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Abstract: L’Italia è stato il primo paese (1904) che ha utilizzato l’energia geotermica per la produzione di energia elettrica ed è attualmente la quinta nazione al mondo in termini di producibilità geotermoelettrica.
Oggi, come cento anni fa, tale produzione è ancora concentrata in una piccola area del paese compresa tra Pisa, Siena e Grosseto, nelle zone di Larderello-Radicondoli-Travale e del Monte Amiata, mentre, le pur notevoli risorse geotermiche presenti in altre zone del territorio nazionale non sono state fino ad ora valorizzate sufficientemente.
In particolare la regione Campania è caratterizzata da numerosi serbatoi geotermici a liquido dominante di elevatissimo potenziale energetico (Campi Flegrei, Ischia, Roccamonfina, Guardia Lombardi, ecc. vedi Carlino et al., 2012).
Tuttavia, a fronte della considerevole potenzialità accertata, non si è mai avuto un conseguente utilizzo sia per usi indiretti (elettrici), del tutto assenti, che per fini diretti (termici), nell’area regionale riconducibili solo a sporadiche ed incontrollate applicazioni. Questa discrasia è dovuta, più che a problemi tecnici, a considerazioni di natura urbanistica soprattutto legate al notevole sviluppo dell’attività edilizia in queste zone, spesso abusiva, che ha fortemente limitato la disponibilità di aree per ulteriori perforazioni e per l’installazione degli impianti di produzione dell’energia elettrica.
La disinformazione sulla sicurezza e l’affidabilità delle installazioni industriali di conversione geotermoelettrica ha, inoltre, sempre negativamente orientato l’opinione pubblica molto sensibile alle eventuali influenze negative che la realizzazione di questi impianti possono avere su fenomeni naturali tipici
dei Campi Flegrei, quali i microterremoti e l’innalzamento dei suoli.
Oggi il contesto risulta sensibilmente variato con la possibile accettabilità di realizzazione di questi impianti da parte delle popolazioni locali grazie ad una serie di fattori:
– un generale interesse delle pubbliche amministrazioni, dei cittadini e degli operatori economici per le tecnologie di sfruttamento delle fonti rinnovabili in genere ed in particolare su quella geotermica con specifico riferimento al nostro ambito territoriale. Oltre ai tradizionali motivi legati al contenimento
dell’impatto ambientale ed alla riduzione della dipendenza energetica da fonte fossile, questa crescente attenzione è prioritariamente riconducibile alla necessità di promuovere innovativi modelli di sviluppo, sociale e economico, fondati sulla valorizzazione delle risorse e delle potenzialità locali;
– possono essere proposte, come nel caso del presente progetto, nuove tecnologie che limitano fortemente gli impatti ambientali legati a tutta la “filiera” geotermica (esplorazione, emungimento, utilizzo). Inoltre, possono essere proposte tecniche moderne di monitoraggio e controllo degli impianti
che hanno permesso nel resto del mondo una diffusione crescente di impianti geotermici con elevatissima accettabilità sociale;
– il contesto normativo, autorizzativo e gli strumenti di supporto alle tecnologie di sfruttamento della fonte geotermica rendono particolarmente remunerativi investimenti in questo settore, anche alla luce della liberalizzazione del mercato energetico e dalle recentissime innovazioni legislative che hanno più efficacemente liberalizzato e semplificato l’investimento geotermico, creando i presupposti tecnici e scientifici per un grande sviluppo del mercato geotermico in Campania;
– è in atto una repentina transizione dai tradizionali sistemi centralizzati di conversione energetica a piccoli sistemi distribuiti di produzione elettrica e di poligenerazione, soprattutto per contenere le
dissipazioni energetiche dovute al trasporto ed alla distribuzione dei vettori energetici. In quest’ottica, rispetto alle analisi condotte in passato, l’interesse è orientato su una serie di piccoli impianti vicini alle utenze da servire, finalizzati a soddisfare sia le richieste elettriche che termiche, anche rispondendo all’impellente esigenza di orientare l’utilizzo delle tecnologie di sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili per usi termici, applicazione tipica della fonte geotermica, rispetto al vertiginoso incremento di dispositivi alternativi di conversione elettrica, in particolare fotovoltaici.
