Produzione di energia elettrica da fonti geotermiche a bassa entalpia

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Introduzione 
 
 
L’energia geotermica è la forma d’energia legata al calore endogeno della Terra. 
Attualmente le risorse geotermiche sono sfruttate per produrre elettricità e per usi diretti del 
calore. Dal punto di vista dell’utilizzazione relativa alla produzione di energia elettrica, si 
possono distinguere: usi ad alta entalpia e usi a bassa entalpia. 
Per usi ad alta entalpia si intendono quelli che si hanno quando il fluido geotermico 
ha una temperatura superiore a 150°C ed è disponibile sotto forma di vapore (estratto da 
serbatoi a vapore dominante) o liquido a pressioni superiori a 10-20 bar (estratto da 
serbatoi ad acqua dominante). In questo caso la forma di sfruttamento è quella ben nota 
delle centrali termoelettriche convenzionali (centrali a vapore  secco o a flash).  
Gli usi a bassa entalpia sono relativi ai fluidi geotermici con temperature inferiori ai 
150° C (estratti dai serbatoi ad acqua dominante) che alimentano centrali a ciclo binario. 
Circa la metà dell’energia elettrica generata da fonte geotermica nel mondo deriva 
dai campi a vapore dominante. I campi geotermici in esercizio o in via di sviluppo sono in 
tutto 95 su oltre 250 accertati. Di essi solo 7 sono a vapore dominante, la rimanente parte 
producono acqua calda pressurizzata o semplicemente acqua calda. E’ evidente che, per il 
futuro, lo sviluppo della produzione di energia elettrica da fonti geotermiche è legato allo 
sfruttamento delle sorgenti a bassa entalpia e dei numerosi campi ad acqua dominante 
ancora inutilizzati. Di primario interesse è, in questa ottica, lo sviluppo della tecnologia dei 
cicli binari. Questi impianti hanno efficienze termodinamiche superiori agli impianti a 
separazione di vapore che rappresentavano, fino a non molti anni fa, l’unica tecnologia 
attraverso la quale produrre energia elettrica da campi geotermici ad acqua dominante. Negli 
impianti a ciclo binario (fig.1), il calore del fluido geotermico è ceduto ad un fluido 
secondario attraverso uno scambiatore di calore.  
 
           
Fig.1 
Rappresentazione schematica  
di un impianto a ciclo binario 
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   Il fluido secondario, che ha un punto di ebollizione più basso di quello dell‟acqua, 
lavora in un ciclo Rankine-Hirn e il vapore prodotto aziona una turbina generando lavoro 
meccanico.  
Gli impianti a ciclo binario, oltre a rappresentare la forma di sfruttamento più 
redditizia per i campi geotermici ad acqua dominante, non presentano alcuni dei limiti che 
caratterizzano gli impianti geotermoelettrici convenzionali. Su due aspetti, in particolare, è 
importante porre l‟attenzione:    
1. Rigenero del pozzo geotermico; 
2. Impatto ambientale. 
   L‟energia geotermica non è una fonte di energia del tutto rinnovabile: il giacimento 
tende ad esaurirsi se non si effettua un processo di reinezione del fluido estratto. La 
reinezione permette di mantenere in equilibrio l‟ecosistema grazie alla restituzione di parte 
delle sostanze estratte e di prolungare l‟efficienza del serbatoio. Per gli impianti geotermici 
convenzionali a vapore secco o a flash, solo una parte del fluido estratto può essere 
reimmessa nel sottosuolo e ciò può causare dei limiti nella produttività dell‟impianto. Gli 
impianti a ciclo binario operano in circuiti chiusi: il fluido geotermico estratto dal pozzo 
attraversa lo scambiatore di calore ed è reiniettato nel suolo. Si ha quindi in questo modo un 
completo rigenero del pozzo geotermico. 
  L‟energia geotermica non è una forma di energia pulita. I fluidi geotermici 
contengono percentuali di gas e sostanze (CO2, H2S, NH3 , Hg, As) causa di inquinamento se 
disperse nell‟ambiente. Le emissioni degli impianti geotermoelettrici, riconducibili alla 
componente del fluido in fase vapore rilasciata in atmosfera dalle torri di raffreddamento, 
sono relative per lo più a CO2  e  SO2 . Negli impianti a ciclo binario, invece, il fluido 
geotermico opera in un circuito chiuso e non è in contatto con l‟esterno. Si evita in questo 
modo ogni emissione gassosa.  
L‟obiettivo di questo studio è l‟analisi di impianti geotermoelettrici a ciclo binario e 
dei vari aspetti che rendono tale tecnologia la forma di sfruttamento più redditizia per i 
campi geotermici ad acqua dominante ad alta temperatura (Tgeo>150°C) e a bassa 
temperatura (Tgeo<150°C). Si sono analizzate e classificate alcune tra le soluzioni 
impiantistiche più interessanti presenti in letteratura focalizzando l‟attenzione soprattutto 
sull‟analisi termodinamica dei cicli impiegati e sulla scelta del fluido operativo.  
 
