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DS:HDR Documento completo

 

 

 

LA PRINCIPALE RISERVA DI ENERGIA PULITA E RINNOVABILE

(Il calore racchiuso nelle rocce della crosta terrestre costituisce la più diffusa, imponente ed inesauribile riserva di energia del nostro Pianeta)

 

 

Varie sono le fonti di energia proposte per limitare il ricorso ai combustibili fossili ma nessuna, energia idroelettrica a parte, ha avuto fino ad oggi successo vuoi perché, come il nucleare, potenzialmente in grado di fornire quantità rilevanti di energia a costi compatibili con le necessità dell’economia, ma con gravi problemi irrisolti riguardo alla sicurezza ed allo smaltimento definitivo delle scorie prodotte, oppure perché, come il solare o l’eolico, non in grado di essere alternativi al petrolio (possono sostituirne solo una piccola quota) e con problemi sia riguardanti la loro incostanza di approvvigionamento che, rispettivamente, gli alti costi di produzione e il forte l’impatto paesaggistico.

Una fonte energetica, invece, potenzialmente ottimale per lo scopo indicato in quanto diffusa universalmente, pulita, rinnovabile e costantemente disponibile, e pertanto perfettamente in grado di sostituire il ricorso ai combustibili fossili, è l’energia geotermica, intesa come il calore presente nel sottosuolo, naturalmente contenuto nelle rocce della crosta terrestre.

Parere questo espresso con chiarezza nel sito del DOE (Department Of Energy degli Stati Uniti) http://www1.eere.energy.gov/geothermal/overview.html:

the geo (earth) thermal (heat) energy is an enormous, underused heat and power resource that is clean (emits little or no greenhouse gases), highly reliable (average system availability of 95%), and home-grown (making us less dependent on foreign oil)”

È sufficiente, infatti, osservare la distribuzione della temperatura sotto la superficie della Terra per comprendere come il calore interno costituisca senza alcun dubbio la più importante riserva d'energia del nostro pianeta.

 

internaltemp.jpg

Temperature interne della Terra

 

 

Purtroppo, però, siamo oggigiorno in grado di utilizzare solo una parte del tutto trascurabile di tale calore; riuscire ad accedere a questa forma di energia pulita, inesauribile e diffusa significherebbe dare una risposta concreta ad alcune delle sfide più importanti del terzo millennio:

  • combinare sviluppo industriale e vivibilità del pianeta;

  • ridurre i conflitti tra Paesi produttori di petrolio e Paesi consumatori;

  • mettere a disposizione delle popolazioni povere del terzo mondo dell’energia necessaria per il loro sviluppo a prezzi accessibili.

 

Il più semplice dei metodi finora utilizzati per sfruttare il calore della Terra è quello di raccogliere ed utilizzare i fluidi caldi che risalgono in superficie attraverso le spaccature della crosta terrestre (geyser, fumarole e sorgenti calde ) come avviene in numerosi impianti termali esistenti in varie parti del mondo.

 

Blue Lagoon e impianto geotermico di Svartsengi (Islanda)

 

 

Lo sfruttamento dell’energia geotermica viene effettuato anche raggiungendo, per mezzo di apposite trivellazioni, i fluidi caldi che si accumulano in serbatoi geotermici naturali (idrotermali) presenti nel sottosuolo in alcune nazioni.

 

Pozzo geotermico per l'estrazione di vapore dal sottosuolo

 

Il calore estratto da tali serbatoi è utilizzato per produrre energia elettrica o, direttamente (http://www1.eere.energy.gov/geothermal/pdfs/directuse.pdf), per riscaldare abitazioni civili, serre...

 

Gli elementi che costituiscono un impianto geotermico sono:

a) un serbatoio idrotermale naturale costituito da rocce fratturate e ad elevata temperatura contenenti fluidi (acqua, vapore e gas) circolanti in esso;

b) i pozzi di produzione e reiniezione dei fluidi;

c) una rete di tubazioni per il trasporto del vapore o dell’acqua ad elevata temperatura dalle postazioni alla centrale;

d) una rete di acquedotti per l’invio ai luoghi di utilizzo diretto delle fasi liquidi e/o per la loro reiniezione finale nel serbatoio idrotermale di provenienza.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schema di un impianto geotermico per produzione di energia elettrica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Impianto geotermico a singolo flash

 

Se il fluido estratto è costituito da vapore dominante (come a Larderello, in Toscana, e a The Geysers, in California), è possibile inviarlo direttamente alle turbine collegate con un generatore elettrico, negli altri casi è necessario un separatore di vapore.

Nel caso, invece, di fluidi costituiti da acqua dominante, aventi temperatura minore di 180°C, è più indicato un impianto a ciclo binario nel quale i fluidi estratti vengono fatti dapprima passare attraverso uno scambiatore dove cedono calore ad un fluido secondario a basso punto di ebollizione che viene portato allo stato di vapore.

L’aggiunta eventuale di un condensatore consente in entrambi i sistemi di migliorare l’efficienza delle turbine.

È estremamente importante notare come, negli impianti a ciclo binario (v. impianto di Latera, presso il lago di Bolsena), i fluidi estratti non vengano mai in contatto con l'ambiente esterno cui cedono unicamente calore.

 

 

Impianto a ciclo binario

 

È opportuno sottolineare il grande vantaggio rappresentato dall’energia geotermica se paragonata ad altre rinnovabili quali quelle eolica e solare: mentre queste ultime hanno carattere di non continuità, le centrali geotermiche vengono esercite 24 ore al giorno e forniscono quindi carico di base, sostituendo pertanto la capacità installata con gli impianti termici.

L'Italia è stato il primo paese al mondo a sviluppare questa tecnologia, con un primo esperimento effettuato a Larderello nel 1904 e la prima centrale da 250 kWe installata nel 1913. Attualmente l’energia elettrica prodotta nel nostro Paese con il calore geotermico costituisce circa il 10% di tutta quella prodotta nel mondo con tale fonte.

 

Impianto geotermico neozelandese

 

 

I serbatoi geotermici naturali, però, sono estremamente rari per la necessità di avere rocce calde poco profonde, fratturate e che, oltre ad ospitare una falda idrica ricaricata naturalmente, siano nel contempo sigillate alla loro sommità da una copertura di rocce impermeabili per evitare una rapida dispersione del calore. Una combinazione di fattori, come si può intuire, molto difficile da ottenere. Ne consegue che la potenza complessiva degli impianti geotermici nel mondo raggiunga valori molto modesti:

- 8.000 MWe di potenza efficiente totale (di cui quasi 700 in Italia), con circa 57 TWh/anno prodotti da impianti per la produzione di energia elettrica;

- 12.000 MWt da usi diretti del calore.

 

Quindi, malgrado le enormi potenzialità dell’energia geotermica, il suo contributo alla produzione di energia elettrica mondiale è molto modesto (circa lo 0,4% del totale) ed ancora minore è la sua incidenza nella produzione di energia primaria.

Tutto ciò perché i sistemi messi in atto per il suo sfruttamento si sono finora limitati alla captazione delle rare sorgenti geotermiche naturali costituite da acqua e/o vapore che, dopo essersi scaldata in profondità, risale veicolando verso la superficie il calore delle rocce crostali, oppure all’emungimento, mediante pozzi perforati a profondità tecnicamente ed economicamente convenienti, di ugualmente rari e poco diffusi fluidi contenuti in serbatoi geotermici ricaricati lungo circuiti naturali da acque di falda.

 

Molto promettente è invece lo sfruttamento dell’energia termica contenuta in tutte quelle rocce crostali, diffusissime nel sottosuolo, aventi elevata temperatura ma prive di fluidi circolanti, note con il nome di “rocce calde secche” o HDR (da Hot Dry Rock), dalle quali sarebbe possibile estrarre quantità immense di energia rinnovabile.

Prospettiva, questa, che ha portato numerosi ricercatori a produrre un numero considerevole di progetti per lo sfruttamento del calore racchiuso in tali rocce, alcuni decisamente originali, come nel caso di Dixon (1971 – US Patent n. 3640336) che è giunto a proporre l’uso di esplosioni nucleari sotterranee per fratturare le rocce calde secche profonde!

La quantità dei progetti HDR fin qui depositati e coperti da brevetto statunitense testimoniano il grande interesse suscitato dalla possibilità di sfruttare il calore racchiuso nelle rocce calde secche.

 

 

 

 

 

 

Vari sono anche gli esperimenti che sono stati avviati nel mondo (USA, EUROPA, GIAPPONE, AUSTRALIA…) per verificare la possibilità di applicare industrialmente i progetti HDR fin qui depositati.

 

Deep Heat Mining (DHM), Switzerland

http://www.dhm.ch

Stadtwerke Bad Urach, Germany

http://www.geothermie.de/bad_urach2.htm

Geothermal Explorers Ltd., Switzerland

http://www.geothermal.ch

Geodynamics Ltd., Australia

http://www.geodynamics.com.au

Hijiori, Japan

http://www.nedo.go.jp/chinetsu/hdr/hijiorinow.htm

Ogachi, Japan

http://criepi.denken.or.jp/eng/abiko/pamph/new_e.htm

Progetti HDR (Hot Dry Rock) attualmente in corso nel mondo

 

 

In tutti i casi, lo schema applicato (o che si intende seguire) è basato sostanzialmente sull’esecuzione di perforazioni dalla superficie con le quali, una volta raggiunta la profondità necessaria, si frattura l’ammasso roccioso interessato, sfruttandone le debolezze tettonico-stratigrafiche preesistenti, pompandovi acqua in pressione (a 8-15 MPa).

Si attiva, a questo punto, un circuito idraulico forzato che consente di recuperare e portare in superficie il calore delle rocce costituenti il serbatoio geotermico così artificialmente realizzato.

 

Schema per lo sfruttamento delle rocce calde secche

 

A fronte della limitata potenzialità precedentemente detta dei sistemi idrotermali che sono stati finora sviluppati ed utilizzati, la stima effettuata da vari autori circa il potenziale delle risorse geotermiche sfruttabili nel mondo, entro la profondità di 5.000 m, porta invece a numeri giganteschi, dell’ordine del milione di GWy (5.000.000 di MW per 200 anni!).

Tali risorse sono molto diffuse in vari Paesi e sono per lo più relative alla presenza di elevate temperature (200-250°C a profondità di 3.000-5.000 m) in formazioni rocciose impermeabili o scarsamente permeabili.

L'unica possibilità che si prospetta per l'estrazione di tale energia termica è pertanto la riattivazione dei sistemi di fratture naturali e/o la fratturazione in profondità di tali rocce per creare "serbatoi geotermici artificiali" all’interno dei quali attivare una circolazione forzata di acqua spinta lungo le fratture riattivate e/o create mediante pozzi di iniezione e di produzione.

Programmi di R&D in tale ambito sono stati avviati fin dagli anni '70 negli USA e successivamente in Gran Bretagna ed in Giappone ma in nessun caso si è raggiunta la fase dimostrativa di fattibilità tecnico-economica a causa degli elevati costi di produzione elettrica, connessi principalmente ai forti oneri richiesti dalla perforazione dei pozzi.

In Europa la presenza di sistemi idrotermali naturalmente fratturati e ad elevate temperature è limitata ad alcune zone in Italia e Islanda, per un totale di potenza installata di circa 1.000 MW. Estese aree di anomalia termica sono invece presenti in formazioni rocciose scarsamente permeabili ed a profondità di 3.000 – 5.000m.

Uno studio specifico sulla distribuzione prevista della temperatura in profondità è stato effettuato dagli esperti francesi del BRGM, dietro finanziamento della EU, con l’obiettivo di valutare il potenziale geotermico, e quindi l’energia producibile in un futuro più o meno prossimo, quando fossero adeguatamente sviluppate le tecnologie minerarie (perforazione di pozzi e interventi di stimolazione/fatturazione idraulica) attualmente in fase di sperimentazione ed ovviamente, quando anche le condizioni di mercato permettessero lo sviluppo di tali progetti.

