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INDIPENDENZA DELLA RICERCA E FONTI ALTERNATIVE

È possibile individuare una soluzione dell’emergenza energetica mondiale per la PACE, la SICUREZZA, l’ENERGIA e l’AMBIENTE?

Trovare la soluzione ottimale per un problema di tale rilevanza (offrire alla popolazione mondiale energia pulita, sicura ed economica) richiede:

  • una totale apertura di mente e l’assenza di schemi preconcetti;

  • l’assoluta indipendenza dei ricercatori;

  • investimenti iniziali elevati, da parte dei governi.


Condizioni, queste, che si realizzano solo se, come nei moti rivoluzionari, arrivano spinte dal basso, dalla popolazione.

Né i politici, né l’industria, né il mondo della ricerca ufficiale, hanno saputo trovare finora la soluzione giusta.

Convinti come ormai sono tutti (G.W. Bush compreso) che bisogna urgentemente uscire dall’era del petrolio (e del gas), e tenendo conto delle paure indotte dal nucleare, e dai rischi della soluzione carbone, ci vengono periodicamente indicate ricette che si rivelano poi puntualmente inadatte.

Dalla fusione nucleare, ora rinviata al 2050, al solare, all’eolico, all’energia delle maree, alle biomasse, al risparmio energetico, varie sono le proposte ma, con tutto il rispetto per esse, nulla oggi ci consentirebbe di uscire dall’era dei combustibili fossili.

In attesa di un solare conveniente, due sono le fonti energetiche sulle quali doverosamente lavorare che avrebbero potenzialmente la capacità di sostituire per quote rilevanti gli idrocarburi:

  • il calore della terra, se reso accessibile

  • il nucleare pacifico, se reso pulito e sicuro



  1. CALORE INTERNO DELLA TERRA

 

La fonte energetica migliore in assoluto, da tutti i punti di vista, è il calore interno della terra; esso infatti è pulito, rinnovabile (inesauribile), sicuro, diffuso e potenzialmente molto economico.

Ad oggi, però, malgrado l’immenso potenziale termico delle rocce del sottosuolo, i sistemi geotermici idrotermali contribuiscono in maniera marginale (BALDI et al., 1982; CRESCENTI et al, 2004; D'OFFIZI, 1986; D'OFFIZI, 1988; D'OFFIZI, 2004; RANALLI et al., 1994) a soddisfare la fame di energia mondiale (0,2% sulla produzione di energia primaria totale e 0,4% in quella di energia elettrica).

La potenza complessiva, infatti, degli impianti che nel mondo utilizzano l'energia geotermica dei rari serbatoi idrotermali e/o delle ancor più rare emergenze superficiali raggiunge valori molto modesti: 8.000 MWe (con circa 50 TWh/anno prodotti) e 12.000 MWt (rispettivamente per la produzione di energia elettrica e per l'uso diretto del calore).



Ci sono peraltro grandi margini di miglioramento sia nel settore della geotermia tradizionale (quella idrotermale) che in alcuni nuovi settori come quelle Freatomagmatica (o Idromagmatica) e delle Rocce Calde Secche.




1.1.) Pluton geothermics


Nella geotermia tradizionale è necessario incentivare l'utilizzo di tecnologie sviluppate nel mondo dell'esplorazione petrolifera dove hanno ottenuto successi strepitosi così da giungere ad individuare e sfruttare con maggiore efficienza i serbatoi geotermici.

Tali tecnologie, sperimentate con successo, ad esempio, per lo sfruttamento dei giacimenti petroliferi che coronano la tettonica salina, possono essere facilmente applicate per individuare e sfruttare i serbatoi geotermici connessi con la tettonica del tutto simile a quella salina che accompagna la risalita di duomi caldi del mantello.

In particolare indagini geologiche mirate, accompagnate da rilievi geofisici condotti con metodologie moderne (gravimetrici e soprattutto sismici ad alta risoluzione) consentono oggi di individuare con assoluta precisione le strutture connesse con la formazione e l'intrappolamento degli idrocarburi che contornano un duomo salino.