In Italia, le innovazioni legislative introdotte dal D.L. 11.02.2010 n. 22, soprattutto in materia di autorizzazioni, combinate con il recente riassetto del mercato energetico e il perdurare del regime incentivante sulle fonti rinnovabili, rendono particolarmente remunerativi gli investimenti nel settore
geotermico, creando così i presupposti per un suo grande sviluppo.
I primi riscontri a riguardo sono stati i più di 110 nuovi permessi di ricerca di risorse geotermiche per la produzione di energia elettrica onshore ed offshore che sono stati presentati negli ultimi due anni.
Secondo l’Unione Geotermica Italiana il potenziale produttivo legato a queste iniziative potrebbe largamente superare di circa 100 MW gli obiettivi fissati per il 2020 dal Piano di Azione Italiano per le fonti rinnovabili, che già prevedeva rispetto al 2010 un incremento della potenza geotermoelettrica installata nel paese pari a 170 MWe di 1100 GWh della corrispondente produzione annua. Si può, quindi, prudenzialmente stimare che soltanto nel settore geotermoelettrico, nel prossimo decennio, potrebbero attivarsi investimenti per circa un miliardo di euro.
Questo rinnovato interesse, dovuto non solo alla richiamata remuneratività dell’investimento, ma anche all’improrogabile necessità di una risposta diversificata e sostenibile della domanda energetica, presenta interessanti ricadute tecno-economiche.
Infatti, la maggior parte dei nuovi permessi richiesti riguardano produzioni geotermoelettriche da risorse a media entalpia, oggi rese economicamente sostenibili grazie allo sviluppo tecnologico degli impianti a ciclo binario, in cui l’industria italiana possiede un riconosciuto know-how a livello mondiale. Questo settore potrebbe, a differenza di altre fonti rinnovabili per le cui tecnologie dipendiamo dall’estero, attrarre investimenti sia nazionali che internazionali con ricadute prevalenti sull’economia del nostro paese ed in particolare per la regione Campania.
Un altro aspetto della geotermia, con possibili interessanti sviluppi di natura industriale, riguarda l’utilizzo delle risorse energetiche a bassa entalpia.
Questa presenta margini di crescita ancora maggiori rispetto alla produzione geotermoelettrica, in quanto non è vincolato alla presenza sul territorio di anomalie geotermiche.
Malgrado le favorevoli condizioni di installazione di pompe di calore geotermiche in tutto il nostro territorio rappresentano un invidiabile punto di partenza per la loro diffusione, ad oggi, l’Italia rappresenta solo l’1% del mercato europeo.
Questo gap rispetto all’Europa è dovuto principalmente ad una scarsa conoscenza della tecnologia da parte di tutti gli operatori del settore, oltre alla mancanza di un idoneo quadro normativo.
L’ambizioso obiettivo di questo progetto è cercare di rimuovere alcune delle criticità che hanno sempre inibito un reale sviluppo della geotermia, quali:
– una percezione diffusa negativa degli impatti ambientali delle installazioni geotermiche in parte dovuta alla mancanza di strumenti affidabili per verificarne la sostenibilità ambientale;
– i bassi rendimenti di conversione degli impianti geotermoelettrici alimentati da fluidi a media entalpia;
– la scarsa percezione degli operatori economici della potenzialità di mercato dei dispositivi geotermici.
La finalità del progetto è, quindi, lo sviluppo di alcune tecnologie e di sistemi innovativi per l’uso sostenibile della risorsa geotermica ad alta, media e bassa entalpia con impianti ad elevata efficienza energetica e ridotto impatto ambientale.
Per perseguire tale finalità il progetto si articola in diversi ma interconnessi obiettivi realizzativi (OR) di seguito elencati e brevemente descritti:
OR.1 Studio e progettazione di centrali prototipali geotermoeletriche di quartiere a ridotto impatto ambientale.