Viene qui riportata una mappa con la distribuzione delle temperature previste alla profondità di 5.000 m, nella quale si può tra l’altro osservare la notevole estensione delle aree aventi temperature previste di 180-210°C.

 

Distribuzione di temperature previste in Europa alla profondità di circa 5.000 m (BRGM)

 

 

I potenziali di energia prevedibili sono quindi enormi, dell’ordine di qualche decina di migliaia di MW; sulla base della distribuzione prevista di temperatura è stata così effettuata una valutazione del potenziale geotermico di vari Paesi.

 

 

 

Paese

Risorse geotermiche

(GWy)

% di territorio con temperatura > 180 °C

Austria

660

9,90

Bosnia

230

5,90

Bulgaria

30

0,40

Croatia

1.300

29,00

England

60

0,35

France

4.700

12,00

Germany

670

2,60

Greece

100

1,25

Hungary

6.270

76,00

Italy

1.900

8,20

Romania

1.220

6,70

Serbia

3.960

52,00

Slovakia

300

6,80

Slovenia

70

4,50

Spain

60

0,50

Turkey

11.560

80,00

Stima del potenziale geotermico per i vari paesi europei

 

 

Come si può notare, la stima della energia elettrica producibile nel nostro continente (escludendo la Turchia) è di circa 20.000 GWy, che corrispondono ad una potenza di 100.000 MWe per un periodo di 200 anni (considerando anche la Turchia la stima della energia producibile sale a circa 33.000 GWy).

 

Anche negli Stati Uniti si hanno potenziali geotermici enormi, come si può ricavare dalla carta (http://www.smu.edu/geothermal/heatflow/heatflow_points.htm) qui riportata che mostra vaste aree nella parte occidentale del Paese aventi flussi geotermici con valori del tutto analoghi a quelli presenti nell’area tirrenica tosco-laziale italiana.

 

Carta del flusso di calore negli Stati Uniti

 

A partire dal 1977, in una di tale aree ad alto flusso termico (a Fenton Hill, nel New Mexico), il Los Alamos National Laboratory ha realizzato un impianto HDR (Hot Dry Rock) sperimentale basato sullo schema proposto da alcuni suoi ricercatori (R.M. Potter, E.S. Robinson & M.C. Smith; brevetto US Patent 3786858 depositato il 22/1/74 per conto dell’U.S. Atomic Energy Commission).

 

Vista dall’alto dell’impianto Hot Dry Rock di Fenton Hill.

 

Disegno da brevetto originale (US Patent 3786858 del 22/1/1974)

 

 

Schema dell’impianto HDR realizzato a Fenton Hill

 

 

Gli esperimenti condotti dal Los Alamos Lab a Fenton Hill, per conto del DOE (Department Of Energy statunitense), si sono sviluppati in due fasi:

- nella prima sono stati perforati due pozzi profondi circa 3 km che, collegati idraulicamente tra loro mediante fratturazione (con acqua a forte pressione) delle rocce a 190°C tra essi interposte, hanno permesso di creare un serbatoio geotermico artificiale da 3-5 MWt con il quale si è alimentata una piccola centrale geotermoelettrica da 60 kWe;

- nella seconda fase, iniziata nel 1980 e terminata nel 1995, sono stati perforati altri due pozzi (profondi 4,3-4,7 km) e creato un nuovo serbatoio geotermico, in rocce a 325°C, con una potenza di circa 35 MWt (circa 4,8 MWe ).

 

Tali esperimenti, durati quasi venti anni, hanno dimostrato in maniera conclusiva la relativa facilità con la quale è possibile estrarre calore dalle rocce calde, mediante pozzi perforati dalla superficie che pompano acqua fredda in profondità e la conducono in superficie dopo essersi opportunamente riscaldata, con il quale si può far funzionare un generatore di corrente elettrica. Esperimenti analoghi in corso nel mondo (Francia, Giappone, Inghilterra, Svizzera, Australia) dimostrano la riproducibiltà del metodo e l’interesse suscitato su vari governi.

 

È importante sottolineare la ridottissima occupazione di suolo degli impianti HDR, il loro modesto impatto visivo e soprattutto l’assoluta assenza di emissioni nell’ambiente che li caratterizza, in quanto il fluido prodotto con i pozzi viene integralmente reiniettato nel sottosuolo, all’interno dello stesso serbatoio geotermico, mentre la condensazione del fluido secondario viene effettuata con scambiatori di calore a superficie raffreddati ad aria.

 

Schema di un impianto geotermico di generazione elettrica a fluido binario

 

 

Nel 1987 ha preso l’avvio un progetto HDR europeo che vede la partecipazione di varie nazioni: Francia, Germania, Inghilterra, Svezia, Svizzera e Italia (con ENEL/ERGA che ha fornito, tra l’altro, il separatore di vapore). http://www.soultz.net/fr/projetGeie/.

Nel sito prescelto, ubicato nel graben del Reno nei pressi di un paesino francese 50 km a N di Strasburgo, sono stati realizzati due pozzi, distanti tra loro circa 600 metri e profondi rispettivamente 2,8 e 3,9 km.

Lo schema applicato nel progetto europeo è analogo a quello sperimentato a Fenton Hill: è stato in tal modo creato un serbatoio HDR capace di erogare una potenza di 8-9 MWt, fratturando idraulicamente le rocce calde secche a 160-170°C interposte tra i due sondaggi GPK1 e GPK2.

 

 

soulzsousforets.jpg

Vista dall’alto dell’impianto HDR di Soultz-sous-Forêts

 

 

Il fluido estratto giunge in superficie a 136°C (dal pozzo GPK2) e, dopo essere stato portato a 40°C di temperatura, viene nuovamente inviato in profondità (in GPK1) per eseguire un nuovo ciclo di estrazione del calore dalle rocce.

 

Schema dell’impianto HDR di Soultz-sous-Forêts

 

Electricité de Strasbourg (Francia) e Pfalzwerke (Germania) hanno fondato il consorzio EEIG che avrà lo scopo portare avanti l’industrializzazione del progetto; prevedono di realizzare un prototipo da 25 MWe, alimentato da più pozzi in grado di erogare complessivamente 400 kg/s di fluido a 200°C (16 kg/s di fluido per MWe) (gli impianti geotermici italiani richiedono 4.000 t/h per sostenere una potenza rotante di circa 470 MWe, da cui si ricava che occorrono mediamente circa 2,4 kg/s di vapore per fornire una potenza di 1 MWe).

 

La Svizzera, oltre a partecipare al progetto europeo, ha dato l’avvio nel 1996 ad un progetto nazionale denominato DHM (Deep Heat Mining) finanziato dall’Ufficio Federale dell’Energia e da alcune istituzioni pubbliche e private.

Tale progetto prevede la realizzazione, presso Basilea, di un impianto HDR ricalcante esattamente il progetto realizzato negli Stati Uniti a Fenton Hill.

Notare come la Svizzera, con i suoi 5.000 impianti a pompe di calore per climatizzare abitazioni civili, abbia una notevole tradizione nell’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili.

 

 

Schema del DHM svizzero

 

 

Un’altra importante nazione che mostra un notevole interesse nello sviluppo di tecnologie per lo sfruttamento delle rocce calde secche è il Giappone.

La NEDO (New Energy and industrial technology Development Organization - Tokyo) ha individuato 29 siti HDR, localizzati in gran parte nell’isola di Honshu, dai quali ritiene possibile ricavare elettricità per 20 anni, con una potenza complessiva di ben 127.000 MWe!

In questo Paese sono stati realizzati due impianti sperimentali HDR (Ogachi e Hijiori), basati su uno schema che, diversamente da quello statunitense di Fenton Hill, prevede un doppio serbatoio.

 

Siti passibili di sviluppo geotermico in Giappone

 

 

Il primo dei due impianti HDR attualmente in fase di sperimentazione in Giappone è ubicato a Ogachi, nel settore centro-meridionale dell’isola di Honshu. In questo esperimento, che è condotto dalla NEDO, sono stati realizzati, con una sola coppia di pozzi, due serbatoi geotermici artificiali, uno a 700 e l’altro a circa 1000 m di profondità.

 

Schema dell’impianto HDR di Ogachi, Giappone

 

 

Il secondo impianto HDR in corso di sperimentazione in Giappone è localizzato presso Yamagata, nel settore settentrionale dell’isola di Honshu.

L’esperimento, condotto dal CRIEPI (Central Research Institute of the Electric Power Industry) e denominato Hijiori HDR Project, ha visto la realizzazione, mediante quattro pozzi posti a distanze che vanno da circa 40 a 130 m l’uno dall’altro, di due serbatoi HDR (uno a 1.800 e l’altro a 2.200 m di profondità) in rocce rispettivamente a 250°C e 270°C di temperatura.

Schema dell’impianto HDR di Yamagata, Giappone

 

 

Al terzo Convegno Internazionale HDR, tenutosi nel 1996 a Santa Fe, nel Nuovo Messico, alcuni ricercatori di tre importanti società giapponesi:

  • Kansai Electric Power Co., Inc., Osaka,

  • Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Tokio,

  • NEWJEC Inc., Osaka,

ad ulteriore dimostrazione dell’interesse che questo campo di ricerche suscita in Giappone, hanno presentato uno schema di impianto HDR (qui riportato) con il quale ritengono sia possibile ricavare 55 MWe per 20 anni da 3,14 km3 di rocce calde secche poste a temperatura superiore a 250 °C.

 

Progetto giapponese di impianto HDR da 55 MWe

 

 

Chiudiamo la rassegna dei principali Paesi del mondo interessati allo sviluppo di tecnologie per lo sfruttamento delle rocce calde secche con l’Australia, dove è stato dato l’avvio ad un importante programma di studi di questo tipo. Il progetto, denominato Geothermal reservoir development in hot, low permeability, high stressed rock”, è sponsorizzato dall’Agenzia governativa ERDC (Energy Research and Development Corporation) e fa seguito alla decisione del Governo australiano di arrivare a produrre, entro il 2010, il 2% dell’energia elettrica da fonti rinnovabili.

 

 

Temperature a 5 km di profondità in Australia

 

 

Malgrado tanto fervore nella ricerca e nella sperimentazione di tecnologie per lo sfruttamento delle rocce calde secche, a tutt’oggi, ad oltre 30 anni dall’avvio del progetto Fenton Hill, non si vedono però prospettive immediate di un passaggio alla fase di industrializzazione. Vediamo cosa lo impedisce.

 

Per l’impianto HDR da 75 MWe, inizialmente in progetto a Fenton Hill (New Mexico - USA), era stata preventivata una spesa totale (a moneta 1983) di 206,4 milioni di $ (2,75 Mln$/MWe installato), con le perforazioni incidenti per oltre il 55%.

Valutazione, questa, che è risultata fortemente errata per difetto in quanto nella ridimensionata Fase II, per realizzare un serbatoio da 35 MWt sono stati perforati tre pozzi lunghi in totale 8,9 km, costati circa 20 Mln$ (oltre 35 Mln$ di oggi)!

 

 

Considerato che da 35 MWt si possono ottenere non più di 4,8 MWe, a Fenton Hill si è giunti, già con la sola voce perforazioni, a ben 4,2 Mln$/MWe installato (8,1 Mln$/MWe a moneta 2006).

Per tentare di ovviare al problema dei forti costi di perforazione, nel 1994 è stato avviato negli Stati Uniti il programma NADET: National Advanced Drilling and Excavation Technologies. È difficile però credere che da esso possano emergere soluzioni tecniche tali da portare lo scavo di pozzi lunghi 4-5 km dai circa 12 Mln$ attuali ai 2-3 Mln$ necessari per rendere competitivo un impianto HDR con schema tipo Fenton Hill.

