Introduzione all’Atlante Geotermico del Mezzogiorno d’Italia e Valutazione

A. Manzella,

G. Bertini, A. Donato, M. Doveri, A. Ellero, G. Gianelli, G. Gola, A. Minissale, D. Montanari, A.

Santilano, E. Trumpy

CNR-IGG

Obiettivi Realizzativi

• Definire il contributo della geotermia nei Piani Energetici Regionali

• Identificare aree del Mezzogiorno d’Italia di potenziale utilizzo.

• Organizzare dati geotermici oggi frammentari.

• Realizzare sportelli informativi a supporto della politica energetica regionale

• Approfondire la conoscenza dei principali rischi ambientali connessi con la realizzazione di impianti geotermici contribuendo alla definizione di linee guida e regolamenti

• Informazione, promozione e formazione professionale in ambito geotermico

Struttura del Progetto

OR1: Atlante delle risorse geotermiche convenzionali e non convenzionali

OR2: Organizzazione dei dati, progettazione e realizzazione di Data Center Operativi

OR3: Valutazione dei possibili impatti ambientali legati all'utilizzo delle risorse geotermiche

OR4: Informazione, promozione e formazione professionale

le rocce calde secche (HDR), le rocce calde fratturate (HFR), i sistemi geotermici stimolati (EGS) o a circuito chiuso (EGSA);

i sistemi geopressurizzati; i sistemi magmatici; i sistemi a fluidi supercritici; i sistemi a salamoia calda; I sistemi coprodotti.

Attività Previste

• Valutazione delle risorse geotermiche utilizzabile a fini di produzione di energia elettrica con tecnologie sia già mature che in via di sviluppo, comprensiva di valutazione ambientale che permetta una corretta gestione delle risorse.

• Sintesi della valutazione e predisposizione dell’Atlante Geotermico.

• Predisposizione di banche dati consultabili via web utili agli amministratori locali, imprese, cittadini e comunità scientifica.

• Implementazione e integrazione dei sistemi osservativi terrestri per la gestione sostenibile della geotermia.

• Supporto tecnico-scientifico finalizzato alla redazione di linee guida per la minimizzazione di eventuali impatti ambientali della geotermia.

• Attività informative e di formazione, organizzazione della conoscenza ambientale e della sua diffusione e sviluppo di sistemi terminologici per la geotermia e l'ambiente nelle regioni del Mezzogiorno d’Italia.

Risultati Attesi

• Stesura di un Atlante Geotermico per il Mezzogiorno di risorse geotermiche convenzionali e non convenzionali che richiedano tecnologie specifiche per il loro utilizzo e permettano di produrre energia geotermica utile alla conversione in energia elettrica e coproduzione di calore.

• Banca dati aggiornata e sportello informativo geotermico delle regioni del Mezzogiorno

• Analisi di dettaglio dei parametri ambientali e definizione di criteri di gestione e manutenzione sostenibili.

• Materiale informativo, corsi professionali, tesauro.

Indicatori di risultato

• Contributo della geotermia in Programmi Energetici Regionali e Nazionale

• Numero di persone formate in ambito geotermico

• Aumento di richieste di permessi di ricerca geotermici

• Progetti di ricerca per utilizzo risorse geotermiche non convenzionali

Di cosa parleremo

• Descrizione delle Risorse convenzionali e non convenzionali

• Parametri utili alla valutazione

• Come definire le aree “favorevoli all’esplorazione dei sistemi geotermici convenzionali e non convenzionali” e farne un Atlante

Le risorse convenzionali

Un sistema idrotermale è un sistema geotermico dominato dal moto convettivo dell’acqua, la quale infiltrandosi nel sottosuolo attraverso le aree di ricarica, raggiunge le rocce calde permeabili presenti in profondità, assorbe il calore in esse contenute e risale in superficie o a profondità economicamente raggiungibili.

Sistema idrotermale

- La sorgente di calore, che può essere un’intrusione magmatica o il calore radiogenico derivante dal decadimento radioattivo di elementi presenti nella crosta terrestre, quali uranio, torio e potassio; - Il serbatoio geotermico, ovvero un complesso di rocce calde permeabili; - Il fluido, acqua o vapore, che è il mezzo attraverso il quale il calore viene sottratto alle rocce calde; - La copertura sedimentaria, ovvero un insieme di rocce impermeabili che sovrasta il serbatoio geotermico e che mantiene il fluido ad elevate temperature e pressioni.