Analogamente sarebbe possibile mirare tali indagini per individuare le strutture tettoniche connesse con il plutone caldo in grado di costituire vie di risalita ed eventuale intrappolamento dei fluidi geotermici (Pluton Geothermics o PLU:G) da raggiungere con apposite perforazioni dalla superficie.

Un ottimo esempio è fornito dall'importantissimo lavoro pubblicato sul Bollettino della Società Geologica Italiana sui plutoni della Toscana (FINETTI, 2006).


Un duomo salino “ripreso” in questa sezione mediante indagini di sismica a riflessione di tipo petrolifero mostrante le strutture geologiche deformate dalla risalita del corpo salino centrale per differenza di densità con le rocce incassanti.




La tettonica che si instaura nelle rocce crostali durante la risalita di un plutone caldo è del tutto simile a quella che accompagna la risalita di un duomo salino





Altre possibilità, di seguito illustrate, ad oggi non contemplate dalla ricerca geotermica tradizionale, possono consentire di accedere a quote progressivamente importanti di calore interno della terra.



1.2) Serbatoi freatomagmatici (o idromagmatici)


Nelle aree vulcaniche dove si sono sviluppati recentemente (dal punto di vista geologico) e per lungo tempo sistemi freatomagmatici (o idromagmatici), è possibile reperire enormi quantità di energia residua perforando il tappo sommitale del condotto principale e finendo per riuscire a sfruttare, in tal modo, il serbatoio madre regionale profondo posto a 7-10 km dalla superficie, altrimenti non raggiungibile con le attuali tecniche di perforazione, o economicamente non utile, come descritto nella Domanda di Brevetto n. RM2006A000222 depositata il 20.04.2006 presso l'Ufficio Italiano Brevetti e Marchi del Ministero delle Attività Produttive (D'OFFIZI, 2006).



Schema di impianto idromagmatico regionale DG:MRE (Deep Geothermal Mega Reservoir Exploitation)



Schema di raggiungimento di un serbatoio geotermico regionale profondo sfruttando le vie naturali preesistenti costituite da un condotto freatomagmatico in un’area, quella del lago di Bracciano, molto vicina a Roma. La zona di ricarica del serbatoio profondo è collocata sui contrafforti carbonatici appenninici, la fonte di riscaldamento è data dallo stock magmatico residuo dell’attività calderica e i condotti da sfruttare sono quelli attraverso i quali sono stati fuoriemessi i prodotti freatomagmatici dell’area di Baccano-Martignano.





1.3) Serbatoi geotermici artificiali in rocce calde secche


Il calore interno della terra, contenuto nelle rocce calde secche della crosta, è una fonte inesauribile, pulita, diffusa (democratica), interna al Paese e producibile in prossimità dei luoghi di utilizzo.

Viste le sue caratteristiche, sarebbe la soluzione semplicemente perfetta, ma gli esperimenti condotti per vent’anni dal DOE (Department Of Energy statunitense) indicano che non è ancora maturo il passaggio alla fase di industrializzazione e, benché ci siano soluzioni italiane molto promettenti, come di seguito illustrato, richiede ulteriori ricerche.

Dal sito del DOE www.energy.gov si ricava, infatti:

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)”



Temperatura interna della Terra




A fronte della suddetta limitata potenzialità 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 enormi, dell’ordine del milione di GWy.

Tali risorse sono molto diffuse in vari paesi e, oltre ai sistemi idrotermali, 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 dette Hot Dry Rock (Rocce Calde Secche).

L'unica possibilità che si prospetta per l'estrazione di tale energia termica è 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 attraverso pozzi. Programmi di R&D in tale ambito sono stati avviati fin dagli anni '70 negli USA e successivamente in Gran Bretagna ed in Giappone.