Sia lo sviluppo sostenibile della risorsa geotermica ad alta e media entalpia che le direttive riportate nel recente D.M. del 5 luglio 2012 relative alla produzione elettrica da risorse rinnovabili, delineano un quadro che incentiva la realizzazione di impianti di piccola taglia (< 1MWe) che abbiano bassissimo impatto ambientale. Questo scenario indirizza la ricerca industriale verso la messa a punto di tecnologie binarie che,seppure già ampiamente disponibili sul mercato, sono caratterizzate da basse efficienze di conversione energetica ed elevati costi di installazione. Inoltre, tali tecnologie non sono ancora state sufficientemente analizzate in particolari condizioni operative, ad esempio: con fluidi geotermici ad alta entalpia e/o in presenza di elevati contenuti di sali (come ad esempio quelli che caratterizzano l’area geotermica campana) e/o di frazioni elevate di gas non condensabili (come ad esempio i fluidi che caratterizzano l’area geotermica toscana). L’impiego di “Organic Rankine Cycle” (ORC) richiede, quindi, anche la messa a punto di tecniche di trattamento del fluido geotermico prima del suo ingresso nell’impianto al fine di poter utilizzare materiali non convenzionali per ridurre i già elevati costi di investimento e di manutenzione dell’impianto di generazione. OR2 Sviluppo di metodologie di calcolo innovative per prospezione geotermica di superficie Migliorare l’individuazione e la valutazione delle risorse geotermiche può sia fornire il necessario supporto alla pianificazione energetica del territorio, sia servire a ridurre i costi delle perforazioni. Tale obiettivo di ricerca è, pertanto, rivolto allo sviluppo di modelli di calcolo per una più efficace integrazione dei dati provenienti dalle diverse metodologie di prospezione di superficie (magnotellurica, geoelettrica, sismica, geochimica, idrogeochimica, “wireline logging”, ed analisi petrofisiche su campioni), al fine di ottenere una valida definizione dei modelli di serbatoi geotermici. In particolare, in OR.2 si analizzeranno metodologie di inversione e di “cluster analysis”. Una verifica dei risultati ottenuti sarà effettuata con un’applicazione in due aree campione della regione Campania: Mondragone (in sinergia con progetto VIGOR) e Campi Flegrei (dove verrà progettato l’impianto dimostrativo ORC). OR3 Studio, progettazione e realizzazione prototipale di sensori per il logging ed il monitoraggio in pozzo, anche ad alte temperature Le tecnologie di logging, misura e monitoraggio in pozzi sono oggi prevalentemente progettate per l’utilizzo in ambito petrolifero/idrocarburi, mentre la prospezione in pozzi geotermici possiede alcune specificità e criticità peculiari. In particolare, i pozzi geotermici sono generalmente caratterizzati da alte temperature, per cui le tecnologie tradizionali possono essere fortemente limitate. Questo OR è rivolto allo studio, ideazione, realizzazione di alcuni prototipi e relativi test di sistemi innovativi di misura e monitoraggio in pozzi geotermici, basati sull’impiego di fibre ottiche che sono resistenti alle elevate ed elevatissime temperature (per alcune tipologie di fibre, fino ad oltre 800°C). La strumentazione prototipale sarà essenzialmente basata su due tecnologie principali: DTS/DSS (Distributed Temperature/Strain Sensing) e ‘Bragg’s Gratings’. I prototipi di sensori in fibra ottica sviluppati secondo le due diverse tecnologie saranno sperimentati nei pozzi da realizzarsi nel progetto ed in quelli già realizzati nell’ambito del progetto Campi Flegrei Deep Drilling Project (CFDDP) (De Natale e Troise 2011) da INGV-OV. OR.4 Studio, progettazione e sperimentazione di sistemi innovativi per trigenerazione da fonte geotermica su piccola scala L’obiettivo principale dell’ OR.4 consiste nello studio, nell’analisi di fattibilità, nell’ottimizzazione e quindi nella progettazione di piccoli impianti di trigenerazione alimentati da energia geotermica con integrazione ad energia solare. I sistemi oggetto dello studio si basano sul simultaneo utilizzo di differenti tecnologie: una macchina frigorifera ad assorbimento a singolo effetto alimentata direttamente mediante l’energia geotermica disponibile ed un sistema di microgenerazione con motore ORC ad alimentazione ibrida. Per queste tipologie d’impianto saranno sviluppati appositi modelli dinamici per l’analisi delle prestazioni energetiche, economiche ed ambientali. Saranno successivamente