 

 

Da Tester et al., 1996 (MIT-Energy Laboratory)

 

 

È importante inoltre considerare che gli impianti HDR fin qui realizzati hanno costi elevati anche a causa delle loro modeste potenze.

La NEDO giapponese ipotizza infatti una riduzione del 70% del costo del kWh ottenibile da impianti HDR da 200-250 MWe rispetto a quello prodotto da serbatoi di pochi MWe (tipo Fenton Hill, USA e/o di Soultz-sous-Forêts, Francia).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La curva, che presenta una forma del tutto analoga a quella dei costi di costruzione di un ciclo combinato, ci autorizza ad ipotizzare una possibile maggiore riduzione (fino ad oltre l’80%), nel caso si riuscissero a realizzare impianti HDR da 1000 MWe.

 

Se si volesse realizzare un impianto HDR da 1000 MWe con lo schema applicato a Fenton Hill, si dovrebbero perforare ben 625 pozzi, da distribuire su un’area vasta almeno 60-70 km2. Il progetto è evidentemente irrealizzabile sia per l’inaccettabile impatto territoriale ed ambientale che verrebbe indotto su tale area, sia per i circa 7 Mld di euro richiesti per l’esecuzione delle sole perforazioni (6 miliardi dei quali, tra l’altro, per realizzare tratti non produttivi).

 

 

Il mancato passaggio alla fase di industrializzazione di un progetto HDR tipo Fenton Hill è quindi dovuto ai costi troppo elevati; proprio le sfavorevoli prospettive economiche convinsero, infatti, il DOE, nell’ottobre del 1995, a chiudere la gara per trasferire la tecnologia HDR e l’impianto del New Mexico all’industria privata e a rinviarne quindi la sua commercializzazione.

Essendo, come abbiamo visto, del tutto impensabile attendersi a breve una riduzione significativa dei costi delle perforazioni richieste da questo schema per realizzare serbatoi HDR e data l’impossibilità di sfruttare le economie di scala con impianti di elevata potenza per l’elevato impatto paesaggistico/ambientale che ne deriverebbe, risulta indispensabile rivedere alla radice lo schema di lavoro fin qui utilizzato per lo sfruttamento delle rocce calde secche.

I principali problemi che ostacolano la realizzazione di serbatoi geotermici HDR vengono rimossi da un nuovo schema, denominato DS:HDR (da Deep Shaft: Hot Dry Rock), protetto da Attestato di Brevetto di Invenzione Industriale n. 0001333752 rilasciato il 9.3.2006 dall’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi a seguito di domanda n. RM2002A000521 del 15.10.2002.

In esso tutti i tratti improduttivi delle perforazioni richieste dai progetti finora sperimentati vengono sostituiti da un solo pozzo verticale di grande diametro e da alcune gallerie/tunnel di raccordo sub-orizzontali.

 

 

 

Schema Fenton Hill, con pozzi che partono dalla superficie aventi tratti improduttivi pari ad oltre i 9/10 della loro lunghezza

 

 

Schema di impianto DS:HDR con un pozzo di grande diametro e gallerie orizzontali da cui si dipartono solo tratti perforati produttivi

 

 

Con il nuovo schema DS:HDR le perforazioni hanno solo tratti produttivi in quanto si dipartono dalle gallerie/tunnel sub-orizzontali realizzati direttamente all’interno dell’ammasso roccioso da sottoporre a sfruttamento. In tal modo si raggiungono contemporaneamente i seguenti importantissimi obiettivi:

  • abbattere drasticamente il costo delle perforazioni;

  • realizzare impianti di grande potenza e quindi forti economie di scala;

  • rispettare pienamente l’ambiente ed il territorio circostanti;

  • intercettare efficacemente tutte le discontinuità preesistenti nelle rocce.

 

Fermo restando il principio generale dello schema DS:HDR, varie sono le scelte progettuali possibili; esse dipenderanno evidentemente dalla natura del sito prescelto per la realizzazione dell’impianto e dalle condizioni preesistenti di fratturazione delle rocce calde secche (da sottoporre ad adeguate indagini geologico-geomeccaniche preliminari).

Di seguito sono mostrate due delle geometrie adottabili; esse si differenziano per avere le gallerie/tunnel orizzontali da cui si dipartono i tratti di perforazione produttiva disposti su due livelli (nel primo caso) oppure su un livello solo (nel secondo caso).

 

gallerie2livelli.jpg

Schema con gallerie disposte su due livelli (uno superiore ed uno inferiore). Il senso di circolazione dei fluidi può essere invertito.


gallerie1livello.jpg

Schema con gallerie disposte su un unico livello. Le perforazioni dirette verso l’alto servono per raccogliere il fluido riscaldato, quelle verso il basso per inviarlo nell’ammasso roccioso caldo circostante

 

 

 

In campo minerario il nuovo schema DS:HDR proposto per lo sfruttamento delle rocce calde secche non è una novità; schemi analoghi sono di norma applicati nelle miniere tecnologicamente più avanzate oggi esistenti (http://deepmine.csir.co.za/).

 


In Canada sta per essere realizzato uno shaft lungo 1906 m, di 7,63 m di diametro http://www.cementation.ca/notable.htm

 

 

 

foto1.jpg

 

Ad esempio, a Freegold, la più grande miniera d’oro del mondo (oltre 10.000 t/giorno di materiale estratto), il filone aurifero è raggiunto proprio mediante un grande pozzo (shaft) verticale e varie gallerie sub-orizzontali che si diramano da esso.

Il pozzo verticale della miniera di Freegold è costituito da due tronconi (1) e (2) in quanto condizionato dalla inclinazione del filone aurifero (in giallo), giunge attualmente ad oltre 3,9 km di profondità).

Uno dei principali problemi incontrati a tali profondità (del tutto analoghe a quelle richieste per creare serbatoi HDR) è costituito dall’elevata temperatura degli ambienti di lavoro che nelle parti più profonde della miniera si avvicina ai 150 °C; la soluzione scelta è quella di abbatterla a 32 °C mediante potenti impianti di refrigerazione (foto n. 9).

 

 

 

Il problema più rilevante da affrontare nella realizzazione di impianti geotermici secondo il nuovo schema DS:HDR proposto, sarà senza dubbio quello della protezione delle maestranze dal calore delle rocce circostanti che, nelle gallerie più profonde, potrebbe raggiungere temperature 100-150°C più alte di quelle massime misurate a Freegold.

Si ritiene, peraltro, che a tale scopo sarà sufficiente utilizzare, opportunamente migliorati, i seguenti sistemi oggigiorno disponibili:

- strati di materiali e vernici coibentanti da applicare alle pareti radianti (v. NASA) (operazione non possibile nella miniera d’oro sudafricana);

- impianti di aerazione di potenza adeguata (v. Freegold);

- tubazioni per la circolazione di fluidi di raffreddamento da affogare nei conci di rivestimento del pozzo e delle gallerie;

- scavatrici robotizzate, dotate di cabine di comando climatizzate;

- tute atermiche per le maestranze; si segnala a tale proposito l’esistenza di centri, come il RISC Rhur di Dortmund, per l’addestramento di personale in grado di intervenire in gallerie invase dal fuoco (v. eventi nei tunnel alpini del Monte Bianco e del Tauern).

 

A lato, testa di una fresa doppio scudata in grado di eseguire lo scavo delle gallerie sub-orizzontali e di installare, immediatamente dietro la testa, conci prefabbricati in cemento per il sostegno delle pareti; in un impianto DS:HDR i conci, appositamente progettati, serviranno anche per schermare il forte calore emesso dalle rocce.

 

 

 

Esempio di galleria con rivestimento definitivo a conci prefabbricati, tubazioni di aerazione e condotte metalliche per acqua in pressione (da un impianto idrico)

 

 

Il Progetto DS-HDR per la produzione di Energia Geotermica prevede la realizzazione di una serie di opere, sia in sotterraneo che in superficie, quali:

 

  1. un pozzo verticale profondo di grande diametro, oppure più pozzi, con una profondità compresa tra i 3.000 e i 4.000 metri;

  2. un camerone di attacco alla base pozzo verticale di grande diametro;

  3. una rete di gallerie sub-orizzontali principali e secondarie;

  4. perforazioni produttive, realizzate dalle gallerie secondarie, necessarie alla immissione di acqua fredda e alla successione captazione di fluidi caldi;

  5. impianto di ventilazione e raffreddamento degli ambienti sotterranei profondi;

  6. sistema interno di movimentazione del personale e dei materiali;

  7. sistema di sicurezza ed antincendio;

  8. sistema idraulico (tubazioni di raccordo alla superficie e pompe di spinta)

  9. impianti esterni di produzione e trasmissione di energia elettrica;

  10. impianti esterni di distribuzione del calore di risulta per usi civici e industriali.

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Schema generale del nuovo impianto DS:HDR

 

 

Di seguito sono presentate valutazioni di massima sulle modalità di realizzazione delle singole componenti del progetto.

Data la sua originalità del progetto, tenuto conto della sua configurazione di frontiera, nonché dell’alto contenuto scientifico e tecnologico delle soluzioni via via proposte per ognuna delle singole componenti, tali valutazioni sono da ritenersi necessariamente preliminari. Pertanto, per il prosieguo e lo sviluppo futuro del progetto dovranno essere eseguiti opportuni passi di approfondimento come descritto nelle conclusioni al presente lavoro.

Oltre alle consuete problematiche connesse con realizzazione delle opere in sotterraneo, quali stabilità del fronte e del cavo, lavorazioni in spazi angusti ecc., dovranno essere presi in considerazione alcuni aspetti al contorno che, solitamente, non rappresentano condizioni di criticità ma che dovranno essere, in questo caso, esaminati attentamente. Le problematiche specifiche infatti sono legate alle profondità di progetto, alle temperature elevate (250°÷300° C) e alle pressioni interstiziali presenti tali da rendere impossibile, in assenza di opportuni provvedimenti, la presenza dell’uomo durante le operazioni di scavo.

Le macchine da utilizzare per la realizzazione degli scavi, dovranno inoltre essere costituite da materiali appositamente studiati e opportunamente progettate per resistere alle temperature e pressioni cui si andrà necessariamente incontro. In particolare dovranno essere messi a punto gli utensili di scavo che saranno sollecitati da alte temperature per tempi prolungati e gli apparati di tenuta ad oggi ottenuti con materiali plastici sensibili alla temperatura.

Appare quindi chiaro che lo scavo dovrà essere effettuato mediante sistemi robotizzati, controllati a distanza, addirittura dalla superficie, dall’operatore oppure mediante scudi meccanici in grado di offrire condizioni di lavoro sicure per gli operatori. Già esistono, infatti, applicazioni in situazioni singolari o pericolose in cui i comandi alle macchine operatrici avvengono mediante sistemi di comunicazione a distanza attraverso filo o via radio con controllo mediante telecamere a circuito chiuso.

La prerogativa principale degli scudi, d’altro canto, è quella di poter scavare l’ammasso a piena sezione, impedire attraverso un sistema di guarnizioni studiate opportunamente l’eventuale ingresso di acqua in galleria, e installare il rivestimento finale sotto la protezione meccanica dello scudo. In questo modo gli operatori non vengono mai a contatto diretto con le pareti dello scavo. In funzione delle caratteristiche del terreno l’avanzamento potrà avvenire con bracci fresanti o con una testa rotante a piena sezione di diametro pari a quello dello scavo e dotata di specifici utensili di taglio. In ogni caso il rivestimento definitivo sarà realizzato in conci prefabbricati opportunamente coibentati. La messa in opera dei conci di rivestimento, a breve distanza dal fronte di scavo, dovrà avvenire attraverso un particolare dispositivo che li posiziona automaticamente. Nelle giunzioni dei singoli anelli sarà installata una guarnizione o un altro sistema di tenuta onde evitare eventuali infiltrazioni.

