GG-energia 14

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GG-energia 14

Geologia e Georisorse Modulo II Georisorse Georisorse
Energia
Sergio Rocchi
Dipartimento di Scienze della Terra
Via S. Maria, 53
Mail: [email protected]
Lezioni: http://www.dst.unipi.it/dst/rocchi/SR
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georisorse
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fonti di energia primaria
• risorse vitali
• aria
• acqua
• suolo
• risorse energetiche
• combustibili fossili
• elementi fissili
• calore terrestre
• risorse materiali
• metalli
• minerali, rocce, gas
Craig et al. (2011)
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georisorse
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energia: risorse globali
Press et al. (2006)
short ton = 2000 pounds = 907 kg
barrel: 42 US gallons (35 imp gal; 159 l)
quad: unit of energy equal to 1015 (quadrillion) BTU = 1.055 × 1018 joules (EJ, exajoule)
The global primary energy production in 2004 was 446 quad = 471 EJ
Press et al. (2006)
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energia: uso vs. produzione
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energia: uso pro-capite
Press et al. (2006)
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energia: uso per sorgente
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energia vs. elettricità
USA, energy supply
Press et al. (2006)
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il carbone nella storia
• riferimento più antico: greco Teofrasto (c. 371–287 a.C.)
• età del Bronzo (3000–2000 a.C.), Inghilterra: carbone affiorante usato
in pire funerarie
• c. 200 d.C., Britannia: Romani sfruttavano e commerciavano il carbone
lungo un canale di 140 km, per utilizzarlo nell’essicazione del grano e
per la lavorazione del ferro
• età Romana, valle del Reno: carbone usato per riduzione ferro
• XIII sec, Londra: carbone usato per cottura calce
• Rivoluzione Industriale, Inghilterra (>80% del carbone globale estratto)
uso grande scala del carbone
• 1947, Inghilterra: 750,000 minatori in circa 1800 miniere
• 2004: Inghilterra: 5,000 minatori in circa 20 miniere
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energia e geologia
Non è oggigiorno parte d'Europa, dove non si ricorra alla sapienza de'
geologi per cercare le sotterranee ricchezze.
E chi a questa impresa si pone senza consultare innanzi l'oracolo della
Geologia, corre rischio di vedere con danno deluse le sue speranze.
L. Pilla, 1839
Paolo Savi
1798-1871
Leopoldo Pilla
1805-29.5.1848
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energia nel Granducato di Toscana
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energia dal carbonio organico
• Leopoldo II Asburgo-Lorena II & Theodor Haupt
• sviluppo industriale e siderurgico e dei trasporti della Toscana:
carbone di qualità!
• Paolo Savi
• carbone della Maremma: bacini limitati, età Terziaria = lignite
• Leopoldo Pilla
• Maremma: litantrace, nostante l’età Terziaria
• Toscana: Sassonia d’Italia
• abbandono teoria proprietà del suolo usque ad infera
Press et al. (2006)
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ciclo del C e combustibili fossili
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carbone fossile (coal)
• readily combustible organoclastic
sedimentary rock
• composed mainly of lithified plant
remains
• contains > 50 wt% carbonaceous
material
Craig et al (2011)
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carbone (coal): genesi
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carbone del Carbonifero
• Carbonifero
• delta fluviali (birdfoot deltas)
• molte
piattaforme
continentali =
mari bassi =
delta fluviali
• sbocco di fiumi su piattaforme continentali
Evans (1997)
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Craig et al (2011)
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20
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• carbone umico
• in alcuni sedimenti di ambiente palustre/lagunare/deltizio i materiali organici (piante)
raggiungono abbondanze molto elevate
• le parti solide di queste piante subiscono un tipo di diagenesi detto carbonizzazione:
processo biochimico (prima ossidante, poi riducente) e successivamente fisico
(costipazione, perdita di acqua e arricchimento in C)
• CARBONI FOSSILI
• torba, C ≈ 60%
• lignite, C ≈ 70-75%
• litantrace, C ≈ 90%
• antracite, C ≈ 100%
• carbone sapropelitico
• alghe
• spore
• materiale vegetale fine
Press et al. (2006)
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carbone fossile (coal): classificazione
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carbone: classificazione
carbone umico
peat
torba
brown coal
lignite
carbone giovane
xiloide
fattore di
compattazione
%C
energia
MJ/kg
10
60
25
2
70
30
• PARAMETRI
• carbonio, idrogeno, ossigeno
• diagramma di van Krevelen
picea
bituminous
(hard) coal
basso grado
litantrace
(carbone
coking
fossile s.s.) alto
grado
steam
1
80-90
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anthracite
antracite
1
90-95
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Craig et al (2011)
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carbone: classificazione
coal reserves
• reserve estimates
depend on
production cost vs
prices
• PARAMETRI
• carbonio
• idrogeno
• volatili
• energia
Barnes (1988)
world reserves
coal
tar sands
and oil sands
oil
nuclear fuels
109 tons
(coal equivalent)
10,125
1,080
647
> 200
Press et al. (2006)
Evans (1997)
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carbone: estrazione
• estrazione in superficie (open pit mining)
• estrazione in sottosuolo (underground mining)
• estrazione a carotaggio (auger mining)
carbone: estrazione
estrazione in superficie
• estrazione in superficie
(open pit mining)
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strip mining
• economico rapporto
spessore materiale da
rimuovere : strato carbone
(coal seam) < 20:1
contour mining
http://www.uky.edu/KGS/coal/coal_mining.htm
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carbone: estrazione
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carbone: estrazione
estrazione in sottosuolo
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auger mining
• room and pillar mining
• ricupero 40-60%
• strati orizzontali
• strati poco inclinati
(<30-35°)
• ricupero ~ 50%
• longwall mining
• ricupero 100%
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carbone: impatto ambientale
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estrazione - open pit
estrazione underground
• durante
• durante
• dopo
• condizioni lavoro
• inalazione polveri
• esplosioni di metano
• incendi
• collassi tetto
• devastazione paesaggio
Funshun coal mine
(NE China)
6 x 2 km
• subsidenza incontrollata
• subsidenza controllata
(longwall mining), < 50%
spessore carbone estratto
• dopo
• devastazione paesaggio
• miglioramenti legislativi
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32
32
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estrazione
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combustione - residui solidi
• drenaggi acidi di
miniera
• interazione dell’acqua
con carbone ricco di
S e minerali di S nel
carbone (pirite e
marcasite)
• reazione di
ossidazione dei
composti dello zolfo
• generazione di una
soluzione acquosa di
acido solforico
(H2SO4)
• ceneri: residuo non organico della combustione
• fly ash: fine, catturata da controllori di emissione (elettrostatici, filtri)
• cemento portland (composizione simile alla cenere vulcanica usata nel
