Introduzione all'energia geotermica: trasformare il calore sotterraneo in elettricità con sistemi flash e binari.

Contents — find the section you need

A differenza dell'energia solare ed eolica, l'energia geotermica non è soggetta alle condizioni meteorologiche. Il calore del magma proveniente dalle profondità del sottosuolo è presente giorno e notte, con la pioggia o con il sole. Per questo motivo, l'energia geotermica è da tempo considerata "la fonte rinnovabile in grado di fornire energia di base". Eppure, il Giappone, situato sulla Cintura di fuoco del Pacifico e con uno dei più grandi giacimenti geotermici al mondo, ha una capacità installata che rimane esigua rispetto a tale risorsa. Il divario non dipende tanto dalla fisica del vapore in sé, quanto dalla difficoltà di conoscere con precisione cosa si trovi nel sottosuolo e dai vincoli sociali legati alla sovrapposizione degli interessi in superficie. Questo articolo analizza le due tecnologie di base – i sistemi flash e binari – per poi passare al processo di valutazione delle risorse, al quadro normativo giapponese e ai progetti dimostrativi per le tecnologie di nuova generazione.

In sintesi

Ciò che rende un giacimento sotterraneo utilizzabile per la produzione di energia geotermica è la combinazione di tre elementi: calore, acqua e permeabilità (gli spazi attraverso i quali l'acqua può muoversi). La tecnologia utilizzata varia a seconda che si tratti di risorse in cui è possibile estrarre direttamente vapore ad alta temperatura o di risorse a temperatura medio-bassa che contengono acqua calda ma non producono vapore.

Le risorse ad alta temperatura, comprese tra 200 e 350 °C, sono adatte al metodo flash (che fa ruotare una turbina direttamente con il vapore separato dall'acqua). Le risorse a temperatura medio-bassa, intorno agli 80-150 °C, sono adatte al metodo binario (un ciclo Rankine a circuito chiuso che utilizza un fluido di lavoro a basso punto di ebollizione).

Le risorse geotermiche del Giappone sono tra le terze più grandi al mondo, ma la capacità installata ne sfrutta solo una parte. Le ragioni non sono univoche: lunghi tempi di sviluppo, rischio di fallimento nell'esplorazione, normative dei parchi nazionali e coordinamento con i gestori delle sorgenti termali sono tutti fattori interconnessi.

La geotermia è una risorsa che non si può conoscere appieno senza perforare. Anche dopo aver aumentato la fiducia attraverso indagini geofisiche e analisi chimiche, la fattibilità di un progetto viene spesso confermata solo dopo la perforazione dei pozzi di produzione, e i periodi di sviluppo superano comunemente i dieci anni. - Come tecnologie di nuova generazione, sono in corso ricerche sugli EGS (Enhanced Geothermal Systems), che creano artificialmente permeabilità, e sullo sfruttamento di fluidi geotermici supercritici più profondi. Entrambe le tecnologie sono ancora in fase dimostrativa e la commercializzazione è ancora lontana.

1. Cos'è una risorsa geotermica? — Le tre condizioni: calore, acqua e permeabilità

Più si scende in profondità nella Terra, più la temperatura aumenta. Il gradiente geotermico medio della crosta terrestre è di circa 25-30 °C per chilometro, ma nelle zone vulcaniche una camera magmatica può risalire fino alla superficie, producendo un aumento di temperatura locale molto più rapido. Il solo calore non è sufficiente a generare energia. Solo quando sono presenti sia l'acqua, che trasporta il calore verso l'esterno, sia la permeabilità (fratture altamente permeabili all'acqua o strutture porose che consentono all'acqua di attraversare la roccia), si può parlare di un giacimento geotermico economicamente sfruttabile.

L'esplorazione delle risorse inizia con l'individuazione di siti promettenti tra sorgenti termali superficiali, fumarole e strutture geologiche. Le indagini di resistività (indagini elettromagnetiche come il metodo MT) stimano la diffusione dell'acqua calda sotterranea, mentre la termometria geochimica – che calcola a ritroso la temperatura del sottosuolo a partire dalla composizione chimica di gas e acqua – valuta la qualità della risorsa. Ma questi sono solo indizi indiretti; la reale disponibilità di vapore o acqua calda in quantità economicamente sfruttabili si può stabilire solo dopo la perforazione di un pozzo. La perforazione di un singolo pozzo esplorativo costa centinaia di milioni di yen e richiede molto tempo, e non è raro che un pozzo si riveli non economicamente redditizio anche dopo la perforazione. Questo "rischio di esplorazione", a carico dello sviluppatore, è una caratteristica che distingue nettamente l'energia geotermica dalle altre fonti rinnovabili.