 

 

 

Pozzo verticale profondo di grande diametro

 

Il Pozzo Verticale Profondo rappresenta una delle parti più impegnative del nuovo progetto geotermico “DS:HDR” (v. Fig. 21) sia per la profondità e dimensioni (3000-4000 m per 10-12 m di diametro), che per le temperature delle rocce che si raggiungono alle massime profondità (oltre 200°C). Tale opera, che molto probabilmente dovrà essere realizzata non come un unico “tubo” ma piuttosto come 2 o 3 distinti pozzi, aventi assi verticali diversi, collegati tra loro da 1 o 2 caverne (o cameroni), richiederà un accurato lavoro preliminare di raccolta delle informazioni esistenti sulle condizioni geologico-strutturali e geofisiche delle rocce da scavare e delle metodologie costruttive adottate per opere simili nel mondo.

Occorre infatti precisare fin da subito che per quanto tale opera possa sembrare a prima vista quasi impossibile da realizzare, in realtà tutti gli esperti operanti in questo campo, appositamente contattati, non hanno sollevato obiezioni degne di nota per la sua fattibilità.

Sono infatti già diverse decine i pozzi di questo tipo esistenti nella Repubblica del Sudafrica al servizio di miniere per l’estrazione di oro, platino e/o diamanti); in questo Paese è oggi “normale”, visto l’esaurirsi delle vene superficiali, realizzare a tale scopo pozzi minerari con profondità variabili tra i 2000 ed i 3000 metri (Deep Shafts) ed in qualche caso anche 4000 m (Ultra Deep Shafts) come nella miniera d’oro di Freegold, nell’Orange State che, alla sua base, incontra rocce a temperature di oltre 160 °C.

 

 

Fig. 22 Interno di uno dei numerosi pozzi verticali di grande diametro usati nell’industria mineraria sudafricana

 

Per quanto è possibile apprendere dalla letteratura specialistica, per il futuro prossimo sono in progetto pozzi verticali minerari che dovrebbero raggiungere addirittura i 5000 metri di profondità (quindi in rocce a temperature superiori ai 200 °C) e con capacità estrattive di decine di migliaia di tonnellate/giorno di minerale!

Ciò detto, è facile prevedere come il fulcro di un pozzo di grande diametro di tali profondità sia costituito da un sistema di argani di potenza e sicurezza tali da essere in grado di provvedere alle movimentazioni richieste di materiali e di personale durante gli scavi. Sarà quindi necessario progettare un sistema in grado di provvedere al trasporto delle maestranze, alla movimentazione delle piattaforme di lavoro, delle macchine operatrici, delle attrezzature e dei materiali necessari allo scavo nonché di quelli di risulta. I limiti tecnici delle strutture di sollevamento potranno consigliare di raggiungere la profondità di progetto con 2 o 3 pozzi contigui collegati tra loro da cameroni intermedi in modo da ridurre la profondità della singola opera.

Date le dimensioni dell’impianto DS:HDR oggetto del presente documento, lo scavo del pozzo verticale potrà avvenire secondo le tecniche tradizionali del Drill & Blast oppure, secondo tecniche meccanizzate, parzializzando la sezione, con bracci meccanici collegati alla piattaforma dotati di frese puntuali o demolitori idraulici. A tale proposito si deve tener conto che l’uso di esplosivi normali può avvenire senza rischi di deterioramento o detonazioni accidentali fino a circa 100° C e a 140 ° C per i detonatori o le micce detonanti. Esistono comunque sul mercato esplosivi micce e detonatori, usati in campo spaziale e petrolifero, in grado di resistere a temperature di 300 °C per alcune ore.

In questo caso lo scavo avviene, a foro cieco, prevedendo un’attrezzatura convenzionale da movimentare all’interno del pozzo (di norma una o più piattaforme mobili sovrapposte, appositamente attrezzate e collegate tramite un sistema di cavi in acciaio ad una torre-argano) ed, attraverso il pozzo stesso, verso l’esterno.

Allo stato delle attuali conoscenze nel campo del tunnelling e dell’industria mineraria la metodologia costruttiva più appropriata per lo scavo e l’allargamento di pozzi verticali o inclinati sembra essere quella che utilizza le attrezzature e mezzi operativi con piattaforma mobile.

Prendendo come riferimento la vasta esperienza nel mondo minerario, soprattutto sudafricano, in linea generale tali attrezzature realizzano scavi completi in condizioni di avanzamento dall’alto verso il basso. Uno schema semplificato del sistema mobile consiste in una piattaforma che scorre su una o più monorotaie a cremagliera imbullonata (fissate) lungo le pareti del pozzo scavato man mano che procede l’approfondimento.

In senso generale, la possibilità di movimentare il sistema di piattaforme permette di poter ben prevedere e pianificare fasi realizzative quali operazioni di scavo, recupero ed allontanamento dello smarino, posizionamento del rivestimento definitivo (che dovrà essere, soprattutto a profondità elevate, opportunamente coibentato). L’avanzamento vero e proprio potrà essere realizzato sia tramite attrezzature meccanizzate (bracci demolitori direttamente collegati alla piattaforma o su mezzi oppure tramite il tradizionale uso di esplosivi).

Per quanto riguarda il rivestimento definitivo del pozzo (lining) esso dovrà essere realizzato con elementi prefabbricati (es. conci esagonali allungati curvi) costituiti da materiale refrattario ed in grado, quindi, di garantire un appropriato livello di coibentazione termica.

In sostanza, anche se come detto può sembrare un’opera al limite della tecnologia essa è alla portata delle attuali capacità mutuabili dal mondo minerario.

A conferma di ciò, in allegato si riportano due esempi - DOC. A) e DOC B) - di analisi preliminare dei costi e del programma dei lavori relativi alla realizzazione di un pozzo verticale profondo di questo tipo.

Una prima valutazione fu presentata da Mr. Mike BEVAN di Cementation Mining, Shaft Sinking, Mining and Drilling Contracting Company nel 2000 (attualmente CM fa parte del Gruppo Industriale sudafricano Murray & Roberts). Un secondo esempio di valutazione tecnico-economica di massima è quello presentato più recentemente da Mr. Dirk STRACHAN di Murray & Roberts Cementation Mining.

In particolare l’ing. Mike Bevan, ha fornito nell’occasione - senza porre la minima perplessità sulla fattibilità dell’opera richiesta - i tempi e i costi qui di seguito riassunti per la realizzazione di un pozzo di 10 m di diametro profondo 3.000 m in Italia:

 

Durata complessiva: 66 mesi

 

Fixed preliminary and general items

8.007.107,00

Time related P&G items

13.312.196,70

Sinking costs

1st 1000 m

4.503.000,00

2nd 1000 m

4.953.300,00

3rd 1000 m

5.448.630,00

Cover drilling costs (84 x 25.143)

2.112.012,00

TOTAL

38.336.245,70

 

Costi previsti in US$ per uno shaft in Italia di 3.000 m di profondità (valutazione Cementation Mining-anno 2000)

 

 

Per quanto riguarda la metodologia di realizzazione egli sosteneva che:

The methodology would likely be:

- excavation: drilling blasting with mechanised drill rig;

- cleaning: cactus grab unit loading into kibbles

- Concrete lining: 400 to 500 mm to shaft sidewalls;

- setup to sink duration: 6 months;

- sinking advance: about 4 m per day

 

In conclusione, come si è potuto accertare in questa prima fase sia la fattibilità che la progettazione del Pozzo Verticale, inteso come 2 o 3 distinti pozzi verticali collegati tra loro, richiederanno certamente grande impegno per l’assimilazione delle conoscenze e per la scelta e l’adattamento (perfezionamento) al Progetto DS-HDR di metodi e tecnologie realizzative già esistenti e già impiegate con successo nel mondo dell’estrazione mineraria di materie prime preziose (es. diamanti, oro e platino).

I numerosi pozzi verticali profondi realizzati nell’ultimo decennio soprattutto in Sudafrica testimoniano meglio di qualsiasi altra affermazione la fattibilità di un’opera di questo genere che consente di rendere altamente competitivo l’accesso all’inesauribile calore racchiuso nelle rocce calde della crosta terrestre.



Camerone di attacco alla base del pozzo verticale di grande diametro

 

Alla quota del fondo scavo del pozzo dovrà essere realizzato un appropriato Camerone , una sorta di “Campo Base in caverna” avente dimensioni tali da poter consentire un primo approntamento dei principali impianti e sistemi di adduzione (ventilazione e raffreddamento aria, acqua, energia elettrica) e delle macchine necessarie per proseguire lo scavo della rete di gallerie sub-orizzontali principali.

Tale allargo, da realizzarsi per fasi, potrebbe essere generato abbattendo l’ammasso roccioso con demolitori idraulici, frese ad attacco puntuale o con la tecnica “perforazione e sparo” attraverso l’ausilio di Jumbo-robotizzati.

La scelta metodo del più appropriato e dei mezzi più adatti sarà funzione delle condizioni geologiche e geomeccaniche presenti alla profondità prevista (tipologie di ammasso roccioso, condizioni ambientali, etc..).

L’escavatore idraulico è una macchina che presenta una grande versatilità di utilizzo. Esso è costituito da tre parti principali: il carro, la torretta e l’attrezzatura di scavo. Il carro è costituito da un telaio che presenta la principale funzione di sopportare il peso della struttura sovrastante e le sollecitazioni provenienti dall’attrezzatura durante lo scavo. Altra funzione del carro è quella di permettere alla macchina di spostarsi sul terreno e di ruotare attorno ad un asse verticale. La torretta è costituita da un telaio la cui funzione è quella di alloggiare vari componenti quali motore, serbatoi, cabina, attrezzatura di scavo etc…

Il compartimento operatore, che alle elevate temperature dovrà essere opportunamente realizzato, è posto sulla torretta e racchiude tutti i comandi e la strumentazione necessaria per le operazioni di scavo; i sistemi di funzionamento possono essere meccanico-idraulico, idraulico-idraulico, pneumatico-idraulico ed elettromagnetico-idraulico.

 

 

Demolitore idraulico

 

 

Le frese ad attacco puntuale sono macchine di avanzamento la cui prerogativa principale è che lo scavo potrà essere agevolmente eseguito a mezzo di una testa rotante sulla cui superficie sono assemblati utensili di forma conica chiamati picchi.

A seconda del tipo di applicazione le frese ad attacco puntuale possono essere poste all’interno di uno scudo oppure montate su un carro cingolato. L’estrema manovrabilità della testa di taglio permette di seguire profili di forma rettangolare o circolare con estrema facilità.

 

 

 

 

 

 

 

 

Tipologie varie di escavatori idraulici

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I Jumbo-robottizati invece sono macchine computerizzate che consentono un controllo remoto il quale può avvenire, da una cabina opportunamente protetta, attraverso un operatore.

Si potrebbe prevedere anche la possibilità di predisporre la macchina per un controllo remoto (a distanza o addirittura dalla superficie). Con tale sistema l’operatore controllerebbe un display avente numerose alternative opzionali quali: schema di volata con evidenziata la posizione dei bracci, inclinazione dei fori, velocità di perforazione, profondità dei fori, pressione di percussione, rotazione e avanzamento etc…

Il Jumbo-robot è una macchina altamente precisa i cui componenti standard ed il sistema di controllo autodiagnostico assicurano un alto tasso di affidabilità ed una lunga durata di esercizio.

 

Jumbo robotizzato

 

 

Analogamente a quanto detto per il pozzo verticale, anche per il Camerone d’attacco alla sua base (che dovrà essere completata con un rivestimento definitivo, da gettare per fasi o anelli successivi, in grado di fornire il necessario isolamento termico) non si prevedono particolari difficoltà tecniche.