Gli esperimenti condotti tra il 1977 e il 1995 dal Los Alamos National Laboratory per conto del DOE (Department Of Energy) statunitense nella località di Fenton Hill (New Mexico) hanno peraltro definitivamente dimostrato la relativa facilità con la quale è possibile estrarre calore dalle rocce calde presenti nel sottosuolo a profondità accessibili quasi ovunque nel mondo, mediante pozzi perforati dalla superficie che pompano acqua fredda all’interno di tali rocce e la recuperano riscaldata: con il calore estratto è stato possibile far funzionare un piccolo generatore di corrente elettrica a Fenton Hill nel New Mexico.


Esperimenti analoghi sono attualmente in corso nel mondo (Francia, Giappone, Inghilterra, Svizzera, Australia) dimostrano l'interesse sul metodo.


I costi elevati per unità di potenza installata, però, pari ad oltre 20 volte quelli di un impianto a ciclo combinato, hanno finora impedito il passaggio alla fase industriale di tali esperimenti. Se si volesse, infatti, realizzare un impianto da 1.000 MWe con il sistema usato a Fenton Hill (3 pozzi per 4,8 MWe), si dovrebbero perforare oltre 600 pozzi lunghi 4-5 km con una spesa, per le sole perforazioni, di 4-7 miliardi di €.

Un nuovo tipo di impianto denominato DS:HDR (protetto da Brevetto per Invenzione Industriale n. 0001333752 “Impianto geotermico DS:HDR per lo sfruttamento di rocce calde secche crostali a mezzo di perforazioni partenti da gallerie sub-orizzontali collegate alla superficie da un pozzo verticale di grande diametro” rilasciato dall’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi del Ministero delle Attività Produttive il 9.5.2006) sostituisce i tratti improduttivi delle perforazioni con un pozzo/discenderia di grande diametro; ciò consente di abbattere drasticamente i costi e di ridurre l’impatto ambientale a livelli del tutto trascurabili (D’OFFIZI, 2006).

La perforazione dei soli tratti produttivi (dai quali l’acqua viene prima pompata e quindi recuperata dopo essersi riscaldata nelle rocce calde circostanti) avviene in questo caso da alcune gallerie sub-orizzontali impermeabilizzate, coibentate e climatizzate che si raccordano al pozzo/discenderia principale.


Schema del nuovo progetto DS:HDR







Schema preliminare di impianto DS:HDR di grossa taglia (da oltre 1.000 MWe) per lo sfruttamento di rocce calde secche con produzione di energia elettrica e di acqua calda per usi civili


 




  1. ENERGIA NUCLEARE PULITA E SICURA

Il nucleare pacifico può essere una soluzione importante per abbattere i gas serra come indicato dal raffronto riportato in figura. Quello da fissione presenta però problemi di accettabilità che in Paesi come il nostro sono praticamente insormontabili che, in particolare dopo quanto successo alle torri gemelle di New York, si può dire a ragione.


Dal discorso sullo Stato dell’Unione di G.W.Bush del 1 febbraio 2006: “…The energy bill also provided several new programs to encourage investments in safe and reliable nuclear power: production tax incentives and “risk insurance” intended to cover costs of unforeseen legal or regulatory challenges to plant operation. Nuclear energy provides reliable and clean power.”



Emissioni di gas serra da vari tipi di impianti per la produzione di energia elettrica (IAEA 2000) espresse in grammi di CO2 equivalenti/ kWh





Centrali nucleari esistenti nel mondo Fonte: www.insc.anl.gov/pwrmaps/map/






Centrali nucleari esistenti in Europa Fonte: www.insc.anl.gov/pwrmaps/map/





Centrali nucleari esistenti in America settentrionale Fonte: www.insc.anl.gov/pwrmaps/map/

Incidenza della produzione di energia elettrica con il nucleare per Paese

Fonti: WNA,IAEA. Nuclear Engineering International, including Handbook.






Il nucleare da fusione è molto meno inquinante ma richiede ancora lunghi studi e sperimentazioni come si vede dal cronoprogramma riportato nel sito ITER International Thermonuclear Experimental Reactor .