Perché un sistema possa essere definito “idrotermale” deve essere caratterizzato da quattro elementi fondamentali:

Classificazione

Sulla base del tipo di fluido che caratterizza il serbatoio geotermico i sistemi idrotermali vengono classificati in:

- Sistemi a vapore secco o a vapore dominante, costituiti da vapore secco a temperature e pressioni molto elevate. Esempi di questo tipo di sistemi sono Larderello, The Geyser, New Messico.

- Sistemi a vapore umido o ad acqua dominante costituiti da una miscela di acqua calda e vapore a temperature superiori al punto di ebollizione e ad alta pressione. Sono i sistemi più diffusi al mondo: Mt Amiata

Temperatura della risorsa

Sulla base della temperatura che il fluido geotermico presenta il fluido vengono distinti: - Sistemi ad alta entalpia (T > 150°C) - Sistemi a media entalpia (90°C<T<150°C) - Sistemi a bassa entalpia (T<90°C) A seconda della temperatura la risorsa sarà destinata alla produzione di energia elettrica o ad altre forme d’uso che prevedono più basse temperature. In Atlante ci occuperemo di sistemi di media e alta entalpia per la produzione di energie elettrica e cogenerazione (elettriità, calore, idrocarburi)

Sistemi “ingegnerizzati”

EGS= Enhanced/Engineered Geothermal Systems In questi sistemi il serbatoio viene creato in tutto o in parte artificialmente con operazioni di idrofratturazione e/o con mezzi chimici. Il calore contenuto nelle rocce e nei fluidi che permeano i pori e le fratture (naturali o neo-formate) delle rocce del serbatoio viene parzialmente asportato e trasferito in superficie mediante circolazione di acqua a circuito chiuso, introdotta dall’esterno con pozzi di iniezione ed estratta con pozzi di produzione.

Come funziona

Pozzo di iniezione in roccia a bassa permeabilità e T° sufficiente

Si inietta acqua a P sufficiente a fratturare o ampliare le fratture esistenti Si prosegue con l’idrofratturazione per estendere le fratture

Tramite il pozzo di produzione che intercetta le fratture l’acqua viene fatta circolare e scaldare

Produzione mediante nuovi pozzi e estesa fratturazione/circolazione

EGS, HDR, HWR, HFR

Molti acronimi sono stati coniati nel tempo

HDR Hot Dry Rocks (i primi concetti ed esperimenti in USA, UK, Giappone e Francia)

HWR Hot Wet Rocks

HFR Hot Fractured Rocks

Oggi la sperimentazione ha dimostrato la difficoltà di fratturare la roccia “secca”, e l’efficiacia di operare in rocce già fratturate, per stimolare la fratturazione naturale magari ridotta da self-sealing o altri processi (da studiare)

I progetti attuali, in Francia, Australia e USA sono dedicati a EGS, termine ancora in discussione ma che essenzialmente indica l’aumento artificale di permeabilità in rocce serbatoio. Vantaggi degli EGS:

• possono essere calibrati in modo da assicurare un utilizzo sostenibile della risorsa, utilizzando sistemi di produzione capaci di sostenere i livelli di produzione per lunghi periodi di tempo.

• La longevità della produzione può essere assicurata utilizzando livelli di produzione moderati, che tengano in considerazione le caratteristiche locali della risorsa.

Metodologie di studio

• 1) Analisi e/o raccolta bibliografica dei dati geostrutturali;

• 2) costruzione di un modello concettuale geometrico, con definizione di diversi

domini con caratteristiche geostrutturali omogenee;

• 3) Modello matematico eseguito con programmi di calcolo ad hoc per definire

la densità e l’orientamento delle fratture in profondità.

Risorse magmatiche

Sistemi spesso connessi ad apparati vulcanici attivi con camera magmatica a piccola profondità (< 5-6 km), nei quali la temperatura del fluido utilizzato per l’estrazione del calore dipende da quella al tetto del corpo igneo. Sono state ideate a questo scopo, ma non ancora sperimentate, diverse modalità di captazione del calore.