 

 

Gallerie sub-orizzontali principali e secondarie

 

L’altra opera di particolare rilevanza del nuovo progetto geotermico “DS:HDR” è senza dubbio la rete di gallerie sub-orizzontali che si dipartono dal camerone di attacco descritto precedentemente.

Detta rete presenta uno sviluppo lineare complessivo compreso tra i 30 ed i 40 chilometri ed è costituita da una galleria mediana principale di 10-12 km di lunghezza dalla quale si sviluppano in direzione perpendicolare altre 6 o 8 gallerie secondarie o di produzione, lunghe complessivamente 20-28 km.

La forma delle singole gallerie dovrebbe essere circolare (cilindrica) oppure ad U rovesciata e sarà fortemente condizionata sia dalle metodologie di scavo che verranno adottate che dagli ingombri eventualmente imposti dalle tubazioni dell’aria di condizionamento e dei fluidi per la produzione geotermica); il diametro si prevede sarà compreso tra 4 e 6 metri e le pareti saranno rivestite con conci prefabbricati installati a breve distanza dal fronte di scavo per ridurre al minimo le superfici radianti di calore.

In ogni galleria secondaria (o di produzione), ognuna avente una lunghezza di 3-4 chilometri, verrebbero realizzate le perforazioni di produzione cioè una serie di coppie di perforazioni (di cui si parlerà successivamente) tramite le quali verrebbe attivato il circuito di immissione-prelievo di fluido acqua-vapore ad alta temperatura.

Per quanto concerne la metodologia e le tecnologie di scavo delle gallerie sub-orizzontali, viste le profondità e le temperature in gioco, è ragionevole ritenere che gli studi preliminari e la progettazione saranno mirati alla scelta di un sistema di scavo altamente meccanizzato e robotizzato, con comando/controllo remoto e quindi con impiego di personale ridotto al minimo e comunque ubicato in ambienti chiusi protetti.

Immaginando un ciclo di lavoro (teorico) simile a quello di un progetto convenzionale, una fresa automatizzata/robotizzata appositamente progettata per operare in condizioni di alte temperature ed elevate pressioni di confinamento (quindi con un doppio-scudo protettivo rivestito di materiale ceramico refrattario, ad es. del tipo delle piastrelle ceramiche Space Shuttle), avanzerebbe posizionando a tergo un sistema di rivestimento ad incastro (Lining) costituito da conci prefabbricati di forma esagonale allungata e curvata in calcestruzzo speciale (ognuno di questi conci avrebbe appropriati spessore ed adeguate caratteristiche di isolamento termico).

Al momento è presumibile ammettere che la lunghezza del segmento di galleria in avanzamento che rimarrebbe progressivamente senza rivestimento possa essere compresa tra i 5 ed i 10 metri. La lunghezza definitiva standard di ognuno di questi tratti verrà comunque stabilita in una successiva fase del progetto.

In fase di progettazione e durante la successiva realizzazione della rete di gallerie sub-orizzontali, oltre alle consuete problematiche connesse con realizzazione delle opere in sotterraneo (la stabilità del fronte di scavo ed in generale del tratto privo di supporto, le lavorazioni in spazi angusti…), dovranno essere presi in considerazione alcuni aspetti al contorno che di norma, invece, non rappresentano condizioni di criticità, ma che in ambienti di pressione e temperature elevate andranno esaminati accuratamente e, qualora necessario, testati preliminarmente.

Le problematiche specifiche sono essenzialmente legate all’elevata profondità di progetto, alle temperature elevate (> 250°C) e alle pressioni interstiziali presenti tali da rendere impossibile, in assenza di opportuni provvedimenti, la presenza dell’uomo durante le operazioni di scavo. Le macchine da utilizzare per la realizzazione degli scavi, dovranno inoltre essere appositamente progettate e costituite da materiali appositamente studiati e opportunamente adattate per resistere ad elevate temperature e pressioni cui si andrà incontro. In particolare dovranno essere messi a punto gli utensili di scavo che saranno sollecitati da alte temperature per tempi prolungati e le guarnizioni (tipo O-Ring), ad oggi, per esempio, ottenute con materiali plastici sensibili alla temperatura.

Per poter consentire la presenza di squadre di personale durante la realizzazione degli scavi, in fase di esercizio o per la realizzazione di alcune delle lavorazioni di seguito indicate, l’ambiente sarà climatizzato e reso soddisfacentemente vivibile (30°-32°C) grazie al più importante dei sistemi ausiliari di tutto il progetto: il sistema di ventilazione e refrigerazione dell’aria. Di tale importante componente si parlerà in uno dei paragrafi successivi.

 

Relativamente alle metodologie operative che potrebbero essere adottate per la realizzazione degli spazi sotterranei sopra descritti e tenendo conto delle difficili condizioni al contorno andranno adottate tecnologie e metodologie di scavo che richiedano la minor presenza di personale, che comunque assolverà principalmente funzioni di controllo e comando remoto in ambiente protetto ed in condizioni di sicurezza.

Tra le possibili metodologie di scavo, la più ragionevole e percorribile sembrerebbe essere quella nella quale l’avanzamento ed il rivestimento delle pareti rocciose verrebbe realizzato tramite sistemi e mezzi robotizzati, controllati a distanza dall’operatore in sito o addirittura dalla superficie. In alternativa potrebbe essere impiegata una squadra operativa solamente in condizioni di sicurezza e comunque in condizioni di protezione assicurate da scudi meccanici in grado di offrire condizioni di lavoro e di sicurezza per gli operatori coinvolti. In questo caso il vantaggio principale sarebbe rappresentato dagli scudi che consentirebbero di fatto di poter scavare l’ammasso a piena sezione e di impedire, attraverso un sistema di guarnizioni, l’eventuale ingresso di acqua in galleria ed, infine, di installare il rivestimento finale sotto la protezione meccanica dello scudo.

Nel caso specifico, tra gli altri vantaggi presentati da questa metodologia va sottolineato quello secondo il quale la squadra di operatori non viene mai a contatto diretto con le pareti rocciose calde. In funzione delle caratteristiche dell’ammasso roccioso circostante, lo scavo potrà avvenire con bracci fresanti o con una testa rotante a piena sezione di diametro pari a quello dello scavo dotata di appositi utensili di taglio.

Per quanto riguarda il rivestimento definitivo, questa sarà realizzato impiegando conci prefabbricati ad incastro. Di norma, nella convenzionale pratica di Tunnelling, la posa in opera dei conci di rivestimento avviene attraverso un particolare dispositivo che li posiziona automaticamente. Nelle giunzioni dei singoli conci poligonali viene di norma installata una guarnizione in gomma o altro sistema di tenuta onde evitare eventuali infiltrazioni.

Come premesso, per lo scavo delle gallerie sub-orizzontali principali, potrebbero essere impiegati Jumbo-robotizzati (nel caso di avanzamento con esplosivi) oppure con frese ad attacco puntuale. In generale, un ciclo teorico di avanzamento potrebbe essere schematicamente così semplificato:

  • Demolizione dell’ammasso;

  • Trasporto del materiale roccioso (smarino) con nastri trasportatori (la movimentazione del materiale di risulta dal fronte di scavo verso l’esterno tramite nastro trasportatore, anziché veicoli automatizzati o rotaia, consentirebbe un funzionamento in continuo del ciclo di scavo con conseguente minor impiego di personale, minor necessità di interventi di manutenzione sui veicoli, minori necessità di connesse con la ventilazione e maggiori condizioni di sicurezza);

  • Eseguendo lo scavo a piena sezione lo sfondo potrebbe avere una lunghezza di 45 m;

  • Nella segmento appena scavata e disgaggiato verrebbe realizzato un prerivestimento di regolarizzazione;

  • Se necessario verrebbero realizzate perforazione ed installazione di bulloni radiali;

  • Le operazioni di avanzamento ripartirebbero a partire dalla fase di demolizione del fronte;

  • Rivestimento definitivo; verrebbe realizzato attraverso il posizionamento di elementi prefabbricati (conci poligonali ad incastro) prodotti con un apposito calcestruzzo avente caratteristiche di elevata refrattarietà e capacità di isolamento termico. Tali elementi saranno installati in maniera automatizzata da un apposito portale che seguirà il fronte di scavo a breve distanza (5÷6 m).

 

In alternativa alla precedente soluzione operativa, per lo scavo delle gallerie sub-orizzontali primarie potrebbe essere applicato un ciclo di lavoro (teorico) più simile a quello di un progetto convenzionale; in altre parole potrebbe essere adottata una soluzione che preveda l’impiego una una TBM (Tunnel Boring Machine) cioè una fresa dotata di appositi ed avanzati sistemi di automatizzazione e robotizzazione (Fig. 25).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 25 TBM

 

 

Tale macchina, attualmente non presente nei parchi-macchina convenzionali, andrebbe invece appositamente progettata e costruita per poter operare in condizioni di alte temperature ed elevate pressioni di confinamento (ad es. il doppio scudo protettivo, oltre ad avere uno spessore presumibilmente più consistente rispetto a quello degli scudi convenzionali, sarebbe costituito da acciai o leghe speciali oppure potrebbe essere rivestito da una copertura di piastrelle ceramiche refrattarie analoghe a quelle impiegate dalla NASA per gli Space Shuttle).

Testa della fresa

 

L’avanzamento telescopico della macchina (tipo spostamento in avanti di un bruco), consentirebbe il posizionamento a tergo di un sistema di rivestimento ad incastro (Honeycomb Lining) costituito da conci prefabbricati in calcestruzzo speciale (anche questi, come per quelli della precedente soluzione, avrebbe appropriati spessore e caratteristiche di refrattarietà ed isolamento termico).

Per la realizzazione dello scavo con TBM, un’ottimizzazione del tracciato planimetrico delle gallerie, permetterebbe di poter realizzare lo scavo secondo una sola direzione anziché dover procedere secondo un percorso a doppio pettine (che in ogni caso richiederebbe il ricorso a tratti curvi laddove attualmente sono presenti angoli retti. In linea generale e preliminare si potrebbe ipotizzare l’adozione di un percorso principale realizzato con scavo meccanizzato con TBM, di forma ad es. ellittica o circolare con partenza e arrivo dal camerine a fondo pozzo.

A puro titolo di esempio, un ciclo di lavorazione con fresa (TBM) potrebbe essere così descritto:

  • Realizzazione dei conci prefabbricati e loro trasporto fino a raggiungere la macchina;

  • Scavo di una corsa completa servendosi, per la spinta, dei cilindri ausiliari che trovano il loro contrasto contro l’anello di conci prefabbricati (posizionati precedentemente a tergo);

  • Richiamo dei cilindri ausiliari in modo da permettere la posa in opera di un anello di conci prefabbricati;

  • Posa in opera di un anello di conci prefabbricati;

  • Ripetizione del ciclo a partire dal primo punto.

 

Anche in questo caso, come nella soluzione precedente, il materiale di scavo potrebbe essere trasportato, fino al Camerone, da un nastro trasportatore e quindi, attraverso un sistema meccanizzato verrebbe mobilizzato in senso verticale all’interno di un apposito “montacarichi” posizionato lungo la parete del pozzo stesso, fino ad arrivare in superficie. All’esterno del pozzo il materiale estratto sarebbe accumulato temporaneamente in un appropriato spazio (ad es. in una fossa per lo smarino) dove resterebbe soltanto in attesa della destinazione d’uso finale (ad es. per rilevati di opere infrastrutturali oppure come materiale inerte da confezionare ed impiegare nell’industria edilizia).

Al momento è presumibile ammettere che la lunghezza del segmento di galleria in avanzamento, che rimarrebbe progressivamente senza rivestimento, possa essere compresa tra i 5 ed i 15 metri. La lunghezza definitiva standard di ognuno di questi tratti verrà comunque stabilita in una successiva fase del Progetto.