In attesa della fusione, c’è però modo di risolvere i problemi del nucleare attuale sfruttando le capacità di contenimento e protezione delle rocce, come dimostrato da quanto avvenuto ad Oklo in Gabon (africa occidentale) 1,7 miliardi di anni fa, in maniera del tutto naturale. In questa località mineraria, infatti, nel 1972 sono stati rinvenuti dal fisico francese F. Perrin 15 reattori naturali sotterranei a fissione, in tre zone diverse.

È stato così possibile verificare che quando le reazioni a catena cessarono, le rocce sono state in grado di contenere efficacemente le scorie radioattive da esse prodotte confinandole a brevissima distanza dai suddetti reattori naturali.



Reattori fossili di Oklo (Gabon – Africa occidentale)



I PROBLEMI CHE IMPEDISCONO L’ACCETTAZIONE DI UNA CENTRALE NUCLEARE CONVENZIONALE A FISSIONE SONO:


  • LA SICUREZZA DELLA SALUTE

  • LA CERTEZZA DI SISTEMAZIONE DELLE SCORIE

  • LA CERTEZZA DELLA DECOMMISSIONABILITA’

  • LA SICUREZZA VERSO ATTACCHI ESTERNI

  • LA CAPACITA’ ANTINTRUSIONE

  • LA SICUREZZA NELLA MOVIMENTAZIONE DEI MATERIALI RADIOATTIVI


Partendo dalla dimostrazione di Oklo, si possono applicare le conoscenze geologiche e minerarie per modificare gli attuali impianti in modo da poter ovviare a tutti i problemi sopra elencati.

È stato così predisposto un progetto “geologico” di impianto nucleare supersicuro e intrinsecamente decommissionabile, denominato SUSE-NPP SUpersafe SElfdecommissionable Nuclear Power Plant), sfruttante le capacità assolute di contenimento e protezione delle rocce del sottosuolo, da due esperti della SOGIN, l’ing. Susanna ANTIGNANO e il dott. Sergio D’OFFIZI.


La soluzione ideata, completamente italiana ed economicamente molto interessante, è stata favorita dalla scelta di un’impostazione iniziale radicalmente nuova che rovesciava l’approccio fin qui seguito nella progettazione nucleare: oltre a porre come obiettivi prioritari la sicurezza, la facilità di gestione dell’impianto ed una sua sempre maggiore competitività economica, si è fin dall’inizio stabilito che, oltre a consentire un’agevole e certa gestione delle scorie finali prodotte, esso dovesse essere nel contempo protetto da eventuali attacchi terroristici estremi ed essere facilmente decommissionabile.



Impianto nucleare EPR (European Pressurized Reactor)



1 – Reactor building

2 – Fuel building

3 – Safeguard buildings

4 – Diesel buildings

5 – Nuclear auxiliary building

6 – Waste building

7 – Turbine building Layout impianto EPR



Isola nucleare dell’impianto nucleare EPR



Pianta dell’impianto EPR con i principali edifici e componenti





Gli obiettivi di progetto inizialmente fissati per il nuovo impianto SUSE-NPP (Supersafe Self-decommissionable Nuclear Power Plant) sono stati:


1) il confinamento assoluto dei materiali radioattivi eventualmente rilasciabili;

2) l’assoluta protezione dell’isola nucleare da qualunque tipo attacco terroristico – anzi si rende poco interessante l’obiettivo;

3) l’intrinseca decommissionabilità a costi irrilevanti a fine vita dell’impianto;

4) la certezza di smaltimento dei rifiuti radioattivi di medio-bassa attività

5) lo stoccaggio in sicurezza del combustibile esaurito e dei rifiuti ad alta attività e lunga vita.


Obiettivi sicuramente ambiziosi, ma necessari, per rimuovere la contrarietà, sicuramente motivata, delle popolazioni al nucleare che sono stati risolti completamente dal nuovo schema SUSE-NPP, depositato presso l’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi con domanda RM 2006A000104 del 1.3.2006, ricorrendo alla protezione delle rocce nel sottosuolo.