La possibilità di estrarre energia dal magma è stata presa in considerazione fin dall’inizio della produzione di energia geotermica (es. Carson, 1985). Il concetto è semplice: i magmi hanno un contenuto energetico enormemente più elevato di qualsiasi fluido e sono fonti calore inesauribili alla scala di tempi storici. In prossimità di vulcani o dentro caldere è possibile, con perforazioni, avvicinarsi alla camera magmatica a profondità accessibili, di pochi km.

Sistemi Geotermici Magmatici

Sembrano l’ultima frontiera, ma in realtà: Le rocce in prossimità del magma dovrebbero avere temperature di 400-500°C. I magmi riolitici possono avere temperature di 800-900°C. Iniettando acqua il più possibile vicino al magma, con opportuni sistemi ingegnerizzati dovrebbe essere possibile estrarre un fluido di altissima entalpia per un periodo di tempo molto lungo. Le principali tecnologie considerate sono: i) far circolare acqua a circolazione inversa in pozzi di grande diametro con scarpa di fondo a poche diecine di metri dal tetto della camera magmatica, attrezzati con tubing di risalita all’interno di un casing di iniezione; ed ii) fratturare la cap rock vetrificata al tetto della camera magmatica perforando coppie di pozzi di iniezione e di produzione, per far circolare a loop chiuso acqua di superficie nel serbatoio artificiale creato nella cap rock stessa.

Cosa succede se si perfora il magma? Hawaii, pozzo KS-13, Puna Geothermal Venture, 2488 m di profondità: Riempimento del pozzo con frammenti di vetro vulcanico. Pozzo completato. Pozzo NJ-11 a Nesjavellir, Islanda, durante la perforazione (1985) del volcano Hengill. Pozzo danneggiato e non ultimato. Pozzo IDDP-1, Krafla, Islanda. Rinvenimento di magma riolitico. ll pozzo, dopo opportune modifiche e accorgimenti per prevenire corrosioni da gas, è rimasto aperto e dopo un periodo di raffreddamento con iniezione di acqua è stato completato. Misure termiche indicano una temperatura di circa 500°C a fondopozzo.

Vulcani attivi, camere magmatiche accertate nelle Regioni Atlante

Nel 1980-81 Agip perforò il Pozzo Trecase-1 con l’obiettivo di raggiungere rocce vicine a una presunta camera magmatica superficiale, serbatoio di magma molto recenti (eruzione del 1944) del vulcano Vesuvio. Il pozzo raggiunse delle rocce dolomitiche (189 m fino al fondopozzo, circa 2 km) e rilevò una temperatura di circa 50°C. Questo fiasco geologico fu dovuto a un errato modello concettuale e dal non aver previsto l’azione della circolazione idrotermale in rocce molto porose e fratturate costituenti l’edificio vesuviano. La profondità della camera magmatica resta incerta, ma verosimilmente magmi esistono sotto il Vesuvio a 7-8 (?) km di profondità. Anche per Ischia e per i Campi Flegrei c’è molta incertezza sulla profondità della camera magmatica, che dovrebbe però essere superficiale (2-4 km). Il criterio 1. Di Carson (“Forte evidenza”) viene in tutti i casi a mancare, e il “peso” eventualmente attribuito al parametro “camera magmatica” (profondità e volume) non può che essere basso o basso-medio.

Pertanto…

L’esperienza islandese è fondamentale perché in sostanza indica che l’estrazione di energia dal magma è fattibile mediante l’implementazione di un EGS, sia pure con caratteristiche di temperatura decisamente più elevate. Un’altra peculiarità di questi «EGS magmatici» sarà la presenza di gas e fluidi con caratteristiche aggressive e corrosive, che richiederanno accorgimenti tecnici costosi. Criteri per la favorevolezza. 1) Forte evidenza. Ci deve essere la conferma da più studi e più gruppi di ricerca

delle prove dell’esistenza di un magma a ragionevole profondità, in genere meno di 5 km;

2) Locazione precisa del magma, che deve comprendere non solo il sito, ma anche le dimensioni areali e il suo volume, allo scopo di garantire, da un lato, la certezza di raggiungerlo entro un’area non estesa, e dall’altro, di assicurare un contenuto energetico elevato. Il corpo magmatico deve inoltre essere “superficiale”. La profondità di 5 km è suggerita dalle esperienze islandesi.