Per quanto riguarda in particolare le gallerie secondarie, poiché avranno un diametro ridotto rispetto alle due gallerie principali centrali, potrebbero essere realizzate con la ben collaudata tecnologia del microtunneling, cioè tramite l’impiego di frese scudate a comandi di guida remoti. Tale metodologia, potrebbe rivelarsi particolarmente adatta in presenza di condizioni operative critiche già rimarcate (alte pressioni e temperature).

Tra i principali vantaggi possono essere segnalati la possibilità di impiantare una postazione operativa ridotta e con minima presenza di personale, operatività nell’arco delle 24 ore e minori rischi e maggiori garanzie di sicurezza per il personale operativo. Appare evidente che la possibilità di realizzare scavi in sotterraneo in condizioni molto difficili e senza il diretto intervento di personale (che interverrebbe solo in un secondo momento in condizioni di sicurezza) rappresenti un concreto vantaggio per il progetto.

 

Perforazioni produttive di immissione acqua e prelievo del calore

 

Come detto precedentemente, nelle gallerie secondarie verranno realizzate le perforazioni di produzione: cioè verranno realizzate coppie di circuiti di immissione acqua fredda e recupero fluido (acqua-vapore) riscaldato dalle rocce circostanti.

Qualora venisse scelto di adottare lo scavo con fresa a piena sezione ed eventualmente, potrebbe essere presa attentamente in considerazione la valutazione della possibilità di realizzare tali perforazioni di produzione direttamente dalla galleria principale evitando in tal modo la realizzazione delle gallerie sub-orizzontali secondarie.

In questo caso i pozzi di fratturazione e/o produzione coesistono nella stessa camera di lavoro; sono schematicamente indicate le pompe per l’immissione del fluido da riscaldare nelle rocce calde secche circostanti.

 

 

 

Possibile organizzazione della camera di lavoro per la realizzazione delle perforazioni produttive e per l’installazione delle pompe di spinta lungo le gallerie sub-orizzontali.

 

Tornando alle perforazioni produttive, il progetto ne prevede circa 600, ognuna lunga almeno 300 metri, per un totale complessivo di circa 180 km. In termini preliminari e generali necessari per elaborare piani previsionali di esercizio-produzione, si può assumere che ogni perforazione debba avere un diametro ottimale utile non inferiore a 4”, meglio se 5”, che al fine di evitare dispersioni dell’acqua d’immissione ogni foro di perforazione dovrà essere attrezzato con una tubazione per un centinaio di metri.

Le perforazioni di produzione/captazione calore verranno realizzate da appositi allarghi/nicchie ubicati lungo le gallerie sub-orizzontali di produzione da realizzare con tecnologie analoghe a quelle descritte precedentemente per il Camerone di attacco. Le dimensioni finali di questi allarghi saranno in funzione della tipologia e delle dimensioni delle attrezzature di perforazione che verranno adottate. In ogni caso gli spazi dovranno essere tali da poter consentire le usuali manovre necessarie per realizzare le perforazioni (si renderebbero quindi necessari, ad es., spazi per allestire le batterie di aste, spazi per gli spostamenti della postazione mobile, …).

Nel layout di partenza sono previste 4 coppie di perforazioni (quindi 8 fori) per ogni allargo/nicchia presente nelle gallerie sub-orizzontali secondarie. La larghezza di ogni singola nicchia dovrebbe essere almeno attorno ai 10 metri. La posizione e la disposizione di ogni coppia di fori sarà in ogni caso funzione delle condizioni geologiche locali ed in particolare dello stato di fatturazione dell’ammasso roccioso circostante.

Nella configurazione di layout, due coppie di fori sono leggermente inclinate verso l’alto, le altre due verso il basso. I due fori di ogni coppia avranno direzioni divergenti tali che a fondo foro sarà massima la distanza tra foro d’immissione e foro d’estrazione. Ogni coppia di perforazioni rappresenta un circuito, attraverso il quale verrebbe immessa acqua nell’ammasso roccioso circostante ad alta temperatura e ri-captato fluidi riscaldati attraverso l’altro foro (di captazione). Il fluido caldo (acqua+vapore) in uscita dal foro produttivo verrà convogliato verso la superficie tramite una rete di tubazioni e pompe appropriate.

Le perforazioni dovranno comunque avere un’inclinazione studiata accuratamente per intercettare con un angolo per quanto possibile ottimale i sistemi di fatture e discontinuità aventi una giacitura essenzialmente sub-verticale degli ammassi rocciosi.

La realizzazione delle perforazioni avverrebbe in un ambiente climatizzato e gli operatori opereranno prevalentemente all’interno di cabine opportunamente protette.

 

 

 

Impianto di ventilazione e refrigerazione degli ambienti sotterranei profondi

 

Si è già anticipato nei precedenti paragrafi che la realizzazione della parte inferiore del pozzo verticale, del camerone di attacco, delle gallerie sub-orizzontali (principali e secondarie di produzione), degli slarghi e delle perforazioni di produzione avverrà all’interno di rocce a temperature non inferiori a 200°C-250°C.

Analogamente a quanto già oggi avviene nelle miniere sudafricane, ad esempio, la temperatura all’interno degli scavi di lavoro viene abbattuta per consentire l’accesso e l’operatività delle maestranze.

Appare evidente la rilevanza di una corretta progettazione e realizzazione degli impianti che dovranno assicurare un’appropriata climatizzazione degli ambienti sotterranei (ventilazione, umidificazione e refrigerazione) assuma un’importanza fondamentale per consentire alle maestranze di lavorare in sicurezza.

Questa condizione può apparire a prima vista critica, come detto inizialmente a proposito dello scavo del pozzo verticale profondo, ma in realtà esistono le tecnologie adatte a mantenere gli ambienti di lavoro, per la sola durata degli scavi e della realizzazione delle perforazioni di produzione e della relativa messa in opera delle tubazioni di raccordo alla superficie, in condizioni accettabili e, soprattutto, in piena sicurezza.

La climatizzazione degli ambienti sotterranei principalmente in ambiente minerario è argomento poco conosciuto in Italia, mentre in Paesi con una consolidata tradizione mineraria, Australia, Canada e soprattutto Repubblica del Sudafrica, questa tematiche e le tecnologie risultano ben conosciute.

Nella miniera d’oro di Freegold, nell’Orange State in Sudfrica, alle massime profondità attualmente raggiunte (circa 4 km), si hanno rocce ad oltre 160 °C e la temperatura interna viene mantenuta con potenti impianti di condizionamento intorno a 32 °C.

Nel caso specifico, per reperire informazioni attendibili, si è fatto ricorso alla consulenza preliminare di alcuni specialisti mondiali in sistemi di ventilazione e refrigerazione degli ambienti minerari sotterranei profondi (Ventilation, Air Cooling and Refrigeration Systems of Underground Mining Atmospheres) che, per quanto fin qui detto, di norma operano in Sudafrica: Mr. Martin THOM del CSIR Mining Technology e Mr. Frank Von Glehn di BBE Bluhm Burton Engineering (i loro contributi sono riportati in allegato al presente Rapporto: DOC. C, DOC. D, DOC. E, DOC. F, e DOC. G ).

È importante notare a tale proposito che, pur dovendo considerare temperature di partenza delle rocce circostanti di 50-100 °C superiori a quelle della più volte richiamata miniera di Freegold, nell’impianto DS:HDR si avranno superfici radianti (tratti di scavo scoperti) estremamente limitati e di gran lunga inferiori a quelli della miniera. Nel nostro caso, infatti, a differenza di Freegold dalla quale si estraggono circa 10.000 tonnellate di roccia fratturata al giorno, le pareti scavate verranno rivestite e coibentare da pannelli anti termici subito dopo lo scavo non essendoci alcun bisogno, per il nostro progetto, di mantenere le pareti scoperte.

In tal modo, anche con temperature più elevate, si ritiene tecnicamente del tutto fattibile la possibilità di operare in ambienti condizionati al punto da consentire l’assoluta sicurezza e la piena operatività delle maestranze.

 

 

 

Sistema interno di movimentazione del personale e dei materiali

 

Considerato che la profondità raggiunta nella miniera sudafricana di Freegold, nell’Orange State è uguale a quella massima prevista dal progetto DS:HDR, è evidente che anche nel nostro caso non esisteranno particolari problemi tecnici per realizzare un impianto analogo di movimentazione/sollevamento.

Come nel caso dell’impianto di areazione/condizionamento, sarà opportuno coinvolgere tecnici sudafricani per la stesura dello studio di pre-fattibilità previsto nella seconda fase di sviluppo del progetto DS:HDR.

 

 

Argani di produzione 2x6,5 m di diametro della GENREC Eng. (Murray & Roberts) Sudafricana all’opera nella miniera di Phalaborwa

 

 

 

 

A sinistra,movimentazione materiali e a destra vista della torre di sollevamento esterna della miniera di Freegold in Sud Africa

 

 

Sistema di sicurezza ed antincendio

 

Le opere sotterranee di maggior rilievo, siano esse scavi minerari oppure viarii/ferroviarii, hanno sistemi di sicurezza e antincendio progettati per consentire alle maestranze/viaggiatori di poter guadagnare l’uscita in sicurezza oppure ricoverarsi per tempi anche lunghi e tali da consentire ai soccorsi di poter raggiungere le persone intrappolate e metterle in salvo.

Il progetto DS:HDR trarrà vantaggio dall’esistenza di metodi, attrezzature e imprese specializzate per la progettazione e realizzazione di sistemi di sicurezza e antincendio. Analogamente a quanto detto per la progettazione degli impianti di sollevamento e condizionamento, si farà ricorso ad esperti del settore per assicurare la piena protezione alle maestranze coinvolte nella realizzazione del progetto.

 

 

 

Sistema idraulico (tubazioni di raccordo alla superficie e pompe di spinta)

 

I pozzi di produzione (di mandata dell’acqua da riscaldare e di raccolta di quella riscaldata dalle rocce incassanti) saranno collegati a tubazioni di collegamento alla superficie dove uno scambiatore di calore a fluido basso bollente provvederà ad estrarre tale calore per inviarlo all’impianto di flashing e di generazione dell’energia elettrica.

 

 

Schema semplificato di generazione

 

Inoltre, dopo aver ceduto gran parte del suo contenuto in calore per l’eventuale riscaldamento di edifici civici o per attività industriali, il fluido verrà reimmesso, senza mai entrare in contatto con l’ambiente esterno, in profondità e spinto con le pompe e attraverso i pozzi perforati nelle rocce calde profonde.

Per realizzare questo circuito si prevede siano necessarie tubazioni in grado di veicolare fino a 10 mc/s di fluido.

Per una portata simile sono richieste tubazioni, sia di mandata che di ritorno, con una sezione totale massima di circa 2,5 m2 da ripartire in più condotte nelle varie gallerie; il numero delle condotte andrà a diminuire con l’aumentare della distanza dal pozzo verticale.

Pressioni e portate che si ritiene non impongano problemi tecnici particolari per la progettazione e realizzazione di un simile impianto.

 

 

Possibile collocazione delle tubazioni di mandata e ritorno del fluido.

 

 

 

Impianti esterni di produzione e trasmissione di energia elettrica

 

All’esterno saranno realizzati la centrale di generazione e la stazione elettrica dalla quale dipartire la linea elettrica di trasmissione dell’energia generata. Non essendo mai stati realizzati impianti geotermici che superano le centinaia di MWe, si procederà gradualmente dapprima ipotizzando una centrale di grossa taglia ottenuta aggiungendo il numero necessario di moduli normalmente utilizzati in geotermia che hanno potenze comprese tra 5 e 10 MWe ciascuno.

Si passerà, quindi, nella seconda fase a progettare un impianto unico di grossa taglia o modulare con moduli di 100 MWe ciascuno.

Si ritiene fin d’ora del tutto fattibile poter realizzare un impianto di grossa taglia anche se ad oggi non è stato mai realizzato, o sommando più moduli o progettandone ad hoc uno di taglia adeguata che potrà consentire una minore occupazione di spazi e soprattutto di beneficiare delle economie di scala.