 
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In particolare, è stata svolta una analisi finalizzata all‟ottimizzazione termodinamica 
di un impianto che prevede: 
 ξ Ciclo Hirn ad 1 livello di pressione; 
 ξ Ciclo Hirn ad 1 livello di pressione con risurriscaldamento del fluido operativo 
prendendo a riferimento i dati relativi a due campi geotermici ad acqua dominante. In un 
caso è stato effettuato un confronto con un impianto a separazione di vapore esaminando 
non soltanto gli aspetti legati all‟efficienza termodinamica (potenza elettrica generata e 
rendimenti di primo e secondo principio), ma anche ciò che è relativo all‟impatto 
ambientale e alla rinnovabilità della fonte. 
 La tecnologia dei cicli binari è stata largamente sperimentata e questi impianti hanno 
dimostrato di essere un mezzo economico e tecnicamente affidabile per trasformare in 
elettricità l‟energia contenuta nei campi geotermici ad acqua dominante.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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                                             CAPITOLO 1 
             Produzione di potenza elettrica da fonte geotermica  
 
1.1      Classificazione delle risorse geotermiche 
       
Il calore è una forma di energia e, in senso stretto, l‟energia geotermica è il calore 
contenuto nell‟interno della Terra. Esso è all‟origine di molti fenomeni geologici di scala 
planetaria. Tuttavia, l‟espressione “energia geotermica” è generalmente impiegata, nell‟uso 
comune, per indicare quella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta 
dal sottosuolo e sfruttata dall‟uomo. La temperatura, all‟interno del nostro pianeta, 
aumenta con la profondità secondo un gradiente geotermico di 3°C ogni 100 metri, anche 
se esistono zone con gradienti geotermici anomali in cui il flusso di calore è maggiore (9-
12°C ogni 100 metri). E‟ stato stimato che il calore totale contenuto nella Terra, 
assumendo una temperatura superficiale media di 15°C, sia dell‟ordine di 12,6 x 1024 MJ e 
che quello contenuto nella crosta sia dell‟ordine di 5,4 x 1021 MJ . Tale calore, anche se in 
quantità enorme e praticamente inesauribile, risulta assai disperso e raramente concentrato                                                                                                                                                                                        
                         