L'alta temperatura del sottosuolo è sufficiente per la produzione di energia?

Anche la disponibilità di fluidi, la permeabilità, i pozzi, la reiniezione e le attrezzature sono importanti. Valutare l'estrazione di calore sostenibile, non solo la temperatura.

2. Sistemi Flash — Utilizzo diretto del vapore ad alta temperatura

Il metodo flash prende la miscela ad alta temperatura e alta pressione di acqua calda e vapore estratta dal sottosuolo e la fa passare attraverso un separatore, abbassando la pressione in modo che bolla istantaneamente ("flash") e si separi in vapore e salamoia. Il vapore separato va direttamente alla turbina e fa girare il generatore. La salamoia rimanente può talvolta essere sottoposta a un secondo flash a una pressione ancora inferiore per estrarre ulteriore vapore. Si chiama doppio flash. Rispetto al singolo flash, si dice che il doppio flash estragga circa il 10-25% in più di potenza dalla stessa risorsa ed è ampiamente adottato come metodo per sfruttare al meglio una risorsa esistente.

Dopo aver compiuto lavoro nella turbina, il vapore viene condensato in un condensatore e la torre di raffreddamento disperde il calore. Il progetto standard riporta l'acqua calda e la condensa utilizzate nella produzione nel sottosuolo attraverso un pozzo di iniezione: questo non solo previene l'esaurimento della risorsa, ma contribuisce anche a ridurre la subsidenza del terreno e lo scarico di acqua calda in superficie. Semplificando il lavoro fornito alla turbina, utilizzando la portata massica $\dot m$ , l'efficienza della turbina $\eta_t$ e la differenza di entalpia in ingresso/uscita $h_{in}-h_{out}$ , si può approssimare come:

P \approx \dot m\,\eta_t\,(h_{in}-h_{out})

Poiché la differenza di entalpia è determinata dalle condizioni di pressione e temperatura del vapore, una risorsa più calda produce una maggiore potenza a parità di energia. Portata massica. Ecco perché il metodo flash è adatto alle risorse ad alta temperatura nella classe 200-350 °C.

Il vapore spesso contiene gas non condensabili come l'acido solfidrico (H₂S) e l'anidride carbonica, che causano problemi di odore e corrosione. Questi richiedono un trattamento con estrattori di gas e apparecchiature di desolforazione, insieme a una progettazione delle emissioni che tenga conto della dispersione atmosferica e delle normative di sicurezza locali. Il metodo flash è una tecnologia matura e ha rappresentato il pilastro della produzione di energia geotermica su larga scala a livello mondiale.

3. Sistemi binari: far funzionare un ciclo Rankine con un fluido a basso punto di ebollizione

Non tutte le risorse geotermiche sono sufficientemente calde per estrarre vapore direttamente. Nelle risorse di acqua calda a temperatura medio-bassa, intorno agli 80-150 °C, è difficile far bollire l'acqua direttamente per far girare una turbina. È qui che entra in gioco il metodo binario. Il calore del fluido geotermico viene prima trasferito, tramite uno scambiatore di calore (un evaporatore), a un fluido di lavoro organico con un punto di ebollizione inferiore a quello dell'acqua (idrocarburi come pentano e isobutano, o alternative di tipo refrigerante), e il vapore di tale fluido fa girare la turbina. Poiché il fluido geotermico stesso non entra mai in contatto con la turbina — solo il fluido di lavoro a circuito chiuso circola attraverso la turbina, il condensatore e la pompa — questo è anche chiamato ciclo Rankine organico (ORC).

Minore è la differenza di temperatura tra la sorgente di calore e il lato di raffreddamento, minore è il limite superiore teorico di lavoro che un motore termico può estrarre. Espresso in forma di efficienza di Carnot,

\eta_{Carnot}=1-\frac{T_c}{T_h}

dove $T_h$ è la temperatura assoluta della sorgente di calore (il fluido geotermico) e $T_c$ quella del lato di dissipazione del calore (aria ambiente o acqua di raffreddamento). Rispetto alle risorse a oltre 200 °C utilizzate dal metodo flash, le risorse a temperatura medio-bassa prese di mira dal ciclo binario Il metodo ha un $T_h$ inferiore e un divario minore da $T_c$ , quindi questo limite teorico stesso è inferiore. L'efficienza termica effettiva è ulteriormente influenzata dalla scelta del fluido di lavoro, dalle prestazioni dello scambiatore di calore e dalle oscillazioni stagionali della temperatura dell'aria esterna, ed è generalmente inferiore al metodo flash, che utilizza direttamente il vapore. Ciononostante, poiché il fluido geotermico non tocca mai direttamente la turbina, è più facile evitare la formazione di incrostazioni e la corrosione nelle tubazioni e nella turbina, e poiché si tratta di un circuito chiuso, le emissioni nell'atmosfera sono minime. Soprattutto, il suo valore maggiore è la capacità di convertire risorse di acqua calda a media e bassa temperatura – risorse che il metodo flash non potrebbe utilizzare per la produzione di energia – in elettricità.