cemento pozzolanico dei Romani), materiali da costruzione, asfalto,
riempitivo, (plastiche, stampi per metalli)
• bottom ash: ceneri agglomerate, porose; base della fornace
• calcestruzzo alleggerito, riempitivo strutturale, aggregati stradali
• bottom ash: boiler slags: ceneri fuse-congelate
• pellets neri di dimensioni uniformi, duri, resistenti all’abrasione
• asfalti, riempitivo strutturale, calcestruzzi
• World-wide coal combustion products network: http://www.wwccpn.org/
• ricliclaggio ceneri di carbone nel 2008 in USA: 45%
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il petrolio nella storia
combustione - residui gassosi
• immissione CO2 in atmosfera
• aumento effetto serra
• immissione SO2 in atmosfera
• piogge acide
• S in carbone = 0.2-7 %: circa metà nei “macerals”, metà in
pirite e marcasite
• S di ciminiera
•impianti termoelettrici equipaggiati con “desulfurizzatori”:
reazione di SO2 con carbonati a produrre gesso desolfatato
•produzione gesso sintetico per carton gesso, cementi
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• gas naturale
• olio
• Cina - condotte di bambù
(problema trasporto), boiler per
evaporazione salamoie (sale)
• Egizi: mummificazione
• 1000 a.C. - Gerico, Mesopotamia:
malta edilizia, impermeabilizzazione
• 1000 d.C. - Arabi: distillazione
kerosene, dimenticata fino al 1852
• medioevo - Bizantini: fuoco greco
• 1859 - primi pozzi (Azerbaijan,
Pennsylvania) + Romania, Italia
• 1908 - Iran
• 1927 - Iraq
• 1938 - Arabia Saudita
• 1965 - Mare del Nord
• 1968 - Alaska
• manufactured gas
• XVIII sec - distillazione carbone,
facile trasporto: Belgio, Inghilterra
per illuminazione
• prima metà del ‘900: gasdotti
(pipelines) e liquefazione per
trasporto marino
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petroleum
petrolio - chimica
• naturally occurring hydrocarbons
• natural gas
• dry gas (senza olio): metano
• wet gas (con olio): metano + etano, propano, butano
• crude oil (greggio)
• alkanes and cycloalkanes hydrocarbons (80%)
• aromatic hydrocarbons
• some solids
• non hydrocarbons (impurities)
•benzina
• ash
• He, H, N, CO2
• S, H2S (sour crude vs sweet crudes)
• heavy metals: Ni,V
• petrol (British)
• gas - gasoline (US)
Barnes (1988)
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origin of oil and gas
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natura materia organica
abbondanza materia organica
• kerogene: precursore degli idrocarburi del petrolio
tipo di kerogene H/C O/C precursore ambiente
• C nella roccia sorgente
tipo petrolio
I sapropelitico alto
basso alghe di acqua lacustre
olio di alta qualità,
dolce
clima caldo waxy leggero
II planctonico
misto
medio alghe marine
plancton
batteri
III umico
alto
basso
alto
spore, pollini,
frammenti di
piante
marino
tropicale
olio medio e
pesante, low wax,
parte gas
terrestre
palustre/
costiero
principalmente gas,
parte waxy oil
• waxy oil: contiene idrocarburi paraffinici “waxy” (C18 - C36) e naftenici (C30 - C60),
solidi a T ambiente, iniziano a fondere a circa 37°C
39
• minimo teorico: 0.4%
• minimo osservato: 0.8-2%
• migliore: 10%
• conversione materia
organica in petrolio: ≤
70%
• migrazione dalla roccia
sorgente non totale
40
40
41
oil window
generazione
• materia organica intrappolata in
sedimenti fini (argillosi), evita
ossidazione
gradiente termico (°C/100m)
• oil window
1
• intervallo termo-barico
particolare in cui l’olio si può
generare e preservare
• importante il gradiente
geotermico
• T≈50-145°C, P=0.03-0.15 GPa (1-3.5 km):
perdita H2O e CO2, formazione
idrocarburi a catena lunga (heavy oil),
che all’aumento di T si decompongono
(thermal cracking) a formare idrocarburi
a catena più corta (light oil + wet gas)
1
• fattore importante, che può
far procedere la maturazione
anche a T più basse
• T>230°C (metagenesi): tutti gli
idrocarburi distrutti, H perso, tutto C è
grafite = metamorfismo
maturazione - evoluzione
van Krevelen diagram
4
oil
window
5
per
di Tlio
o
l
o
l
a
i
erv z. d
int nera
ge
5
7
8
41
gas
biogenico
4
6
• maturazione
Barnes (1988)
3
3
• tempo
• T>200°C, P>0.15 GPa: l’olio si trasforma
in gas secco
2
2
profondità (km)
• diagenesi della argillite (roccia madre):
decomposizione materia organica da
batteri anaerobici: produzione metano
biogenico + trasformazione in kerogene
42
gradienti
geotermici
naturali
42
43
genesi del giacimento
44
oil migration
• petrolio nella roccia madre troppo disperso
• primary migration
• effetto sovrapressione
• il petrolio si sposta dalla roccia madre verso l’alto
o verso il basso
• secondary migration
• migrazione verso l’alto attraverso rocce porose
(arenarie) o fratturate (carbonati)
• accumulo in una trappola (trap) stratigrafica/
strutturale (reservoir = serbatoio)
• serbatoio
• rocce permeabili per porosità (arenarie)
• rocce permeabili per fratturazione o
dissoluzione (carbonati)
• sigillatura da rocce impermeabili
Evans (1997)
43
44
Barnes (1988)
45
traps & reservoirs
46
traps & reservoirs
Barnes (1988)
Press et al. (2006)
45
traps & reservoirs: tabular intrusions
• sill intrusions in sedimentary basins
46
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oil & gas fields
• giacimenti di petrolio: zone di prolungato accumulo di sedimenti
• ofshore North Sea, Newfoundland, Senegal,Yellow Sea
• unconventional traps
• hydrocarbon maturation
Lee et al. (2006)
Evans (1997)
47
48
riserve
49
reserves
olio e gas nell’Oceano Artico
• stima geologica probabilistica
USGS area a nord del Circolo
Polare Artico
• ca. 30% of the world’s
undiscovered gas (Russia)
• ca. 13% of the world’s
undiscovered oil
• mostly offshore under less than
500 m of water
• oil resources important to the
interests of Arctic countries
• not sufficient to substantially shift
the current geographic pattern of
world oil production
• riserve
• oil in place: volume totale di
olio di un giacimento
• proven reserves: ≥ 85%
probabilità di esistenza
• probable reserves: ≤ 15%
probabilità di esistenza
gas
oil
49
riserve
olio e gas nell’Oceano Artico
50
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unconventional sources
• tar sands
• oil shales
• gas shales
• gas hydrates
• coal fuels
• biofuels
Pease et al. (2011)
51
50
52
53
tar sands
54
oil shales
• argilliti a grana fine, > 10% kerogene
• estrazione olio: distillazione a T 450-500°C
• enormi riserve
• poco economico
• degradazione del greggio: reazione
con acqua e batteri a bassa
profondità
• olio che non fluisce: tar (catrame) o
bitume
• poco pregiato, difficile estrarre
benzina
• Athabasca basin sands (NE
Alberta)
• heavy oil
• tar sands
• opencast mining
• economico per prezzo olio > 24
US$ / barile
• sabbie quarzose deltizie, 40 m
x 75.000 km2
• 11% bitume viscoso (60% olio)
53
oil and gas shales
54
55
gas shale - fracking
• argilliti a grana fine
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/GasDepositDiagram.jpg
55
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fracking of oil (and gas) shales
59
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57
58
59
gas sources
shale gas
60
60
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shale gas from fracking - impatto ambientale
http://fracfocus.org
Davies at al. (2012)
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clatrati (gas idrati)
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clatrati (gas idrati)
total organic carbon
• gas + acqua = solido (ghiaccio)
• sedimenti marini, 300-2000 m, ~ 0°C
• permafrost
gas idrati
carbone
olio
gas
torba
vita terr.