Di seguito sono riportate alcune immagini ritraenti impianti geotermici esistenti italiani e statunitensi, oltre a quelle relative ad un possibile generatore di elettricità e ad un impianto di trasmissione dell’energia elettrica prodotta.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Impianto geotermico The Geysers (il più grande del mondo), a sinistra, e di Dixie Valley (Nevada) a destra

 







Impianto geotermico di Larderello, e, a destra, il primo impianto geotermico al mondo

 

 









Generatori nell’impianto geotermico dell’Imperial Valley e, a destra, sottostazione elettrica

 

 

Impianti esterni di distribuzione del calore di risulta per usi civici e industriali

 

L’acqua raffreddata dopo la produzione elettrica a circa 92°C verrà inviata nella rete di distribuzione del calore per usi civici e industriali diretti (riscaldamento di abitazioni/uffici, serre, produzioni ittiche………)

Esistono sia nel mondo che in Italia reti di distribuzione del calore sia per usi civici (Ferrara) che industriali e si ritiene pertanto che, quando sarà il momento, non sussisteranno difficoltà di sorta per progettare e realizzare una rete di questo tipo.

Presso Ferrara, una perforazione petrolifera ha messo in evidenza nel 1956 un serbatoio geotermico con fluidi a 102 °C alla profondità di 1.1-1,3 km. Questo serbatoio è attualmente sfruttato mediante tre pozzi (due di produzione e uno di reiniezione); dopo gli scambiatori di calore situati nelle vicinanze dei pozzi, una condotta coibentata lunga 2 km trasporta l’acqua di riscaldamento (250 mc/h a 95 °C) verso la centrale: composta da serbatoi per lo stoccaggio, da caldaie a gas per le richiesta di punta, e da un inceneritore. La rete di distribuzione cittadina, lunga complessivamente 30 km, alimenta una parte importante della città di Ferrara (l’equivalente di 14.000 residenze).

Il contributo della risorsa geotermica nella rete raggiunge quasi il 60% del fabbisogno di calore e permette di sostituire 12'000 tonnellate di petrolio equivalente all’anno. L’insieme del progetto è costato all’incirca 50 milioni di €.

 

 

 

Testa di uno dei due pozzi di produzione del campo geotermico di Ferrara.

ASPETTI GEOLOGICI ED AMBIENTALI DEL NUOVO IMPIANTO DS:HDR

Aspetti geologici

 

La realizzazione di un impianto geotermico sostenuto da un serbatoio sfruttante la tecnologia DS:HDR fin qui descritta, trova una situazione ottimale in Italia e in varie zone dell’Europa. Le condizioni termiche (v. Fig. 17) della crosta nel continente europeo, e italiane in particolare, sono particolarmente favorevoli in quanto consentirebbero in teoria di realizzare centinaia di impianti da 1.000 MWe in Europa mantenendo il pozzo verticale di grande diametro e soprattutto le gallerie sub-orizzontali a profondità non superiori ai 3.000 metri (ricordiamo che in Sud Africa l’attività mineraria per la coltivazione di giacimenti auriferi e diamantiferi è ormai costantemente situata a 4.000 m di profondità.

Anche le condizioni petrologiche, strutturali e geomeccaniche in generale delle formazioni rocciose a tali profondità sono ottimali in tutto il cratone europeo e nelle zone di retropaese italiane.

In entrambi i casi, infatti, si avrebbero formazioni rocciose relativamente stabili ma con una storia geologica alquanto complessa che ha lasciato sistemi di fratturazione molteplici che possono essere sfruttati con relativa semplicità per ottenere un reticolo di fratture nelle quali far passare i fluidi per estrarre il calore dalle rocce.

In tutti i casi l’allargamento delle fratture si otterrebbe con piccole sovrapressioni (8-10 MPa) in aggiunta al peso della colonna idrica e con modestissimi e non avvertibili rilasci sismici. È comunque da escludere in tali aree che l’aumento di pressione in profondità possa dar luogo a fenomeni sismici rilevanti. La circolazione di tali fluidi, dopo la fase iniziale di scaricamento dei modesti stress deviatorici di tali aree, apporterà benefici effetti abbattendo drasticamente la già modesta pericolosità sismica di dette aree.

 

 

Aspetti ambientali

 

Per quanto riguarda l’impatto ambientale di un impianto retto da un serbatoio DS:HDR si può affermare che ad oggi esso risulterebbe il minimo possibile ed addirittura inferiore a quello ottenibile anche da impianti ad energia rinnovabile, siano essi solari, eolici o idroelettrici.

In questo impianto, infatti non si avrebbe l’enorme occupazione di suolo e la necessità di utilizzare sostanze pericolose per l’ambiente (quelle, per intenderci, necessarie per drogare le piastrine di silicio) del solare, né il forte impatto paesaggistico e acustico dell’eolico, né la privazione di tratti di asta fluviale dell’acqua necessaria per realizzare il salto idraulico degli impianti idroelettrici.

In un impianto DS:HDR non ci sarebbe nulla di tutto questo perché il fluido di circolazione resterebbe confinato nel sottosuolo e porterebbe in superficie solo calore, senza alcun trasferimento di massa.

Tale impianto può essere realizzato anche a breve distanza dalle città o comunque dai luoghi di utilizzazione dell’energia elettrica consentendo di ridurre le linee di trasmissione elettrica con forte riduzione delle perdite per effetto joule (il riscaldamento dei fili che, non essendo conduttori perfetti, oppongono una certa resistenza al passaggio della corrente che vale circa il 6% di quella trasportata) e una riduzione dell’impatto territoriale e paesaggistico altrimenti compromesso dagli elettrodotti.

Se, ad un impianto di generazione di questo tipo, si aggiunge una rete di trasmissione del calore (tipo Ferrara) si otterrebbero numerosi altri vantaggi quali, una maggiore efficienza del sistema (riscaldare l’acqua per il bagno con la corrente elettrica è altamente inefficiente), minori linee elettriche e di minor potenza, minore inquinamento elettromagnetico…

 

TEMPI E COSTI ATTESI PER UN IMPIANTO “DS:HDR” DI GROSSA TAGLIA

Costi previsti per le opere e gli impianti interni

 

Il nuovo progetto geotermico “DS:HDR” nasce per dare innanzitutto soluzione all’ostacolo principale che ha impedito nel 1995 il passaggio alla fase di industrializzazione dell’impianto HDR di Fenton Hill: il costo elevato dell’impianto dovuto essenzialmente agli alti oneri di perforazione (scalando ed attualizzando i dati statunitensi si aggirerebbero intorno a circa 7 miliardi di euro necessari per oltre 600 perforazioni necessarie per realizzare un serbatoio artificiale HDR in grado di sostenere un impianto elettrico da 1.000 MWe).

Abbiamo visto nei capitoli precedenti come sia possibile sostituire la parte improduttiva di dette perforazioni (cioè circa i 4/5 superiori del tratto perforato) con un solo pozzo verticale di grande diametro profondo 3-4 km, per di più annullando il forte impatto ambientale delle perforazioni non tenuto in considerazione dagli statunitensi, e con una serie di gallerie sub-orizzontali lunghe complessivamente 30-40 km.

Data, come visto nel cap. 9 precedente, per scontata la fattibilità del pozzo e delle gallerie con opportuni accorgimenti, i costi attualmente prevedibili sono di gran lunga inferiori ai 7 miliardi di euro sopra richiamati per le perforazioni secondo lo schema Fenton Hill. L’offerta del dr. Bevan e l’esperienza degli autori del presente documento consentono di affermare, anche se questo compito va demandato allo studio di fattibilità, che essi dovrebbero restare al di sotto dei 500 milioni di euro.

Un risparmio, questo, probabilmente decisivo per rendere economicamente appetibile un impianto a rocce calde secche.

 

 

Costi previsti per la centrale

Relativamente agli investimenti necessari per un impianto a fluido binario (la tipologia di impianto più idonea per un progetto “DS-HDR”), ipotizzando di utilizzare torri di raffreddamento a secco (condensazione del fluido organico effettuata con scambiatori ad aria, che è oltretutto una tecnologia già in uso), l'investimento per la parte "power plant" è di circa 2,5 Milioni di $/MW, se si fa riferimento ai costi attuali di impianti geotermici nel mondo 1.

Nel nostro caso gli investimenti per le tubazioni di trasporto fluido in superficie sono trascurabili poiché la centrale sarà localizzata in prossimità del pozzo di grande diametro e le tubazioni si svilupperanno nel sottosuolo.

Va però notato che sono riferiti non ad un singolo impianto di grossa taglia ma ad un impianto ottenuto accoppiando una seri e di moduli ognuno dei quali con potenza di 5-10 MW.

È evidente che se si progettasse un impianto singolo di grossa taglia si otterrebbero riduzioni consistenti dei costi per l'effetto scala; nel caso quindi di un impianto “DS-HDR” da diverse centinaia di MW è già ora ragionevole prevedere, per la parte impiantistica, una riduzione dei costi valutabile intorno in almeno il 50% dei costi della centrale/MW installato stimati accoppiando moduli da 50 MW.

Nell’ottica, quindi, di sviluppare un progetto per capacità installata dell’ordine di qualche centinaio di MW concentrati in un sito specifico, l’effetto scala permetterà di ridurre sensibilmente i costi di installazione di una centrale a fluido binario fino a valori stimabili in circa 1,2 – 1,5 MUS$/MWe, ovvero circa pari a 1,0-1,3 milioni di euro/MWe.

 

 

 

Costi e tempi totali

 

Da quanto detto è pertanto possibile che un impianto di grossa taglia, da 1.000 MWe, sostenuto da un serbatoio geotermico artificiale in rocce calde secche secondo lo schema “DS:HDR”, possa giungere a costare con una stima alquanto prudenziale meno di 1,5 miliardi di euro.

Risultato estremamente promettente se, come detto, con lo schema Fenton Hill un impianto di queste dimensioni sarebbe costato 7 miliardi di euro per le sole perforazioni.

Una valutazione di massima dei ritorni di un eventuale investimento di questo tipo, considerata la distribuzione percentuale dei costi nei circa 8 anni necessari per realizzarlo come indicato, una vita utile di circa 25 anni (molto conservativa), circa 100 addetti per il suo esercizio e la possibilità di accedere agli incentivi previsti (certificati verdi...), indica, allo stato attuale di tasse ed interessi, un TIR estremamente appetibile, compreso tra il 10 e il 15%.

 

Fig. 36 Fasi di realizzazione di un impianto DS:HDR, sotto e incidenza % dei singoli costi sul totale, sopra

 

 

CONSIDERAZIONI FINALI

 

Il nuovo progetto geotermico denominato “DS:HDR” mira allo sfruttamento industriale della più imponente fonte di energia pulita e rinnovabile del pianeta: il calore contenuto nelle cosiddette rocce calde secche (Hot Dry Rock).

A differenza degli altri progetti di sfruttamento di questa fonte energetica, che utilizzano perforazioni che si dipartono dalla superficie per giungere ad interessare la formazione rocciosa profonda, il nuovo schema prevede la realizzazione di un pozzo verticale profondo e alcune gallerie sub-orizzontali dalle quali eseguire l’ultimo tratto utile di perforazione.

In tal modo si ottiene l’annullamento praticamente completo di ogni forma di impatto territoriale e soprattutto un deciso abbattimento dei costi che avevano frenato nel 1995 il passaggio del progetto Fenton Hill alla fase di industrializzazione.

L’analisi qui condotta ha riguardato le principali opere che compongono il nuovo tipo di impianto con particolare attenzione per quelle in sotterraneo che presentano notevoli difficoltà tecniche per le condizioni di elevata pressione e temperatura delle rocce da scavare.