Anche il metodo binario, che genera energia dall'acqua calda dei pozzi termali esistenti senza ridurre significativamente il volume di scarico della sorgente termale stessa, sta attirando l'attenzione come una forma più facile da integrare con le comunità locali. Esiste anche un "ciclo combinato flash-binario", che Recupera il calore residuo dalla salamoia rimasta dopo il processo di flash in una risorsa ad alta temperatura — calore che il metodo flash non potrebbe utilizzare — con un ciclo binario, e anche questo viene utilizzato come metodo per aumentare la produzione da una risorsa esistente.

4. Cosa distingue il metodo flash da quello binario

|---|---|---|---|---|

| Doppio flash | Paragonabile o superiore al flash singolo | Vapore geotermico (separazione a due stadi) | Aumenta la produzione dalla stessa risorsa di circa il 10–25% | Apparecchiature più complesse, maggiore quantità di salamoia da gestire |

| Binario (ORC) | ~80–150 °C | Fluido a basso punto di ebollizione come il pentano | Può utilizzare Risorse a temperatura medio-bassa, basso impatto ambientale grazie al ciclo chiuso | Una minore differenza di temperatura significa un'efficienza termica relativamente inferiore |

5. La situazione del settore geotermico giapponese: il divario tra volume delle risorse e capacità installata

Le risorse geotermiche del Giappone sono considerate tra le terze più grandi al mondo (dopo Stati Uniti e Indonesia), eppure la capacità installata effettiva non ha raggiunto un livello commisurato a tale risorsa. La centrale elettrica di Hatchobaru (Prefettura di Oita), gestita da Kyushu Electric Power, ha una potenza di 110.000 kW ed è il più grande impianto geotermico del paese, sufficiente a coprire il fabbisogno di decine di migliaia di famiglie. Ma il fatto stesso che sia il "più grande" del Giappone la dice lunga su quanto lo sviluppo sia in ritardo rispetto alla base di risorse.

Non c'è un'unica ragione per cui lo sviluppo fatichi ad avanzare.

Lunghi tempi di sviluppo: non è insolito che passino dieci anni o più dalla fase di rilevamento all'entrata in funzione commerciale. Solo dopo i rilievi di superficie, L'esplorazione geofisica, la perforazione di più pozzi esplorativi e una valutazione ambientale possono consentire di prendere una decisione sulla commercializzazione.
Costi e rischi di esplorazione e sviluppo: ci sono casi in cui viene perforato un pozzo esplorativo ma il progetto non raggiunge mai la commercializzazione, e la struttura tende a lasciare lo sviluppatore da solo a sopportare il rischio di non recuperare l'investimento iniziale.
Sovrapposizione con le normative dei parchi nazionali: molte aree ricche di risorse si trovano all'interno di parchi nazionali vulcanici o quasi-parchi nazionali, e lo sviluppo richiede vari permessi, oltre alla considerazione del paesaggio e dell'ambiente naturale. Questo punto è emerso ripetutamente nelle discussioni governative sulla riforma normativa.
Coordinamento degli interessi con i gestori delle sorgenti termali: le sorgenti termali sono una risorsa importante per il turismo e le economie regionali del Giappone, e la preoccupazione che l'energia geotermica possa influire sul volume di scarico, sulla qualità dell'acqua o sulla temperatura di una sorgente termale può comportare lunghe negoziazioni con le associazioni termali locali. Gruppi come la Japan Spa Association hanno, in alcuni casi, presentato richieste di opposizione all'allentamento delle normative sullo sviluppo geotermico all'interno dei parchi nazionali.

All'interno di questi A causa dei vincoli, gli sviluppatori utilizzano soluzioni tecniche alternative, come la perforazione direzionale ad angolo, che posiziona la testa del pozzo in un punto meno problematico dal punto di vista paesaggistico o normativo, pur puntando alla risorsa sotterranea, per bilanciare i costi con l'accettazione sociale. La sfida per l'energia geotermica non è la fisica del vapore, ma la costruzione del consenso sociale su "dove e come perforare".

6. Impatto ambientale e monitoraggio

Poiché l'energia geotermica non brucia combustibili, non produce quasi nessun gas serra derivante dalla combustione. Detto questo, gas come l'acido solfidrico disciolto nel fluido geotermico possono influenzare l'atmosfera e l'ambiente circostante se non trattati adeguatamente. Se l'equilibrio a lungo termine tra pompaggio e reiniezione di acqua calda viene alterato, ciò può portare a una diminuzione della pressione del giacimento e a cedimenti del terreno, quindi la gestione del posizionamento dei pozzi di iniezione e del volume reiniettato ha la stessa importanza del piano di produzione stesso.