oceano
suolo
Ruppel (Elements, 2007)
63
64
petrolio
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66
exploration
fuels from coal
• Germania
• esplorazione
sismica
• pozzi esplorativi
• WW2: produzione 2.64 Mt (1943)
• United Kingdom
• WW2: 0.5 Mt/anno carburante per aerei
• Sud Africa
• basso costo estrazione carbone
• tasse su importazione olio
• produzione 4 Mt/anno di combustibili liquidi
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petrolio
petrolio
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exploitation - tecniche di produzione
• primary reserves
• distillazione frazionata (diversi T
ebollizione dei diversi idrocarburi)
• cracking idrocarburi pesanti
• ricupero senza assistenza artificiale
• water drive
• solution gas drive
• gas cap drive
• pompaggio
raffinamento
localizzazione e profondità pozzi
• secondary reserves
• ricupero assistito
• iniezione acqua sotto oil pool
• iniezione gas sopra oil pool
(conservazione gas per futuro
sfruttamento)
• tertiary reserves
• ricupero assistito
complesso
• iniezione vapore
• iniezione detergenti
Evans (1997)
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Evans (1997)
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68
petrolio: impatto ambientale
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pozzi e piattaforme - estrazione
70
• passato
• foreste di derrick
• oggi
• derrick per esplorazione (mesi)
• se il pozzo è produttivo, il
derrick è sostituito da valvole e/
o pompe
• pozzi direzionali
• sfruttamento sotto laghi, fiumi,
aree protette
• confini concessioni/stati
• offset well: oil well drilled near
the boundary of a property
and opposite to a producing or
completed well on an adjoining
property, for the purpose of
preventing the drainage of oil
or gas by the earlier well
California, 1944
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• Deep Water Horizon
• costruzione: Hyundai, Korea
• proprietà: Transocean
• operazioni: British Petroleum
• posizionamento dinamico
• 121 x 78 m
• 560 M$
• perforato più profondo pozzo offshore:
10.680 m (in 1259 m d’acqua)
• offshore drilling
• http://www.youtube.com/watch?
v=WPOi1WYTf2c&feature=fvwrel
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• Deep Water Horizon
• Gulf of Mexico, Mississippi
Canyon block 252 (Macondo
Prospect)
• 20 aprile 2010: blowout e
incendio
• 700 M litri greggio in mare
• Blow-out preventer
• http://www.youtube.com/watch?
v=5vCIadA62m0&feature=related
71
72
72
73
• Deepwater Horizon: multa alla BP di 4,5 mld - Indagati per omicidio due manager
• La compagnia petrolifera è anche colpevole per aver mentito sulla quantità di petrolio che stava fuoriuscendo
• La compagnia petrolifera British Petroleum pagherà una multa di 4,5 miliardi di dollari (oltre 3.,5 miliardi di euro) per la fuoriuscita di
petrolio del 2010 nel Golfo del Messico. L'ufficialità è stata data giovedì in serata dalla stessa compagnia britannica, che ha confermato
l'accordo con le autorità americane. «Questo mostra che abbiamo accettato la responsabilità delle nostre azioni - scrive l'ad di Bp, Bob
Dudley, in una nota - Siamo spiacenti del nostro ruolo nell'incidente». La multa si aggiunge alle decine di miliardi che sono già in corso di
versamento. Bp ha precisato che l'accordo riguarda sia le 11 singole accuse per le vittime dell'incidente, sia quelle che riguardano i danni
ambientali e le menzogne (ritenute un'ostruzione) dichiarate al Congresso degli Stati Uniti.
• DUE ACCUSATI DI OMICIDIO- Inoltre, due persone, si suppone due dirigenti della compagnia petrolifera BP dovranno rispondere
dell'accusa di omicidio colposo per la morte delle 11 persone uccise dall'esplosione. L'ex amministratore delegato, Tony Hayward, si era
dimesso a tre mesi di distanza dall'incidente.
• LA MENZOGNA - BP aveva minimizzato di fronte alle autorià, fornendo una cifra di 12 volte inferiore rispetto alla quantità di petrolio
che stava fuoriuscendo dalla piattaforma, esplosa nell'aprile del 2010. Si chiude, quindi, per ora il procedimento relativo alle accuse penali
per il disastro della Deepwater Horizon, una piattaforma petrolifera che si trovava a 26 miglia dalle coste della Louisiana.
• IL PRECEDENTE - Si tratta della cifra (che verrà pagata a rate: 4 miliardi nell'arco di cinque anni e altre sanzioni per 525 milioni) più alta
mai pagata negli Usa per una simile penale: il precedente record era legato a un altro dramma petrolifero. Nel 1989 la petroliera Exxon
Valdez si arenò lungo le coste dell'Alaska perdendo 42 milioni di barili: la compagnia (Exxon) fu sanzionata per 1 miliardo di dollari (1,8
miliardi ai valori attuali). E nel 2009 il laboratorio farmaceutico Pfizer saldò 1,3 miliardi per delle pratiche commerciali ritenute illecite.
• MILIONI DI BARILI - L'accordo tra Bp e il Dipartimento di Giustizia americano nell'ambito del procedimento penale prevede una
dichiarazione di colpevolezza da parte del colosso petrolifero. Nel disastro della Deepwater Horizon, oltre alle 11 vittime, l'ambiente
subì uno choc micidiale: milioni di barili di greggio furono riversati nel Golfo del Messico per oltre 87 giorni. Dalle indagini, emerse che
l'allarme anti fuga di petrolio era stato disattivato mesi prima (guarda il video).