Regioni Atlante Indiziate Campi Flegrei, Zona Vesuviana, Eolie, Zone Sottomarine dell’Arco Eolico.

Vulcani subaerei e sottomarini dell’Arco Eolico

Sistemi Geotermici Supercritici

In zone della crosta terrestre ad alto gradiente termico è possibile perforare fino a a raggiungere fluidi supercritici. La condizione ottimale è quella a destra del diagramma (es. punto F), dove si vede che il fluido di serbatoio a circa 3400 m si depressurizza come vapore surriscaldato

(Iceland Deep Drilling Project).

Pozzi geotermici

convenzionali

Pozzi supercritici

Temperatura 235 °C 430-550 °C

Pressione 30 bar 230-260 bar

Flusso volumetrico

0.67 m3/s 0.67 m3/s

Potenza elettrica

Circa 5 MWe Circa 50 MWe

Per tutte le risorse supercritiche

E’ importante:

1) Predire la durata della risorsa geotermica e le dimensioni del serbatoio.

2) Caratterizzare le unità geologiche profonde e capire se il fluido esiste in rocce in uno stato semi-plastico, e se può essere estratto.

3) Esperimenti di laboratorio (Hashida et al., 2001; Tsuchiya et al., 2001) dimostrano che, a circa 25-50 MPa e 400-600 °C, una roccia granitica può ancora permettere la circolazione di fluidi, attraverso fratture non saldate.

Sono particolari tipi di sistema idrotermale, nei quali, a causa di peculiari

caratteristiche genetiche delle acque originalmente presenti nel sistema,

sigillamento laterale del serbatoio per intervenute diverse condizioni

idrogeologiche e/o a causa di incrostazioni idrotermali, scarso ravvenamento

con acque meteoriche “fresche”, e soprattutto a causa di una prolungata

circolazione convettiva azionata da forti valori del gradiente geotermico in

ambiente chiuso ad alta temperatura, le acque originali hanno subìto un lungo

processo di concentrazione salina raggiungendo i tenori di una vera e propria

salamoia (TDS totale >> 10 mg/l).

Si tratta di sistemi i cui fluidi, se da una parte per essere utilizzati a fini

geotermoelettrici richiedono elaborati e costosi trattamenti chimici e particolari

impianti di generazione, hanno dall’altra il vantaggio di poter produrre

composti minerali pregiati.

Sistemi a salamoia calda

Consiglio Nazionale delle Ricerche Dipartimento Terra e Ambiente

Sono particolari tipi di sistema idrotermale, nei quali, a causa di peculiari

caratteristiche genetiche delle acque originalmente presenti nel sistema,

sigillamento laterale del serbatoio per intervenute diverse condizioni

idrogeologiche e/o a causa di incrostazioni idrotermali, scarso apporto di acque

meteoriche “fresche”, e soprattutto a causa di una prolungata circolazione

convettiva azionata da forti valori del gradiente geotermico in ambiente chiuso

ad alta temperatura, le acque originali hanno subito un lungo processo di

concentrazione salina raggiungendo i tenori di una vera e propria salamoia

(TDS totale >> 10 mg/l).

Si tratta di sistemi i cui fluidi, se da una parte per essere utilizzati a fini

geotermoelettrici richiedono elaborati e costosi trattamenti chimici e particolari

impianti di generazione, hanno dall’altra il vantaggio di poter produrre

composti minerali pregiati.

Sistemi a salamoia calda

CESANO

CESANO

Sistemi Geotermici con Salamoie

I sistemi geotermici con salamoie non sono comuni. L’esempio più noto è quello di Salton Sea, nell’Imperial Valley della California. In Italia c’è il sistema geotermico di Cesano nei monti Sabatini. I sistemi geotermici a salamoia sono eccezionali e la loro scoperta occasionale. Le salamoie sono direttamente o indirettamente collegate ad attività magmatica. Se l’attività e recente le salamoie possono essere a temperature e pressioni di serbatoio economiche, fatti salvi i problemi ambientali. Il contenuto di metalli e/o elementi strategici può rendere più interessante la captazione delle salamoie, abbinando la produzione di energia elettrica con il recupero di elementi strategici.