 
La differenza di temperatura tra le zone profonde, più calde, e quelle superficiali, 
più fredde, dà origine ad un flusso di calore dall‟interno verso l‟esterno della Terra. Il 
flusso di calore terrestre medio è 0,065 W/m2 nelle aree continentali e 0,101 W/m2 nelle 
aree oceaniche, con una media ponderale globale di 0,087 W/m2 
mW/ m2 
Dickson, Fanelli;2005 
 Istituto Geoscenze e 
Georisorse,Pisa 
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Sino ad oggi, l‟utilizzazione dell‟ energia geotermica è stata limitata a quelle aree 
nelle quali le condizioni geologiche permettono ad un vettore (acqua in fase liquida o 
vapore) di “trasportare” il calore dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino ad 
essa, determinando un sistema geotermico.  
Un sistema geotermico può essere definito schematicamente 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 è assorbito (disperso o utilizzato)” (Hochstein, 1990).  
Un sistema geotermico è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio 
ed il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore. La sorgente di calore può essere una 
intrusione magmatica a temperatura molto alta (›600°C), che si è posizionata a profondità 
relativamente piccola (5-10 km), oppure, come in certi sistemi a bassa temperatura, il 
normale calore della Terra. Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale 
i fluidi possono circolare assorbendo il calore. Il serbatoio generalmente è ricoperto da 
rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque 
meteoriche possono sostituire, totalmente o parzialmente, i fluidi perduti attraverso vie 
naturali (per esempio sorgenti) o che sono estratti mediante pozzi. Il fluido geotermico, 
nella maggioranza dei casi, è acqua meteorica in fase liquida o vapore, in dipendenza dalla 
sua temperatura e pressione. Quest‟acqua spesso trascina con se sostanze chimiche e gas, 
come CO2, H2S ed altri.  
                               
                            Rappresentazione di un sistema geotermico(Dickson, Fanelli;2005) 
 
Quando particolari condizioni geologiche e termodinamiche consentono al fluido 
geotermico di presentarsi alla bocca del pozzo come vapore saturo o surriscaldato (sotto 
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forma di un aeriforme), il sistema idrotermale viene denominato a vapore dominante; 
quando il fluido estratto rimane nello stato liquido con un certa parte di vapore, il sistema 
viene denominato ad acqua dominante.                                                                           
Nei sistemi a vapore dominante normalmente coesistono nel serbatoio acqua 
liquida e vapore. Sono sistemi ad alta temperatura e normalmente producono vapore secco 
o surriscaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono piuttosto rari; i più conosciuti sono 
Larderello in Italia e The Geysers in California.  
Nei sistemi ad acqua dominante, una percentuale di vapore può essere presente in 
forma di bolle. Questi sistemi geotermici, la cui temperatura è inferiore a 125° nel caso di 
campi ad acqua calda ( hot fields steam) e può anche raggiungere  225°C per campi ad 
acqua calda pressurizzata (dry steam fields), sono i più diffusi nel mondo. Essi possono 
produrre, in funzione della loro temperatura e pressione, acqua calda, una miscela di acqua 
e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco. In ambedue i sistemi il fluido 
geotermico (vapore o liquido) è chimicamente costituito da acqua con disciolte al suo 
interno altre sostanze: solide, liquide e gassose. Tra le varie sostanze disciolte sono spesso 
presenti delle piccole percentuali di gas incondensabili, costituiti essenzialmente da 
anidride carbonica (CO2).  
Esistono però anche altri sistemi geotermici. Questi sistemi sono rappresentati dalle 
cosiddette "rocce calde secche" (hot dry rock), dai "sistemi magmatici" e dai "sistemi 
geotermici geopressurizzati". 
Le rocce calde secche sono zone della crosta terrestre con alta termalità 
(temperature dai 200°C ai 350 °C circa) ma prive di circolazione di fluidi, che si pensa di 
sfruttare mediante fratturazione artificiale delle rocce e circolazione forzata del fluido. 
I sistemi magmatici sono rocce fuse di origine magmatica, con temperature dai 600 
°C ai  1400 °C, che presentano difficilissimi problemi tecnici per il loro utilizzo e se ne 
prevede uno sfruttamento in tempi ben più lunghi. 
I sistemi geopressurizzati sono sistemi chiusi, privi di alimentazione, nei quali il 
fluido si trova a pressione e temperatura elevata; costituiscono una categoria a sé stante. 
Potrebbero produrre energia termica e idraulica (acqua calda in pressione) e gas metano. 
Questa risorsa è stata studiata in modo approfondito, ma, sino ad oggi, non è seguito uno 
sfruttamento industriale. 
L'utilizzabilità dei bacini geotermici è vincolata alla profondità del serbatoio 
affinché sia possibile la perforazione di pozzi che mettano in comunicazione la risorsa 
geotermica con la superficie per lo sfruttamento energetico del calore.