• LE POSIZIONI ANCORA APERTE - La controversia economica con gli Stati del Golfo del Messico danneggiati dall'incidente rimane
ancora aperta, così come le posizioni dei soccorritori che, nei mesi successivi agli eventi, accusarono malori forse legati all'inalazione di
sostanze tossiche e alcune richieste di risarcimento danni dai proprietari di case, barche o allevamenti nelle aree colpite. Inoltre, il
governo statunitense e gli avvocati di parte civile hanno citato in giudizio anche Transocean, proprietaria della piattaforma, e il gruppo
Halliburton. Queste decisioni dovrebbero arrivare in gennaio. Intanto, la stessa Bp ha fatto causa a Transocean chiedendo danni per 40
miliardi di dollari.
• Corriere.it 15.11.2012
Conceptual model describing the observations of
VOCs and organic aerosol downwind from the oil spill
Coe (2011)
VOCs:Volatile Organic Carbon compounds
IVOCs: Intermediate-Volatile Organic Carbon compounds
SVOCs: Semi-Volatile Organic Carbon compounds
de Gouw et al. (2011)
73
tar sands
74
75
trasporto
• petroliera
• Athabasca basin sands (NE
Alberta, Canada)
• 75.000 km2
• Exxon Valdez
• 24 marzo 1989
• 42.000 m3 greggio
• 1900 km costa Alaska
• 2 G$ di costi di pulizia
• 1G$ di risarcimenti
75
74
VOCs:Volatile Organic Carbon compounds
• incidente
Deep Water
Horizon
76
76
combustibili fossili: impatto ambientale
emissioni CO2
• Austria
• Italy
• Belgium
• Japan
• Canada
• South Korea
• Czech Republic
• Luxembourg
• Denmark
• Netherlands
• Finland
• New Zealand
• France
• Norway
• Germany
• Portugal
• Great Britain
• Slovakia
• Hungary
• Sweden
• Iceland
• Switzerland
• Ireland
• Turkey
77
emissioni CO2: la classifica
78
• USA
77
ciclo CO2
organic carbon budget
• C in sedimentary basins = 104
x C in coal, oil, gas, life
78
79
80
CH4
budget metano atmosferico • effetto serra CH4 = 23 x CO2
Kroeger et al (2011)
Kroeger et al (2011)
79
80
81
CH4
82
sequestro CO2
• cattura CO2
• trasporto CO2
• stoccaggio CO2
SuperCritical
Pulverized Coal
Natural Gas
Combined Cycle
Integrate Gasification
Combined Cycle
81
sequestro CO2
82
83
84
sequestro CO2
• sequestro CO2 negli oceani
• modelli matematici: CO2 rimane sequestrata
per centinaia di anni
• cattura CO2
• trasporto CO2
• stoccaggio CO2
CO2 vs water
density
seawater
10°C
CO2
83
84
0°C
T CO2
85
sequestro CO2
86
sequestro CO2
• confinamento geologico
• sequestro CO2 in formazioni
sedimentarie
85
86
87
sequestro CO2
sequestro CO2
• il più stabile e duraturo meccanismo di stoccaggio della CO2
atmosferica è la formazione di minerali carbonatici (calcite, dolomite,
magnesite)
• sequestro CO2 in formazioni sedimentarie profonde
calcite
• fattibilità dimostrata dalla natura: C carbonati (3.9x1016 t) > 4x104 x C
atmosfera (8x1011 t)
• C atmosfera può essere inglobato in minerali carbonatici
• ex situ: processo industriale
dolomite
• in situ: iniection in formazioni geologiche contenenti gli eementi necessari
per la formazione del minerale carbonatico
• sfide:
• superamento problemi cinetici delle reazioni minerale-fluido
magnesite
• grandi volumi di materiali reattivi richiesti
• riduzione energia richiesta per accelerare il processo di carbonatazione
• soluzioni?
• studi pilota: CarbFix program (Isalanda), iniezione CO2 in rocce basaltiche
permeabili nel tentativo di formare minerali carbonatici tramite un processo
accoppiato di dissoluzione-precipitazione
siderite
87
88
88
89
sequestro CO2
sorgenti potenziali di cationi bivalenti
90
sequestro CO2
ospiti potenziali di CO2
• reazione silicati con CO2 a farmare
carbonati è termodinamicamente
favorevole
• rocce basaltiche
• progetto CarbFix (Islanda)
• reazione silicati con CO2 a
farmare carbonati è
termodinamicamente
favorevole
89
90
91
92
fonti di energia primaria
sequestro CO2
• inertizzazione della anidride carbonica (CO2)
• processo attivo in natura
• carbonatazione di rocce silicatiche
• carbonatazione in-situ
• iniezione CO2 in peridotiti/serpentiniti
• Toscana: potenzialità sequestro 100 Gt CO2 = 40-220 anni emissioni tot Italia
• carbonatazione ex-situ
+
=
+
Craig et al. (2011)
Mg3Si2O5 (OH)4
amianto (serpentino-crisotilo)
CO2
anidride carbonica
91
MgCO3
magnesite (inerte)
calore
92
93
94
energia nucleare
energia nucleare
• il processo naturale
• radioattività, fissione
• reattori naturali
• dal combustibile all’energia elettrica
• i reattori
• il combustibile
• geochimica U
• giacimenti U
• U dal mare
• Th al posto di U?