indagati appositi casi studio. Lo strumento utilizzato per tali scopi sarà anche il ben noto codice di simulazione TRNSYS. Attraverso quest’ultimo saranno anche eseguite alcune procedure d’ottimizzazione per la definizione dei parametri di progetto e controllo, utilizzando funzioni obiettivo di tipo termo-economiche. Al fine di sperimentare in campo il sistema analizzato nonchè di validare i modelli di simulazione sviluppati, sarà realizzato un innovativo prototipo di impianto di micro-trigenerazione, a servizio di un’utenza del settore terziario, alimentato prevalentemente, ma non esclusivamente, attraverso energia geotermica a bassa temperatura (circa 100 °C). Nel sistema di microgenerazione l’energia geotermica sarà utilizzata per alimentare un macchina ad assorbimento. Inoltre, il sistema sarà dotato di un motore ORC in cui l’energia termica necessaria al funzionamento sarà fornita attraverso la stessa fonte geotermica utilizzata per l’alimentazione della suddetta macchina frigorifera, a tale scopo, si perseguirà un utilizzo ottimale della risorsa, impiegando per l’alimentazione dell’ORC il fluido a circa 100 °C proveniente direttamente dal pozzo geotermico. Durante il giorno, un ulteriore input termico per l’impianto sarà ottenuto attraverso un campo solare, costituito da collettori ad alta efficienza. Tutti i reflui termici del processo (calore di desurriscaldamento e condensazione del ciclo ORC, ed energia associata al contenuto entalpico residuo del fluidi geotermici utilizzati) saranno utilmente impiegati, in funzione dei fabbisogni energetici dell’utenza. In tal modo si potrà incrementare ulteriormente l’efficienza termodinamica complessiva del sistema, con l’obiettivo di mantenere inalterata, almeno in termini quantitativi, la disponibilità complessiva di energia termica per l’utenza del sistema di cogenerazione rispetto al caso di utilizzo diretto della fonte geotermica. OR.5 Sviluppo ed ottimizzazione di sistemi innovativi per l’utilizzo sostenibile di energia geotermica a bassa entalpia inseriti in opere di fondazione e relativa integrazione con sistemi di condizionamento degli ambienti Tra i principali limiti dei sistemi a pompa di calore accoppiati con il terreno (ground coupled heat pumps), sono sicuramente da considerare sia gli elevati costi di scavo/perforazione dovuti all’installazione delle sonde di geo-scambio sia la scarsa disponibilità di spazio per la loro installazione all’interno dei centri urbani, dove la richiesta di condizionamento degli ambienti è naturalmente concentrata e tale da assimizzare i benefici derivanti dall’utilizzo di questi sistemi. Esistono alcuni studi di applicazioni di sonde geotermiche in pali di fondazione, che riportano pochi risultati sperimentali volti soprattutto a dimostrarne la fattibilità. Inoltre, tali studi presenti nella letteratura scientifica sono spesso limitati a situazioni dove le utenze termiche sono prevalentemente di riscaldamento, con conseguenti problemi di rigenerazione termica del terreno. Nonostante i riconosciuti benefici energetici ed ambientali di sistemi di geoscambio accoppiati con sistemi di condizionamento ambientale, permangono notevoli difficoltà legate alla loro diffusione nella pratica comune, dovute alla mancanza di strumenti di progettazione adeguati e consolidate esperienze in campo che ne permettano la validazione delle prestazioni calcolate in fase di progetto. Sono, infine, rare le applicazioni in cui sono state utilizzate opere di fondazione diverse da pali energetici, come ad esempio le gallerie di metropolitane e delle stazioni ferroviarie interrate dove all’interno delle paratie a sostegno degli scavi possono essere facilmente allocate sonde geotermiche. L’interesse industriale delle aziende coinvolte in questo progetto è di dotarsi di strumenti avanzati e affidabili di progettazione di opere di fondazione energetiche, e di dimostrare l’efficacia della loro integrazione con impianti per il condizionamento degli ambienti, anche certificandone le prestazioni. OR.6 analisi degli impatti socio-economico-ambientali. Questo obiettivo intende costruire un quadro informativo dell’impatto del progetto sia a livello sociale (con particolare riferimento agli impatti ambientali delle applicazioni geotermiche) che economico, evidenziando quali sono le ricadute a livello locale e quali attività imprenditoriali avranno un maggior impatto a livello internazionale.