Quando si sviluppa in prossimità di un'area termale, è fondamentale monitorare continuamente il volume di scarico, la temperatura e la qualità dell'acqua delle sorgenti termali circostanti prima ancora dell'inizio delle operazioni, e disporre di un sistema di monitoraggio. Riuscire a cogliere rapidamente qualsiasi cambiamento è essenziale per mantenere la fiducia della comunità locale. Oltre ai margini di sicurezza tecnici, questo tipo di monitoraggio e divulgazione delle informazioni è ciò che sta alla base della sostenibilità sociale dell'energia geotermica.

7. Tecnologia di nuova generazione: EGS e geotermia supercritica

L'energia geotermica convenzionale è stata limitata alle risorse "idrotermali", dove calore, acqua e permeabilità coincidono naturalmente. L'EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems), al contrario, è una tecnologia che applica pressione idraulica a rocce calde ma scarsamente permeabili per creare artificialmente una rete di fratture, quindi fa circolare acqua attraverso di esse per estrarre calore. Se avrà successo, potrebbe trasformare vaste masse di roccia ad alta temperatura, che in precedenza non erano mai state considerate una risorsa, in risorse geotermiche.

Utah FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy), sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), è un campo dimostrativo dedicato alla validazione della tecnologia EGS. Vicino a Milford, nello Utah, il progetto ha perforato un pozzo a Nel 2021 è stato realizzato un pozzo con un angolo di 65 gradi e nel 2023 è stato combinato con un secondo pozzo per creare un serbatoio artificiale; si dice che sia riuscito a recuperare più di due terzi dell'acqua iniettata dall'altro pozzo. Il progetto ha ottenuto una proroga fino al 2028 insieme a finanziamenti aggiuntivi ed è nella fase di superamento degli ostacoli tecnici per l'utilizzo pratico, uno alla volta.

La ricerca mirata a profondità ancora maggiori si concentra sulla geotermia supercritica. L'Iceland Deep Drilling Project (IDDP) ha studiato se il fluido geotermico supercritico, che raggiunge temperature di 400-600 °C a profondità di 4-5 km, possa essere utilizzato. Il pozzo IDDP-2 (Reykjanes), completato nel 2017, avrebbe confermato condizioni supercritiche di 426 °C e 340 bar di pressione a una profondità di 4,5 km. Il fluido supercritico ha un'alta entalpia e si dice che lo stesso Un pozzo geotermico potrebbe potenzialmente estrarre molta più energia di un pozzo geotermico convenzionale, sebbene molte sfide tecniche rimangano da affrontare prima della commercializzazione, tra cui la tecnologia di perforazione, i materiali per i pozzi e le contromisure contro la corrosione.

Entrambe le tecnologie sono ancora in fase di dimostrazione e ricerca, e nessuna delle due ha raggiunto il punto di sostituire le attuali tecnologie flash e binarie. Tuttavia, poiché hanno il potenziale di ampliare la definizione di risorsa geotermica da "un luogo in cui acqua e permeabilità coincidono" a "ovunque esista roccia calda", questo è un campo di ricerca che potrebbe sostanzialmente rimodellare il futuro dell'energia geotermica.

Riepilogo: Una prospettiva per interpretare l'energia geotermica

La tecnologia dell'energia geotermica stessa – la differenza tra flash e binaria – è determinata quasi meccanicamente dalla temperatura della risorsa. Ciò che vale effettivamente la pena esaminare quando si valuta l'energia geotermica in Giappone non è la dimensione della risorsa, ma la questione pratica di quanto tempo e denaro siano necessari, e quali normative e coordinamento di interessi debbano essere superati, per trasformare tale risorsa in elettricità.

Quando si esamina un progetto geotermico, vale la pena verificare Di seguito:

Qual è la temperatura della risorsa e si tratta di un ciclo flash, binario o combinato?
Qual è il tempo previsto dalla prospezione all'entrata in funzione commerciale e chi si assume il rischio di esplorazione?
Qual è il suo rapporto con i parchi nazionali e le aree termali e qual è lo stato delle trattative locali?
Esiste un piano per il posizionamento dei pozzi di iniezione e per la gestione a lungo termine del giacimento?

Tenendo a mente questi quattro punti, è possibile leggere le notizie sull'energia geotermica non solo come la cifra della "terza risorsa più grande al mondo", ma con la consapevolezza del percorso effettivo che deve compiere prima di trasformarsi in elettricità.

Verifica la tua comprensione