• impatto ambientale
• estrazione & post
• scorie
93
94
95
96
fusione vs fissione
nuclide chart
Craig et al. (2011)
•nuclidi: isotopi di tutti gli elementi ≈ 1700
n protoni
•nuclidi stabili (≈ 260): nuclidi che in
assenza di importanti turbamenti fisici esterni
all’atomo non modificano il loro numero di
protoni e/o neutroni
• nuclidi radioattivi (radionuclidi ≈ 1440):
modificano spontaneamente il loro numero di
protoni e/o neutroni: processo di decadimento
radioattivo, che avviene a velocità diversa per
ogni ogni radionuclide
• la maggior parte dei radionuclidi conosciuti non
esiste in natura: il loro tasso di decadimento è
tale che dalla loro formazione (sistema solare)
si sono completamente trasformati in altri
nuclidi
• nuclidi radiogenici: derivano dal processo di
decadimento di nuclidi radioattivi
n neutroni
95
96
97
98
tipi di decadimento radioattivo
• Decadimento α
nuclide chart
4
• emissione da parte del padre di particella α (nucleo di atomo di elio) 2
238
234
nuclide
figlio
ha
2
protoni
e
2
neutroni
in
meno
del
padre
•il
92
90
He 2+
U⇒ Th + α
• Decadimento β
•neutrone del padre si trasforma in protone del figlio (emissione di elettrone)
40
40
−
•figlio ha stessa massa del padre, e Z superiore di uno 1 9
20
K⇒ Ca + β
•Cattura di elettrone
•nucleo cattura un elettrone, e un protone si trasforma in un neutrone
40
•figlio ha stessa massa del padre e Z inferiore di uno 1 9K
+ e − ⇒1 8Ar
40
• Fissione
•nucleo si divide in due particelle con massa significativa; molto raro
•decadimento è associato a emissione di energia
• particella α o β− (elettrone)
• radiazione γ che accompagna l'emissione di α e
β
97
98
decadimento radioattivo
99
nuclide chart
geocronologia
•reazione nucleare: non dipende dai parametri fisici (P,T) e chimici al contorno
•legge di decadimento non varia nel tempo
•tasso di decadimento = probabilità che un atomo si trasformi nell'unità di tempo
• dN/dt = –λN
•N = n. atomi presenti
•λ = costante del decadimento (tipica del nuclide)
•Nt = N0 e–λt
•N0 = n. atomi dell’isotopo genitore presenti all’inizio
•Nt = n. atomi dell’isotopo genitore presenti dopo il tempo t
•Dt = D0 + Nt(e–λt –1)
•D0 = n. atomi dell’isotopo figlio presenti all’inizio
•Dt = n. atomi dell’isotopo figlio presenti dopo il tempo t
• tempo di dimezzamento: t1/2 = ln2 / λ
99
100
100
nuclear energy
101
U
102
geocronologia: tempo di dimezzamento
genitore
figlio
235U
207Pb
Tempo di dimezzamento
235U
= circa 700.000.000 anni
anni fa
Tempo di dimezzamento
Tempo nel quale metà degli atomi
di un nuclide radioattivo si
trasformano nel nuclide
radiogenico
4.200.000.000
Numero di atomi
3.500.000.000
235U
2.800.000.000
2.100.000.000
1.400.000.000
700.000.000
0ggi
Ga
101
4.2
3.5
2.8
1.4
2.1
0.7
0ggi
102
103
104
geocronologia: the age of the Earth
geocronologia: tempo di dimezzamento
n. atomi nuclide figlio
1654
Ussher
1749
Buffon
fine ‘800 Joly
fine ‘800 Kelvin
n. atomi nuclide genitore
t1/2
1899
vescovo irlandese
Bibbia
naturalista francese
strati fossiliferi
chimico inglese
salinità mare
fisico inglese
raffreddamento Terra
Chamberlain americano
75
90.000.000
30.000.000
> 30.000.000
tempo
scoperta
radioattività
fine ‘800
103
6
1907
Boltwood
1956
patterson
chimico americano
datazioni isotopi radioattivi
isotopi meteoriti
104
> 400.000.000
? 2.000.000.000
4.550.000.000
energia nucleare
105
geocronologia: the age of the Earth in a year
years ago
date
4.550.000.000
1 gen
hour
origine della Terra
4.030.000.000
7 feb
rocce più antiche (note)
3.200.000.000
16 apr
prime forme di vita (note)
1.000.000.000
1 ott
oceano, atmosfera attuali
800.000.000
1 nov
600.000.000
12 nov
primi fossili
400.000.000
28 nov
prime piante terrestri
250.000.000
10 dic
65.000.000
26 dic
4.000.000
31 dic
U
event
•isotopi naturali dell’uranio
primi animali superiori
supercontinente Pangea
isotopo
%
radio
attivo
half-life
(Ma)
fissile
234U
0.0054
sì
0.247
no
235U
0.7204
sì
710
sì
238U
99.2742
sì
4510
no
estinzione dinosauri
18:00
comparsa ominidi
15.000
31 dic
23:58:40
fine ultima glaciazione
2.000
31 dic
23:59:46
nascita di Cristo
105
106
energia nucleare
107
in natura
energia nucleare
reattore nucleare a U naturale
Coogan & Cullen (2009)
• 1972: in impianto di arricchimento
di U (Francia) si trova 235U=0.717%
invece di 0.720% + anomalie Nd, Ru
• OKLO raro
• di solito, reazione a catena non mantenibile in U naturale
• espediente
Archean
UO2
• NB: impoverimento 235U avviene in
reattori nucleari
• rallentamento neutroni veloci (neutroni termici) tramite
collisione con nuclei atomi leggeri (moderatori: carbonio-grafite,
deuterio-acqua pesante)
• aumento probabilità di collisione (cattura) = reazione a catena
critical
• U veniva da Oklo, Gabon (2 Ga)
• Oklo = reattore nucleare naturale
con reazioni nucleari a catena
autosostenute, in funzione per 105
anni, potenza = 100 kW
106
0.720
Geology of Oklo
(Gabon) leading to
natural nuclear fission
reactors
1. Nuclear reactor zones
2. Sandstone
3. Uranium ore layer
4. Granite
107
• massa critica
• Archeano (>2.5 Ga): <<103 kg
• Oklo: 2x103 kg (3% UO2)
108
108
energia nucleare
109
aiutare la fissione
110
reattore nucleare a U arricchito (in 235U)
•neutroni termici
• reattore più semplice ed efficiente
•energia 0.025 eV (2.4 MJ/kg) = velocità 2.2 km/s
•stessa velocità (energia) dell’ambiente
•maggiore efficacia nell'essere assorbiti da un
nucleo, creando un isotopo più pesante (spesso
instabile e soggetto a fissione)
•usati in rettori termici
• acqua normale può essere usata come
moderatore
• alto arricchimento: no moderatore
• tipi
• PWR: pressurized water reactor
• BWR: boiling water reactor
• gas-cooled reactor
•neutroni veloci
•energia 1 MeV (100 TJ/kg) = velocità 14,000 km/s
•trasformabili in neutroni termici tramite un
moderatore (acqua, acqua pesante, grafite)
•usati in reattori veloci
Craig et al. (2011)
109
110
energia nucleare
111
fast breeder reactor
energia nucleare
produzione energia elettrica
• U molto arricchito in 235U
• moderatore non necessario
• nocciolo arricchito avvolto in U impoverito (più ricco in 238U)
• neutroni veloci possono “allevare” (breed) un isotopo fissile di Pu
• materiale fissile prodotto in involucro > consumato in nocciolo
• n reattori in
costruzione
(2006)
core
• n reattori per nazione
Craig et al. (2011)
111
112
112
energia nucleare
energia nucleare
113
tipi di reattore nucleare
114
U - geochimica
• abbondanza crostale media U = 2.7 ppm
(>Au, Sn)
• ione uranoso U4+
• ione uranile U6+
• grande raggio ionico
• magma: concentrazione in fusi residuali
densità: 19.1 g/cm3
• graniti: U fino a 100 ppm
• in minerali accessori
• in uraninite (UO2, pechblenda, U4+ uranoso,
insolubile)
113
energia nucleare
114
energia nucleare
115
U - geochimica
combustibile - giacimenti
• classificazione
geologica
depositi U
• U4+ si ossida facilmente a
U6+ uranile (acque
superficiali)
• U6+ (UO2)2+: complessi
solubili (carbonati, solfati,
fluoruri)
• passaggio in rocce
riducenti (materia
organica in decadimento)
• riduzione U6+ U4+
uranoso, insolubile
precipitazione
• 3200-2600 Ma
• adsorbimento U al posto
di Ca in apatite
Ca5[PO4]3[OH,F]
• 2500, 2000-1600 Ma
• impulso crescita crosta continentale
• primi conglomerati a ciottoli di quarzo, ricchi in U
• formazione supercontinenti
• graniti con U fino 600 ppm
115
Macfarlane & Miller (2007)
116
116
energia nucleare
117
energia nucleare
118
Craig et al. (2011)
• ione uranile in soluzione in acque di falda
• precipitazione risultante da riduzione
• presenza di materia organica
• presenza di H2S
Craig et al. (2011)
117
energia nucleare
118
119
• V: veins
• U:unconformity
• S: sandstones
• F: fossil placers
• P: phosphates & black shales
• I: igneous
energia nucleare
nuclear fuel cycle
Craig et al. (2011)
Craig et al. (2011)
119
120
120
energia nucleare
121
combustibile - U dal mare?