“Pleasant Bayou”

Geopressured Demonstration

Plant

Sistemi Geopressurizzati

Un sistema geotermico-geopressurizzato è caratterizzato da:

• Pressione di strato superiore a quella idrostatica

• Temperature dei fluidi elevate

• Contenuto di idrocarburi gassosi in soluzione tale da aumentare considerevolmente la quantità di energia producibile.

Caratteristiche

Da Papadopulos, 1975

Trigenerazione di energia

Energia termica (Fluido geotermico)

Energia chimica (Gas Naturale)

Energia cinetica (P.idraulica)

Sistema geotermico geopressurizzato

Processo produttivo

Il metodo per poter produrre energia da

questa risorsa è stata brevettata nel 1966,

(Hottman), considerando i ben conosciuti sistemi

geopressurizzati del Golfo del Messico in

Texas e Louisiana.

Da Campbell

Studi pregressi

Gli USA hanno importanti reservoir geotermici-geopressurizzati. Il governo (DOE) ha creduto in questa tipologia di risorsa stanziando circa 200 M$,

tra gli anni ’70-’90, per due importanti programmi di ricerca “Wells of Opportunity” e “Design Well”.

Il pozzo più importante è il “Pleasant Bayou”, grazie al quale è stata dimostrata con successo la produzione di energia elettrica da questa risorsa (impianto ibrido a ciclo

binario da 1MW in produzione dal 1988 al 1990).

La Louisiana Geothermal LLC sta attualmente sviluppando un progetto geotermico geopressurizzato con trigenerazione di energia rendendo il progetto fattibile da un

punto di vista commerciale ed economico.

Studi pregressi

Potenziali serbatoi

individuati nelle

due principali

formazioni

sabbiose

geopressurizzate

(Frio e Wilcox) del

Texas (da Esposito

et alii, 2011)

Caratteristiche geologiche

• La genesi dei sistemi GT-GP è molto spesso connessa ad ambienti deposizionali clastici bacinali;

• La sovrapressione è dovuta principalmente alla mancata espulsione dei fluidi durante processi di subsidenza-seppellimento-compattazione (direttamente proporzionale al tasso di seppellimento e inversamente proporzionale alla permeabilità delle rocce circostanti);

• Questi ambienti deposizionali favoriscono la formazione di idrocarburi gassosi (presenti in soluzione nelle brine o anche “free” per sovrasaturazione).

Da John et alii, 1998

Parametri di valutazione

•Gradiente di Temperatura

•Gradiente di Pressione

•Rapporto gas/acqua, Contenuto di metano in soluzione e condizioni di saturazione

•Ambiente deposizionale (Silicoclastico, Carbonatico)

•Litologia

•Tasso di sedimentazione

•Spessore dei sedimenti

• Parametri fluido in formazione (Salinità-Pressione-Temperatura)

Case Study

Falda di gela ed avanfossa

Case Study

Case Study

Dati pressione pozzi petroliferi

Case Study

Pozzi con manifestazioni di metano (anche solo tracce)

Case Study

Gradiente di temperatura & Profondità top carbonatico

Case Study

Valutazione preliminare

Sistemi geotermici coprodotti

Rocky Mountain

Oilfield Testing Center, Unità

“ORMAT” 250 KW

Coproduzione

Energia termica (Fluido geotermico)

Energia chimica (Gas Naturale)

Sistema geotermico coprodotto

Caratteristiche

• Storicamente l’acqua prodotta in campi ad idrocarburi è stata considerata un inconveniente (con cospicui costi di smaltimento).

• Può essere considerata una risorsa per la produzione di energia elettrica, aumentando il ciclo di vita economico dei campi a gas e olio, potendo inoltre sfruttare le infrastrutture abbandonate dei campi considerati esausti (es. pozzi “watered out”).

Studi pregressi

Il GTP (Geothermal Technologies Program), il Rocky Mountain Oilfield

Testing Center (RMOTC) in Wyoming , il National

Renewable Energy Lab (NREL) e la ORMAT NEVADA

stanno attualmente portando avanti la

coproduzione di energia elettrica.

