLUME (%)
CO2
Anidride carbonica
80-95
H2
Idrogeno
2-5
CH4
Metano
4-8
N2
Azoto
1 -3
H 2S
Acido solfidrico
1-2
Altri componenti: O2, Hg, HCl, HF, As, NH3, H3BO3
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Problemi tecnologici e ambientali
 Impatto visivo
 Inquinamento acustico
 Fenomeni di subsidenza
 Inquinamento atmosferico
•
Acido solfidrico (H2S)
•
Mercurio (Hg)
•
Arsenico (As)
Reiniezione
soglia olfattiva molto bassa
(cattivo odore): 0,7 μg/m3
Sistemi di
abbattimento
30
Problemi tecnologici e ambientali
Sistemi di
abbattimento tipo
AMIS
H2S nel fluido geotermico
H2S nel
condensato
H2S negli
incondensabili
(20 %)
(80 %)
Hg nel fluido geotermico
31
Usi diretti della geotermia

La pratica industriale e
tecnologica degli usi diretti del
calore geotermico ha
storicamente prodotto
numerosissime soluzioni
applicative

Corpi acquiferi di interesse per gli
usi diretti (anomalie
geotermiche) sono presenti in
Italia, in regioni come la Toscana,
il Lazio, la Campania, l’EmiliaRomagna

Le utilizzazioni tramite impianti a
pompa di calore possono essere
applicati praticamente ovunque,
senza bisogno di ricadere in aree
caratterizzate da anomalie
geotermiche o intrusioni di corpi
magmatici
32
Usi diretti della geotermia
Teleriscaldamento
scambiatore di
calore
75 °C
Utenze civili o
industriali
(calore di
processo)
55 °C
80 °C
60 °C
Unità di backup
(o di copertura picchi)
pozzo di
prelievo
pozzo di
reiniezione
33
Usi diretti della geotermia
Teleriscaldamento
Pompaggio
Schema semplificato del sistema di riscaldamento geotermico di un
complesso di edifici a Reykjavik, Islanda (da Gudmundsson, 1988).
34
Usi diretti della geotermia
Agricoltura (serre) e allevamento
Curve di accrescimento di alcune
verdure (da Beall e Samuels, 1971).
Effetti della variazione di temperatura
sulla crescita e produzione animale (da
Beall e Samuels, 1971).
35
Usi diretti della geotermia
Pompe di calore geotermiche
36
Usi diretti della geotermia
Pompe di calore geotermiche
37
Usi diretti della geotermia
Pompe di calore - Sonde geotermiche verticali
38
Usi diretti della geotermia
Pompe di calore - Sonde geotermiche orizzontali e a spirale
39
Usi diretti della geotermia
Caratteristiche del suolo
vanno effettuate opportune
prove sito per sito:
GROUND RESPONSE TEST
THERMAL RESPONSE TEST
40
Usi diretti della geotermia
Pompe di calore
ATES – Aquifer Thermal Energy Storage
41
Usi diretti della geotermia
Pali di fondazione per lo scambio di calore col terreno
42
Usi diretti della geotermia
La situazione in Toscana
Potenza termica installata per provincia
Fonte UGI – Quaderno n. 1
“Pompe di calore geotermiche
in Toscana”
Potenza termica
installata
Richieste di autorizzazione per provincia
43
Usi diretti della geotermia
La situazione in Toscana
Fonte UGI – Quaderno n. 1 “Pompe di calore
geotermiche in Toscana”
Tipo di geoscambiatore (classificazione per provincia)
44
Usi diretti della geotermia
La situazione in Toscana
Fonte UGI – Quaderno n. 1 “Pompe di calore
geotermiche in Toscana”
Destinazione d’uso (classificazione per provincia)
45
Grazie per l’attenzione
46