122
combustibile - Th?
• Th-based nuclear fuel cycles: studiati da 40 anni, no reattori attivi
• U in acqua marina:
• Th: 4 volte più abbondante di U nella crosta
• tricarbonato di uranile [UO2 (CO3)34-]
• concentrazione: 3
energia nucleare
mg/m3
• U: fissile 235U (~0.7%) + fertile 238U (99.3%)
(ng/g, ppb)
• Th: no isotopi fissili + fertile 232Th (~100%)
• 4.5 Gt (consumo annuale: ≈ 105-106 t)
• necessità di processare immense quantità di acqua con bassi consumi energetici
• assorbimento di un neutrone in 232Th
• Giappone: ricerche dal 1970
• assorbimento di un neutrone in
• estrazione U tramite adsorbente (amidoxime): cavità
fissile
• 233U è un combustibile nucleare migliore di 235U e 239Pu in quanto produce più
neutroni per neutrone assorbito
• costo 400 - $1200 $/kg
• costruzione impianti ?
• quindi, se Th sostituisse U nei reattori, sarebbe possibile “breed” sul ciclo del Th e
produrre abbastanza 233U per assorbimento di neutrone in Th man mano che si
consuma nel reattore
• durata adsorbente?
• T funzionamento adsorbente >15°C: prof < 100 m (≈2.5%) + 35°S-45°N (≈50%)
• poiché 233U non si ritrova in natura, lo startup di tale reattore richiederebbe
comunque dell’U arricchito (20% 235U), non più necessario dopo lo startup
• efficienza estrazione 1%
• produzione nei prossimi 50 anni del 5% di U necessario ai reattori
• BREED: generare materiale fissile tramite reazione nucleare
• utile per sicurezza di nazioni con centrali e senza riserve di U (Giappone)
121
combustibile - Th?
fissile
239Pu
• Th può sostituire U naturale nei reattori nucleari
• passaggio di acqua tramite correnti marine (1 m/s)
energia nucleare
238U
233U
122
123
energia nucleare
combustibile - risorse
• sostituendo parzialmente U con Th
• necessario molto meno U per startup e successiva operatività rispetto a reattori
alimentati soltanto con U a basso arricchimento (4–5% 235U)
• necessario ~ 10 volte meno Th rispetto a U
• vantaggi del ciclo misto U-Th rispetto a Th puro
• % 238U in U naturale implica frazione di “bred” 233U in mistura (233U + 238U) < 20%
• per ottenere 233U “weapons-grade” necessario ulteriore arricchimento isotopico
• arricchimento isotopico molto più complesso di separazione chimica di 233U da
combustibile esausto del ciclo Th, o di Pu da spent fuel da ciclo standard U
• maggior resistenza a proliferazione armi atomiche
• produzione energia
elettrica nucleare
• CO2-free
• aumento prossimi
decenni
• durata U: almeno un
secolo
• uso di Th in reattori
• sostanziale riduzione di isotopi actinidi a vita lunga (Np, Am, Cm, Pu)
• tuttavia adozione ciclo del Th improbabile finché U disponibile sarà abbondante/
economico
123
124
124
energia nucleare
energia nucleare
125
impatto ambientale
126
reattore nucleare - sicurezza
• incidenti
• psicologia
• scorie
• controllo di potenza
• barre assorbenti neutroni (cadmio, boro) inserite/estratte nel nocciolo
• sistema primario + sistema automatico (shutdown)
• malfunzionamento: reazione incontrollata
• no esplosione
• fusione/vaporizzazione (parte del) reattore, caduta potenza
• fuga iodio radioattivo (131I, half-life 8 giorni) - gas
tiroide
• fuga Xe e Kr radioattivi gas + 90Sr e 137Cs solidi (meno pericolosi)
• prevenzione: contenitori multipli acciaio e cemento armato
• raffreddamento
• PWR: raffreddante=moderatore
125
energia nucleare
126
energia nucleare
127
impatto ambientale - scorie radioattive
impatto ambientale - scorie
• low-level wastes
• produzione scorie
• radioattività < 103 volte accettabile in ambiente
• tutti gli stadi del nuclear
fuel cycle
• mine and mill tailings
• centrali nucleari, ospedali, centri di ricerca
• pericolosità scorie
• seppellimento in fusti sigillati
• affondamento nell’oceano in blocchi di cemento
• emissione raggi g e
particelle subatomiche
• dipende da
concentrazione e tipo di
isotopi radioattivi
• diminuisce nel tempo
• dipende da half-life
isotopi radioattivi
• intermediate-level wastes
• radioattività 103 -106 volte accettabile in ambiente
• contenitori per il trasporto di combustibile nucleare
• (trattamento e) stoccaggio in contenitori presso centrali
• high-level wastes
• radioattività >106 volte accettabile in ambiente
• volume: 0.1%, radioattività totale: 95%
• liquidi e barre di combustibile esaurito reattori commerciali/militari
• riciclo U e Pu, Pu dai programmi militari
• sigillamento e stoccaggio provvisorio in piscine presso centrali
127
128
128
energia nucleare
impatto ambientale - low-level wastes
20 t U metallico/anno
• scarti di miniera
(mine tailings) & mill
tailings (scarti di
macinazione)
• cumuli superficiali
presso miniera o
mulino
• > 4000 miniere
• 1 km3 di tailings
• volume più
importante di rifiuti
radioattivi
17000 t di 1% U ore
• produzione 2003 ~ 50% necessario (+ riprocessamento, U armamenti,
scorte)
• aumento produzione dopo 2015
• estrazione U
• open pit
• underground
• in situ leaching
• rifiuti
• mine tailings
• mill tailings
Abdelouas (2006)
129
energia nucleare
• estrazione U da ore
• lisciviazione ex-situ (post estrazione)
• lisciviazione in situ
130
131
energia nucleare
• radioattività variabile(<1 Bq/
g –›› 100 Bq/g)
• lisciviazione (leaching) con acido solforico
• lisciviazione alcalina con carbonato di sodio
Abdelouas (2006)
131
130
• U necessario
• es: reattore 900 MW
energia nucleare
129
132
132
energia nucleare
energia nucleare
133
134
• uranio
• radiazioni gamma
(226Ra)
• condizioni ossidanti: U6+, solubile in acqua, adsorbito però da
ossidi-idrossidi
• condizioni neutre-alcaline: [UO2(CO3)2]2-, [UO2(CO3)3]4-, ancora
più mobile in acqua
• condizioni riducenti: U4+ precipita come UO2 insolubile
• 222Rn
e sua
progenie
radioattiva
(cancro
polmonare)
• materiale
macinato:
dispersione
eolica polveri
radioattive
• contaminazione
falde acquifere
(isotopi
radioattivi, metalli
pesanti)
Abdelouas (2006)
• condizioni ossidanti
• confinamento e batteri anaerobici: condizioni
riducenti
• stabilizzazione con carbonati e fosfati, es:
autunite Ca(UO2)2(PO4)2
• acidificazione di acqua (ossidazione dei solfati):
de-adsorbimento uranile da ossidi-idrossidi
133
energia nucleare
Abdelouas (2006)
• siti di confinamento degli scarti
134
energia nucleare
135
• 230Th (torio)
136
• 222Rn (radon)
• condizioni alcaline-leggermente acide: Th insolubile precipita come
ThO2, Th(OH)4
• pH<4: Th aumenta solubilità
• acidificazione di acqua (ossidazione dei solfati): solubilizzazione Th in
acqua superficiale
• 226Ra (radio)
• adsorbimento e coprecipitazione con ossidi-idrossidi, gesso, barite,
silice amorfa
• riduzione batterica di solfati (barite) -›› rilascio 226Ra in acqua
• gas inerte radioattivo,
breve half-life (3.8 g)
• prodotto decadimento
226Ra
• copertura dei tailings
con argille ben
compattate
• sabbie di tailings usate
per laterizi o
calcestruzzo!