Grazie a questa analisi si è potuto verificare che lo studio di fattibilità delle fasi successive dovrà risolvere problematiche particolarmente complesse ed in qualche caso al limite della tecnologia mineraria attualmente esistente.

È peraltro emerso con estrema chiarezza che tali problematiche possono essere risolte con appropriati materiali e metodologie realizzative e che, dato l’estremo interesse del progetto in questione, sia assolutamente opportuno proseguirne lo sviluppo.

Le prospettive offerte dal nuovo progetto DS:HDR sono di tale rilevanza da imporre la prosecuzione della presente analisi ed il passaggio ad un vero e proprio studio di fattibilità, propedeutico alla realizzazione di un impianto pilota.

 

 

- DOC. A)

 

E-mail di Mr. Mike BEVAN di Cementation Mining dell’1.08.2000

(CC Messr. Alastair DOUGLAS & Dirk STRACHAN)

 

 

Please find the costs you requested.

 

10 M x 1000 DIA SHAFT BUDGET - ITALY 24 month duration

Fixed Preliminary and General Items………………………………………………...8,007,107.00

 

Time Related P & G Items…………………………………………………………….4,840,798.80

 

Sinking Costs

1000 m X 4,503.00 = 4,503,000.00

 

Cover Drilling Costs

28 No. X 25,143.00 = 704,004.00

 

Total US $ …………………………………………………………………..………..18,054,909.80

 

 

10 M X 3000 DIA SHAFT BUDGET - ITALY 66 month duration

 

Fixed Preliminary and General Items……………………………………………...8,007,107.00

 

Time Related P & G Items…………………………………………………………13,312,196.70

 

Sinking Costs

1st 1000m 4,503.00 4,503,000.00

2nd 1000m 4,953.30 4,953,300.00

3rd 1000m 5,448.63 5,448,630.00

 

Cover Drilling Costs

 

84 No.

25,143.00 2,112,012.00

 

Total - US $....................................38,336,245.70

 

Methodology would likely be:

Excavation - Dilling Blasting with Mechanised Drill Rig

Cleaning - Cactus Grab unit loading into kibbles

Concrete Lining - 400 to 500mm to shaft sidewalls.

Setup to sink duration - 6 months

Sinking advance – near 4 m per day

 

Regards

 

Mike Bevan.

We would like to introduce you to Cementation Mining, currently South Africa's largest Shaft Sinking, Mining and Drilling Contracting Company. We have been in Mining / Drilling Contracting since the early 1950's and have extensive experience in the field. To see more about our Company please visit our web-site at; http://www.cementationmining.co.za

 

 

 

- DOC. B)

 

E-mail di Mr. Frank VON GLEHN di BBE BLUHM BURTON ENGINEERING dell’1.06.2005

 

 

Dear Dr Cardone

 

This seems an interesting project.  Operating in such high temperatures will probably require new thinking on general mine ventilation/cooling, which we would be available and interested to do. 

 

However, I am not sure what information you require.  Are you looking for a proposal from us to do some work on designing a ventilation/cooling system? Or do you just want an idea that it would be possible to mine the tunnels at such high temperatures?  In any case we would need more information on the layout, for example, depth of tunnels, length of tunnels from any shaft/access], size of tunnel to accommodate ventilation ducts, will people be in the tunnel or just equipment, etc.  

 

Please let me have some additional information so that we can take this further.

 

Regards
Frank von Glehn

 

BLUHM BURTON ENGINEERING

Mine Ventilation and Refrigeration Specialists
Tel: +27 11 706 9800
Fax: + 27 11 706 6931

 

- DOC. C)

 

E-mail di Mr. Martin THOM di CSIR Council For Scientific and Industrial Research - Mining Technology del 6.06.2005 (CC Mr. Kobus VAN ZYL).

 

 

Dear Dr. Giancarlo Cardone

 

CSIR Miningtek has extensive experience in dealing with the ventilation and cooling of deep mines. We will gladly provide you with any information or help that you require, or alternatively we can provide you with a list of specialist mining consultants in South Africa.

 

Could you please provide more details about the information you require at this stage.

 

I assume you would like to quantify the heat load from the uninsulated portion of the tunnel being developed, in which case I would need to know the following:

 

1. Length of the uninsulated portion of the tunnel

2. Shape of the tunnel (cylindrical or rectangular)

3. Diameter, or height and width of the tunnel

4. Rock density, thermal capacity, and thermal conductivity

 

I can run some simulations using one of our numerical models and quantify the heat loads that you might expect. I will also provide you with some advice concerning ventilation requirements.

 

Please do not hesitate to contact me if you require any additional information.

 

Regards,

 

 

Martin Thom

Research Engineer

Environment Control (EC)

CSIR: Miningtek

Tel: 011 358-0047

Cell: 083 684-9668

Fax: 011 482-3267

Email: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo.

 

To CSIR Council For Scientific and Industrial Research - Mining Technology

Republic of South Africa

 

 

 

- DOC. D)

 

E-mail di Mr. Martin THOM di CSIR Council For Scientific and Industrial Research - Mining Technology del 23.06.2005

 

Dear Giancarlo

 

I ran a few numerical simulations to determine cooling requirements based on the information you sent me. The results are given below:

 

For a virgin rock temperature of 200°C the heat load for each 15 m uninsulated development end would be approximately 150 kW for a tunnel 4mX4m and ventilation air flow rate of 20 kg/s. The air velocity on the rock face should be kept to a minimum, or else the 150 kW could increase substantially. The heat load would therefore be approximately 3 MW assuming 20 development ends.

 

The insulated tunnels (4mX4m, 200°C) would generate a heat load of approximately 500 kW per kilometre of tunnel length, if the insulation thickness is 200 mm and thermal conductivity is 0.05 W/m.°C. The rock slowly cools and this heat load decreases slightly with time and becomes 460 kW/km after one year and 440 kW/km after two years. The optimal insulation material and thickness would have to be determined by a more detailed study involving a trade-off between cooling and insulation costs. For 40 km of tunnels, the heat load would be 20 MW.

 

A major source of heat would also be the auto-compression of the ventilation air as it moves down the shaft. This is essentially a conversion of gravitational energy into heat. For a ventilation air flow of 750 kg/s, this would involve an additional cooling load of approximately 15 MW (30 MW auto-compression heat minus approximately 15 MW of cooling capacity of the atmospheric air).

 

The heat gain in the shaft would be approximately 5 MW if insulated.

 

The total cooling requirements, once all excavations have been completed, would therefore be approximately 40 MW. The cooling costs are approximately US$2000/kW of cooling, including refrigeration machines, stand-by capacity, piping, and air-to-water heat exchangers. The total cooling costs would therefore be US$80 million.

 

Insulation costs would be approximately US$65 million.

 

The cost of main ventilation fans and smaller booster fans would be approximately US$3-5 million.

 

The total cooling, insulation and ventilation costs would therefore be approximately US$150 million (80+65+5).

 

The information you sent me is very basic and the values given above are therefore very rough estimates (+- 40%), but hopefully it will be of some use to you.

 

Please let me know if you require any additional information or advice.

 

Regards,

 

 

Martin Thom

Research Engineer

Environment Control (EC)

CSIR: Miningtek

Tel: 011 358-0047 Cell: 083 684-9668 Fax: 011 482-3267

Email: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo.

 

 

 

- DOC. E)

 

E-mail di Mr. Dirk STRACHAN di MURRAY & ROBERTS CEMENTATION MINING del 5.08.2005 (CC Mr. Allan Widlake)

 

Dear Mr. Cardone,

 

Thank you for your interest in our Company.

 

I confirm having received your facsimile dated 29 July 2005 to our Mr. Pete Ferreira. My name is Dirk Strachan and my position at Murray and Roberts Cementation is Project Services Executive in charge of Project planning, costing, design office etc and will attempt to assist you with your Enquiry.

 

From your description the project sounds very challenging but in order to establish the constructability of the shaft I require a bit more information as this could influence the typical South African shaft sinking methodology.

 

Can you perhaps advise of the following;

 

  1. What is the purpose of the project, Power generation, nuclear storage etc?

  2. Will the shaft be required to convey persons to and from the development grid in the permanent condition?

  3. Will any permanent hoisting of rock be required?

  4. Are there specific laws in Italy relating to mining, etc (specifically related to winding) and can these be made available to us in English?

  5. Has drilling take place to the 4000m depth? Are cores available?

  6. Has conceptual layouts been done and are these available?

 

 

Our current experience in shaft sinking is to depths of around 4000m, but this is achieved via a sequence of sub shafts. Current hoisting rope designs and South African Mining regulations with regards to rope safety factors do not allow economical sinking of single lift shafts to more than about 3200m.

 

I am also circulating this communication to our Business development Director Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo. .

 

Regards

 

Dirk Strachan

- DOC. F)

 

E-mail di Mr. Frank VON GLEHN di BBE BLUHM BURTON ENGINEERING del 6.08.2005

 

Dear Dr Cardone

 

Sorry for the delay. I was in Australia on a project.

 

We have done some preliminary [not detailed, order of magnitude] calculations, assuming that the exposed rock is 200 ºC. We assumed that the tunnel is 5 x 5 m, and there is air flowing at a velocity of about 1 m /s, so air quantity is 25 m³/s.

 

If the air is dry, then a person just standing in the uninsulated section of the tunnel would absorb about 50 kW of radiative heat from the hot rock. Equipment would absorb about the same amount in each m length. To avoid this radiative heat reaching a person in the tunnel, the air would have to be humid. In this case the air will heat up by radiation and convection. The total heat to the air [radiative and convective] in the 15 m uninsulated section will be about 1 MW. To this must be added the heat from any equipment for example TBM 2 MW, so the total heat that must be removed from the air can be as high as 3 MW.

 

Refrigeration equipment to do this is available, but it would not be possible to apply all of this cooling to only 25 m³/s, probably at least twice this quantity of air is required. To do a detailed calculation will require many iterations [at a higher air flow more heat will flow to the air from the rock by convection, also if the air is colder then more heat will flow from the rock to the air]. A difficulty with such a large refrigeration machine underground is the rejection of condenser heat to surface, a large excavation is required for the machine and power must be supplied. If the refrigeration machine is on surface then very cold water must be pumped underground in insulated pipes. A more detailed study could examine whether ice, rather than cold water is sent underground. Typical cost of 3 MW refrigeration machine and air cooler will be about US$2.5 - 3 million [excluding cost of excavations for refrigeration machine].

 

People will have to wear highly reflective clothing and maybe even clothing which has its own internal cooling systems - this is available [cold water circulating or ice or mechanical, such as in space suits]. Water used by the TBM to cool the motors will have to be cooled and transported to the machine in insulated pipes. When sprayed on the cutters, this will produce steam, which will have other problems, but this could be handled by an air cooler on the TBM backup train.

 

So, it would be possible to engineer a system that will create acceptable conditions in the tunnels but it will be expensive and detailed calculations must be done.

 

I hope this helps.

 

Regards

Frank von Glehn

 

 

- DOC. G)

 

 

E-mail di Mr. Dirk STRACHAN di MURRAY & ROBERTS CEMENTATION del 29.08.2005

 

 

Dear Mr. Cardone,

 

Thank you for your reply with the information requested. It is certainly a challenging project.

 

Just glancing at the scope I would guess that the shaft will cost in the order of Euro 120m excluding the cost of refrigeration which must be done by you.

 

The development grid should be in the order of Euro 300 per m3 excavated also excluding refrigeration and finishes.

 

Are you going to go out on tender for the pre-feasibility study? If so then kindly notify me where documents can be obtained from in order for us to consider our participation in the project.

 

Regards

 

 

Dirk Strachan

Project Services Executive

Murray & Roberts Cementation (Pty) ltd.

 

1 Typologies des systémes géothermiques HDR-HFR en Europe . BRGM/RP-53452-FR. Dicembre 2004

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