Anche in questo caso, in analogia a quanto detto per i depositi radioattivi, si possono utilizzare le barriere di contenimento geologiche in sostituzione della struttura di contenimento che avvolge il reattore e il generatore di vapore dei moderni impianti PWR (pressurized water reactor) EPR o AP1000 che siano. Per quanto all’EPR il contenimento delle barriere naturali viene anche offerto alla base del reattore.

In pratica ciò si ottiene semplicemente spostando le componenti radioattive e i sistemi ausiliari e di controllo in sotterraneo, a profondità comprese tra i 300 e i 500 metri al di sotto della superficie ed in rocce idonee a consentire gli scavi necessari a contenere eventuali fuoriuscite di materiale radioattivo ed a resistere a qualunque attacco terroristico.

Il tutto con considerevoli risparmi di costi.


Schema di un attuale EPR con l’isola nucleare (reattore e edifici ausiliari e di controllo a sinistra e con turbina e stazione elettrica a destra)


LEGENDA


1) Vessel

2) Generatore di vapore

3) Pressurizzatore

4) Pompe di raffreddamento del reattore

5) Scudo interno in cemento pre-compresso

6) Scudo di contenimento esterno in c/s rinforzato

7) Area di contenimento del nucleo fuso

8) Sala controllo

9) Generatori diesel d’emergenza

10) Sala turbine di generazione, alternatore, trasformatore e connessione alla rete.


Aspetto di un impianto EPR modificato spostando in sotterraneo il reattore e i sistemi ausiliari e di controllo. Si può fare di più spostando in sotterraneo anche le turbine e il generatore


Schema semplificato del progetto SUSE-NPP di impianto nucleare supersicuro e auto-decommissionabile.

Se necessario, si possono spostare in sotterraneo anche le turbine e il generatore



Un’analisi comparativa, fatta partendo dal nuovo impianto nucleare franco-tedesco (EPR da 1.600 MWe) consente di affermare che non ci sono costi aggiuntivi rispetto ad un impianto classico interamente realizzato in superficie: il costo, infatti, degli scavi (caverna e discenderia), compresi i sistemi di movimentazione materiali e maestranze, si aggira intorno ai 150 milioni di euro ed è del tutto analogo, se non addirittura inferiore, a quello complessivamente necessario per:

- la base del reattore, necessaria per contenere i materiali fusi da un’ipotetica fusione del nocciolo;

- i due shelter di contenimento delle radiazioni (interno ed esterno), entrambi di 1,3 m di spessore;

  • i quattro edifici di sicurezza (safeguard buildings).


I compiti oggi affidati, infatti, a tale componenti in un EPR classico, verrebbero egregiamente, e con sicurezza enormemente superiore, affidati all’ammasso roccioso nel quale dovrebbero essere realizzati gli scavi destinati ad ospitare le parti radioattive dell’impianto e gli edifici di sicurezza.

Se oltre a spostare in sotterraneo le componenti dette di un attuale impianto nucleare (idea già presentata negli anni ottanta ed oggetto di vari brevetti, sia tedeschi che statunitensi) si realizzano anche dei depositi di materiale radioattivo come previsto dal progetto SUSE-NPP (Supersafe, Selfdecommissionable Nuclear Power Plant) i vantaggi diventano molteplici.

Oltre, infatti, a realizzare un impianto nucleare estremamente sicuro per quanto riguarda i rilasci di sostanze radioattive (dovuti a malfunzionamenti dell’impianto o alle conseguenze di attacchi terroristici), si possono superare i problemi connessi con la disponibilità di un deposito di materiali radioattivi e soprattutto si potrebbe self-decommissionare l’impianto semplicemente sigillando l’entrata della caverna che ospita il reattore. Con vantaggi dal punto di vista economico notevoli (non ci sarebbe più bisogno di eseguire il decommissioning di un impianto nucleare al termine della sua vita operativa).