• abitazioni costruite su
inerti di tailings!
Craig et al. (2011)
135
136
energia nucleare
• bottom lining
• top capping
• problema: protezione acque da
acidificazione per interazione con
solfuri
7 anni dopo
138
impatto ambientale - high-level wastes: SNF
• ripristino
• cumuli di scorie (tailings)
• durante e dopo insitu leach-mining
energia nucleare
137
Abdelouas (2006)
• spent nuclear fuel (SNF): ~20 t/anno per reattore, totale 270,000 t
• ricupero 235U e 239Pu -›› mixed oxide fuel (MOX)
• radioattività scorie 106 volte > fuel: dopo 1 anno, a 1 m, letale in 1 min
• SNF contiene
• 95% UO2
• 3-4 % (atomico):
• prodotti della fissione: 129I, 131I, 137Cs, 90Sr (g, b)
• elementi transuranici: 239Pu, 237Np, 241Am (a)
• prodotti attivazione: 14C, 60Co, 63Ni
Bruno & Ewing (2006)
137
energia nucleare
138
139
impatto ambientale - high-level wastes: SNF
energia nucleare
impatto ambientale - scorie
Craig et al. (2011)
Craig et al. (2011)
139
140
140
energia nucleare
141
impatto ambientale - high-level wastes
energia nucleare
142
• riprocessamento SNF
• effluenti liquidi
• vetrificazione
• vetro con B e Si (Francia)
• vetro sopporta riscaldamento e
radiazioni
• resistenza vetro a corrosione di
acqua o acque salate
sotterranee?
• spent nuclear fuel
Grambow (2006)
141
energia nucleare
142
143
• incorporazione scorie in
materiale cristallino (ceramica)
• atomi radioattivi legati
stabilmente in minerali (come
prima dell’estrazione)
• stabile in contatto con brines
• stabile fino a 700°C
energia nucleare
Lumpkin (2006)
Lumpkin (2006)
143
144
144
energia nucleare
energia nucleare
145
impatto ambientale - scorie: e dopo?
146
impatto ambientale - siti per scorie
• Sito geologicamente stabile per i prossimi 10.000 anni
• NO
• sole, spazio
• pozzi con fusione delle rocce “in situ”
• isole disabitate
• seppellimento sotto calotte polari
• strati sedimentari del fondo oceanico
• smaltimento geologico
• zone sismiche o vulcaniche
• prossimità di fiumi, laghi o falde acquifere superficiali
• prossimità centri abitati o sviluppo urbano previsto
• montagna o coste soggette a frane, erosioni, alluvioni
• zone di giacimenti petrolio/gas
• Attenzione:
• Clima (aumento delle precipitazioni e dell’infiltrazione)
• Eustatismo (aumento del livello del mare)
• Denudazione (abbassamenoto della topografia)
• Erosione fluviale
• Tettonica del Quaternario
145
energia nucleare
146
147
energia nucleare
148
impatto ambientale - siti per scorie: Yucca Mountain
impatto ambientale - siti per scorie: Yucca Mountain
147
148
energia nucleare
149
150
energia nucleare
impatto ambientale - siti per scorie: sigillatura
• impermeabilizzazione
• plasticità
• sigillatura con smectite?