Reinhardt et al_2011

Sist

emi E

GS

Sist

emi n

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ATLANTE

Possiamo e dobbiamo fare molto di più. Come?

• Calcolando e verificando i gradienti superficiali, i modelli termici

• Calcolando valori che indicano quanto ciascuna area sia favorevole ad ospitare i diversi tipi di risorsa, indicando le aree più idonee all’esplorazione di dettaglio

DEVIAZIONE POZZO

Inclinazione

Azimut

STRATIGRAFIA

Età

Formazione

Litologia

MINERALIZZAZIONE

Intervallo

Tipo fluido

FRATTURAZIONE POROSITA’

Assorbimenti

Perdite di circolazione

Banca Dati

PROVE DI STRATO

Intervallo

Fluido

Portata

Pressioni di strato

ANALISI FLUIDO

Analisi chimiche

Analisi fisiche

TEMPERATURA

BHT

Temperature DST

Log termici

Gradienti geotermici

UNITA’ LITOTERMICHE

Conducibilità termica della matrice Classi di conducibilità termica

Revisione litostratigrafia

Profilo finale Documento riassuntivo delle attività di esplorazione

È possibile estrarre e/o derivare numerose informazioni per caratterizzare la risorsa geotermica.

SCALA 1:1000

Masterlog

Dati di Temperatura

Temperature di fondo pozzo (BHT): • non stabilizzate • sottostimano la reale temperatura di formazione (RFT) • necessitano di una correzione per estrapolare la RFT

Mappe Geotermiche

• Temperature a differenti profondità • Gradiente geotermico

• Si basano su osservazioni dirette • Non necessitano correzioni

Hanno l’obiettivo di presentare le reali condizioni del campo di temperatura in profondità.

L’estrapolazione di TEMPERATURE a PROFONDITA’ tra i 5-10 km si devono basare su dati di FLUSSO DI CALORE o GRADIENTE GEOTERMICO corretti per gli effetti di superficie.

HANNO UN LIMITE IN PROFONDITA’ Diversi fattori di disturbo possono influenzare il campo di temperatura nei livelli da cui provengono le misure dirette.

Modello Termico (0 – 5 Km)

TOPOGRAFIA

GEOMETRIA SERBATOIO

TEMPERATURA SUPERFICIALE

GRADIENTI GEOTERMICI

CAMPO DI TEMPERATURA

(0 – 5 Km)

Modellare il trasferimento di calore

Conduzione in mezzi porosi

Conduzione + Convezione

Q = sorgente radiogenica di calore k = conducibilità termica del sistema roccia-fluido

u = campo di velocità del fluido

Condizioni al contorno 1) T(z=0) temperatura superficiale 2) HF(z=L) flusso di calore alla base del modello

oppure T(z=L) temperatura alla base del modello

Unità litotermiche

Roccia = sistema BIFASE (SOLIDO + FLUIDO) Classificazione basata sulle proprietà termiche della matrice della roccia (k - conducibilità termica, ρc - capacità termica, A- sorgente calore radiogenico) Sono definite almeno 9 CLASSI riconducibili alle litologie attraversate dai pozzo esplorativi profondi. Non necessariamente tali unità litotermiche coincidono con le stratigrafia, formazioni ed età descritte nei profili finali di pozzo.

Modello Termico (0 – 10 Km) TOPOGRAFIA

GEOMETRIA UNITA’

LITOTERMICHE

TEMPERATURA SUPERFICIALE

HF o TEMP ALLA BASE DEL

MODELLO

CAMPO DI TEMPERATURA

(0 – 10 Km)

Input necessari

• Superfici 3D che descrivono l’andamento in profondità delle UNITA’ LITOTERMICHE

• Dettaglio decrescente con la profondità anche in funzione dei dati disponibili in letteratura

1. COPERTURA → differenziare livelli correlabili tra pozzi 2. SERBATOIO → riferendoci alle formazioni Mesozoiche, differenziare i

calcari e le dolomie 3. BASAMENTO

• A livello regionale, informazioni sull’evoluzione geodinamica (età, durata e limiti spaziali dell’ultimo evento TETTONOTERMICO)