A costi marginali, inoltre, è possibile realizzare caverne sotterranee utilizzabili, a seconda delle necessità e della situazione del Paese, come:

Deposito Temporaneo di Combustibile Irraggiato

Deposito Temporaneo di Rifiuti Radioattivi di Medio-Bassa intensità;

Deposito Definitivo di Rifiuti Radioattivi di Medio-Bassa intensità;

Deposito Definitivo di Rifiuti Radioattivi ad Alta attività (e/o lunga vita).




Tipo di impianto (da 1000 MW)

Area occupata (ettari)

SUSE-NPP

5

Nucleare tradizionale

15

Carbone

30

Olio combustibile

20

Gas (ciclo combinato)

12

Solare (fotovoltaico)

200

Solare (termico, progetto Archimede)

2.000

Eolico

12.500

Comparazione dell’area occupata da vari tipi di impianti per la produzione di energia elettrica da 1000 MW (se si realizza più di un impianto SUSE-NPP sullo stesso sito, il vantaggio già notevole, si moltiplica per la possibilità di sfruttare la terza dimensione)


- Ma la tecnologia esistente consentirebbe la realizzazione degli scavi necessari al SUSE-NPP?


L’impianto di Kazunogawa, in Giappone, è un impianto di pompaggio da 1.600 MWe e capacità di scarico di 280 m3/s.

La centrale elettrica e le quattro pompe/turbine reversibili (pompaggio-generazione) da 400 MW ciascuna sono poste in una caverna a 500 m di profondità, lunga 210 m, larga 34 m e alta 54 m per un volume totale scavato di 250,000 m³.


A titolo di raffronto il deposito di Scanzano era progettato per contenere 100.000 m3 di materiali radioattivi)

La centrale idroelettrica di Kazunogawa costruita dalla Tokyo Electric & Power Company (TEPCO




L’impianto idroelettrico di pompaggio/generazione giapponese di Kannagawa ha una potenza di 2.700 MWe.

La caverna, di dimensioni simili a quella dell’impianto di Kazunogawa, è lunga 216 m, larga 33 m e alta 52 m.

È posta anch’essa a 500 m di profondità e ha stress in situ che raggiungono massimi di 25 MPa affrontati con adeguata progettazione.


Caverna della centrale idroelettrica di Kannagawa costruita dalla Tokyo Electric & Power Company (TEPCO)



Shaft di 7,63 m di diametro in una miniera canadese che, una volta completato, giungerà a 3220 m di profondità.


In Sudafrica il minerale aurifero è ormai estratto da profondità di oltre 4 km attraverso pozzi di grande diametro (10-15 m) e da rocce con pressioni di 30-50 MPa e temperature di oltre 160°C.


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



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


I sistemi per la movimentazione delle persone e dei materiali estratti dalle miniere sudafricane consentono di trasportare in superficie oltre 10.000 t/giorno di minerale da profondità di 4 km!





Camera di primo livello con vista della copertura pozzo dell’impianto di smaltimento dei rifiuti radioattivi di medio-bassa attività di Olkiluoto (Finlandia)



Del resto depositi in sotterraneo per materiali radioattivi esistono già in alcuni Paesi del mondo. Tra questi il deposito finlandese per rifiuti radioattivi di medio-bassa attività posto in caverne realizzate nel sottosuolo a poca distanza dagli impianti nucleari esistenti e dal nuovo EPR in costruzione.

Questo deposito è usato per smaltire rifiuti radioattivi di bassa attività (quali coperture in plastica, vestiario di protezione delle maestranze e metalli di scarto) unitamente a rifiuti di media attività (comprendenti liquidi, fanghi e resine a scambio ionico usate nel sistema di purificazione delle acque radioattive.

I rifiuti a bassa attività sono compattati con una pressa idraulica fino a ridurne a metà il loro volume originario e quindi rinchiusi in cask da 200 litri che vengono giornalmente trasportati nel deposito.

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