• nuclear fuel cycle
• inizio
• prospezione geologica per U
• fine
• sito geologico per SNF
Cuadros (2008)
149
150
151
energia geotermica
energia geotermica
storia
•Paleolitico: noti fumarole, lagoni, geysers, getti di vapore, sorgenti di acqua calda
ed esalazioni di vapori e gas
•etruschi: utilizzazione “minerali associati” alla geotermia
•medioevo: estrazione allume (solfato di alluminio idrato) per industria laniera
(guerra delle allumiere tra Firenze e Volterra); uso delle acque a fini terapeutici
•metà XVIII sec: acido borico (H3BO3) per farmacologia, industria vetraria e
saldature; idea estrazione dalle acque usando il calore naturale
•prima metà XIX sec: Larderel: fluido geotermico come calore per estrazione
acido borico; prime perforazioni; 1860, argani azionati da vapore naturale; uso
fluidi naturali per riscaldamento ambienti e produzione energia meccanica
•4 luglio 1904: accensione 5 lampadine mediante dinamo da 10 kw collegata a
motore a pistoni alimentato da fluido geotermico (Piero Ginori Conti)
•1912: prima centrale geotermoelettrica con turbina da 250 kW
•1930: potenza installata 12.150 kW e aumento produzione di acido borico
•1950: 6 centrali con potenza di 211 MW
Craig et al. (2011)
•1959: centrale Bagnore1 (M. Amiata)
1963: passaggio della Società Larderello spa all'Enel; 11 centrali 11 con potenza
•1963:
installata 311 MW; termina estrazione di boro dai fluidi naturali
•Oggi: 32 centrali con potenza nominale installata di 810 MW
151
152
152
153
energia geotermica
energia geotermica
154
campo geotermico
• potenziale geotermico primi 10 km di crosta: 50.000 volte
l'energia di tutte le risorse note di gas e petrolio
• utilizzo attuale: soltanto una limitatissima frazione del
potenziale totale dell'energia geotermica
• limitazioni tecnologiche o economiche
Craig et al. (2011)
153
energia geotermica
geothermal fields
• dry steam (sistemi a vapore dominante)
• vapore ad alta temperatura (>235°) e pressione, usato per muovere una turbina
• tipo di impianto realizzato a Larderello nel 1904 e ancora oggi ampiamente diffuso
154
155
energia geotermica
tecnologia
dry steam fields
wet steam fields
vapore secco e pulito, va direttamente
in turbina (direct steam)
depressurizzazione fluido geotermico genera
vapore che va direttamente in in turbina
(flash steam) o scambia calore con un fluido
a bassa T ebollizione che va in turbina
• wet steam (serbatoi ad acqua dominante)
• temperatura superiore a 150-170°C sono impiegati per alimentare centrali “a singolo o doppio flash”
• l'acqua arriva in superficie tramite i pozzi e poiché passa rapidamente dalla pressione di serbatoio a
quella dell'atmosfera, si separa (singolo flash) in una parte di vapore, che è mandato in centrale, e una
parte di liquido che è reiniettato in serbatoio
• se il fluido geotermico arriva in superficie con temperature particolarmente elevate, allora può essere
sottoposto per due volte ad un processo di "flash" (doppio flash)
• ciclo binario
• serbatoi con acqua a temperature moderate (tra i 120 e i 180°C): tecnologia del ciclo binario
• fluido geotermico utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un secondo liquido
con temperatura di ebollizione più bassa rispetto all'acqua (es: ad esempio isobutano o isopentano)
• il fluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore in un
circuito chiuso, senza scambi con l'esterno
Craig et al. (2011)
155
156
156
energia geotermica
157
nel mondo (2000)
• impianti geotermici in 22 paesi
• potenza totale ~ 8000 MW
• produzione energia elettrica ~ 50
TWh = 0.25% potenza elettrica
installata a livello mondiale
• Paesi guida: Usa, Nuova Zelanda,
Italia, Islanda, Messico, Filippine,
Indonesia e Giappone
Paese
MWe(1995) MWe(2000)
2817
2228
Filippine
1227
1909
Italia
632
785
Messico
753
755
Indonesia
310
590
Giappone
414
547
Nuova Zelanda
286
437
Islanda
50
170
El Salvador
105
161
Costa Rica
55
142
Nicaragua
70
70
Kenya
45
45
Guatemala
33
33
157
energia geotermica
159
158
in Italia (=Toscana)
USA
in Italia (=Toscana)
energia geotermica
• geotermia in Italia = Toscana
• 32 centrali = 2 mil. famiglie
• 10% energia geotermica del mondo
• 1.6% energia elettrica Italia
• risparmio di petrolio = 4 Mton CO2
158
159
energia geotermica
Larderello
160
160
161
energia geotermica
162
hot dry rock
• perforazione due pozzi a 5-7 km
• T ~ 200°C
• fratturazione esplosiva o idraulica delle
rocce tra i fondi dei due pozzi
• pompaggio acqua fredda in un pozzo
• estrazione acqua calda dall’altro
• elevati costi perforazioni (~1 M€/km)
• bassa efficienza
Craig et al. (2011)
161
energia geotermica
teleriscaldamento
• Comune Santa Fiora
162
163
energia geotermica
teleriscaldamento
• San Gottardo
• galleria alta velocità
• 2 tunnel paralleli 57 km
• totale ~ 150 km gallerie
• profondità ~ 2300 m
• Tacqua = 47°C
• Floramiata
163
164
164
energia geotermica
energia geotermica
165
pompe di calore geotermiche
166
impatto ambientale
• esplorazione, perforazione e produzione: impatto ambientale
• inquinamento aria e acqua, impatto paesaggistico e uso del suolo
• rumore
• energia elettrica + scambio con
sottosuolo a T costante (13-17°C)
• perforazione 80-200 m
• calore immesso(estratto) /
consumo energia elettrica = 3-6
• fasi di perforazione (temporaneo, raramente > 90 dB)
• prove di produzione (raramente > 120 dB)
• fase di produzione: dispositivo silenziatore: riduzione rumore ambientale < 65 dB
• sismicità
• re-iniezione dei fluidi: micro-terremoti, non dannosi, non percepiti dall’uomo
• in aree tettonicamente attive come quelle geotermiche è spesso difficile distinguere gli
eventi naturali da quelli indotti dallo sfruttamento del campo
• frane e subsidenza
• caso M. Amiata
• subsidenza in aree geotermiche dovuta a diminuzione pressione del serbatoio
• stabilizzazione tramite re-iniezione di fluidi geotermici “esausti” in serbatoio
165
energia geotermica
166
energia geotermica
167
impatto ambientale
impatto ambientale
• gas disciolti
• spent fluids
• uno dei maggiori effetti dell'utilizzazione dell'energia geotermica è
l'inquinamento chimico delle falde acquifere superficiali per
contaminazione con i fluidi geotermici profondi
• i fluidi geotermici “esausti” contengono
• elementi tossici: As, B, Hg, Sb
• metalli pesanti (Pb, Cd, Fe, Zn, Mn)
• inquinanti a concentrazioni elevate: Li, NH3, Al.
• alcuni fluidi geotermici hanno alta concentrazione salina (brine)
• questi effetti di contaminazione chimica si riducono con la tecnica
di re-iniezione di tutti i reflui liquidi nei serbatoi profondi
167
• anidride carbonica (CO2) e acido solfidrico
(H2S) oltre a piccole quantità di metano,
ammoniaca, idrogeno, azoto e radon
• specie volatili B, As, Hg
• vantaggi: gas incondensabili privi di ossidi di
azoto (NOx), biossido di zolfo (SO2) e bassa
concentrazione di CO2
• H2S mal tollerato per odore sgradevole (uova
marce): centrali moderne hanno sistemi di
abbattimento
• Hg è presente in tracce nei fluidi geotermici e,
grazie alla sua alta volatilità, è emesso in
atmosfera nella fase vapore insieme ai gas
incondensabili (assorbimento in filtri a
carboni attivi)
168
168
energia geotermica
169
impatto ambientale
energia geotermica
170
rinnovabile?
• risorse geotermiche in parchi
naturali...
• fenomeni geotermici (geyser, hot
springs e fumarole) con valore
scientifico ed economico (turismo)
• impatti visivi
rinnovabile ?
• plumes
• illuminazione notturna campo geotermico e
impianti
• visibilità di condotti e linee di trasmissione
• mitigazione dell’impatto ambientale
• design impianto
• programmi di rivegetazione
• pianificazione dei tracciati delle linee di
trasmissione
169
energia geotermica
verde?
170
171
172
bibliografia
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• Tanelli, G., 2009. Georisorse e Ambiente. Aracne, 280 pp.
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GG-energia 14

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