ITCO20110005A1 - Sistema per estrarre calore da rocce calde ed impianto geotermico - Google Patents

Description

SISTEMA PER ESTRARRE CALORE DA ROCCE CALDE ED IMPIANTO GEOTERMICO

DESCRIZIONE CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema per estrarre calore da rocce calde ed un impianto geotermico che lo utilizza.

STATO DELLA TECNICA

Lo sfruttamento dell’energia geotermica à ̈ ben noto da anni anche se non molto diffuso.

In primo luogo occorre distinguere chiaramente tra geotermia a bassa entalpia, che utilizza pozzi stretti (ad esempio 10-20 cm) e poco profondi (ad esempio 20-200 m), e geotermia ad alta entalpia, che utilizza pozzi più larghi ed assai più profondi; la differenza tra i due tipi di geotermia à ̈ concettuale e non si limita alle differenti dimensioni del pozzo.

La geotermia a bassa entalpia sfrutta concettualmente il sottosuolo, o meglio il terreno superficiale, come sorgente di temperatura costante (abbastanza bassa, ossia tipicamente 12-17°C): nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie verso un edificio da riscaldare e nei mesi estivi il calore in eccesso presente in un edificio viene trasferito nel terreno in profondità; questo funzionamento à ̈ reso possibile essenzialmente grazie ad una pompa di calore ed ad una o più sonde (che possono essere ad estensione orizzontale o verticale). La geotermia a bassa entalpia viene generalmente usata per impianti dedicati a poche unità abitative. La geotermia ad alta entalpia sfrutta concettualmente il sottosuolo, o meglio le rocce profonde, come sorgente di calore ad alta temperatura (tipicamente 300-450°C); grazie al calore si genera un flusso di vapore ad alta temperatura ed alta pressione il quale muove una turbina ossia genera energia meccanica; la rotazione della turbina può servire a generare energia elettrica tramite un sistema alternatore. La geotermia ad alta entalpìa viene generalmente usata per grandi impianti, anche detti centrali geotermiche.

Attualmente, sono note tre tipologie o generazioni di centrali geotermiche.

Nelle centrali di prima generazione si sfruttano le proprietà energetiche del vapore acqueo emesso da fonti geotermali come soffioni e geyser.

Nelle centrali di seconda e terza generazione si utilizza vapore ottenuto iniettando acqua in fratture naturali della crosta terrestre, nel caso delle centrali di seconda generazione, o in pozzi artificiali profondi, nel caso delle centrali di terza generazione. Nelle centrali di seconda generazione si sfruttano fratture naturali verticali che scendono fino a strati rocciosi molto caldi e profondi; queste fratture naturali verticali sono in comunicazione tra loro attraverso fratture naturali orizzontali situate negli strati rocciosi profondi; acqua viene iniettata in alcune di queste fratture verticali e viene restituita come vapore da altre di queste fratture verticali grazie alle fratture naturali orizzontali. Nelle centrali di terza generazione si trivellano due pozzi adiacenti fino a raggiungere strati rocciosi molto caldi e profondi in cui sono presenti fratture naturali orizzontali; acqua viene iniettata nel pozzo di discesa e viene restituita come vapore dal pozzo di risalita grazie alle fratture naturali orizzontali. Gli strati rocciosi molto caldi utilizzabili per le centrali di seconda e terza generazione si trovano ad un profondità variabile tra 500 m e 7000 m, a seconda della zona geografica; tale profondità dipende, tra l’altro, dalla profondità a cui si trova il magma terrestre.

Da quanto detto à ̈ chiaro che, tutte tali centrali geotermiche sono fortemente dipendenti da condizioni ambientali, il che à ̈ un elemento di criticità; per quanto riguarda le centrali di seconda e terza generazione, à ̈ essenziale l'esistenza di fratture naturali orizzontali in strati rocciosi molto caldi e profondi, ed anche la loro permanenza nel tempo malgrado eventuali moti sismici.

In tutte tali centrali geotermiche, si sfrutta l’energia di vapore generato direttamente da strati caldi della crosta terrestre; vi sono quindi i seguenti problemi:

- dispersione di energia termica e meccanica dovuta alla risalita del vapore, il quale risalendo si raffredda e si disperde;

- aumento della sismicità locale dovuto alla azione e/o dispersione del vapore ad alta pressione in fase di salita;

- trasporto di sostanze tossiche presenti in profondità nelle sottosuolo (quali solfuro di idrogeno, biossido di carbonio, ammoniaca) trascinate dal vapore in risalita nell’atmosfera in superficie;

- trasporto di sostanze corrosive presenti in profondità nelle sottosuolo (quali solfuro di idrogeno, biossido di carbonio, ammoniaca) trascinate dai vapore in risalita e quindi da un lato corrosione delle pareti dei pozzi e dall’altro dei dispositivi che ricevono il vapore per trasformarlo in energia meccanica (per quanto riguarda il secondo aspetto à ̈ indispensabile trattare il vapore prima che venga in contatto con le pale della turbina);

- impredicibilità del flusso di vapore disponibile per la generazione di energia meccanica a causa delle molteplici variabili legate a condizioni ambientali non determinabili anticipatamente in modo preciso e non controllabili.

Questi problemi comportano la necessità di realizzare centrali geotermiche molto grandi.

SOMMARIO

Scopo generale della presente invenzione à ̈ quello di superare gli inconvenienti deH’arte nota.

Un primo scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che non dia luogo a problemi di inquinamento in superficie.

Un secondo scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che non e che non dia luogo a abbia problemi di corrosione.

Un terzo scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che sia altamente efficiente in termine di resa energetica.

Un quarto scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che non disperda sostanze nel sottosuolo.

Un quinto scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che non sia fortemente dipendente da condizioni ambientali.

Un sesto scopo più specifico à ̈ quello di fornire un sistema per estrarre calore da rocce calde che sia semplice e relativamente poco costoso da costruire e mettere in opera.

Questi ed altri scopi sono raggiunti grazie al sistema per estrarre calore da rocce calde avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni qui annesse che formano parte integrante della presente descrizione.

Secondo un ulteriore aspetto la presente invenzione riguarda anche impianto geotermico che utilizza tale sistema.

Il Richiedente si à ̈ orientato verso una soluzione per geotermia ad alta entalpia poiché questa consente una resa energetica assai più elevata perché opera con temperature molto elevate (tipicamente 300-450 °C) e quindi non richiede pompe di calore.

Per evitare inquinamento e corrosione, il Richiedente ha pensato di utilizzare un circuito idraulico chiuso in cui fare circolare un fluido per trasporto di calore che non viene a contatto diretto con rocce o terreno.

Per ridurre il costo della messa in opera, il Richiedente ha pensato ad un sistema che potesse essere inserito in un solo pozzo lungo, ad esempio 500-3500 m, e largo, ad esempio 1-2 m, derivante da una trivellazione fatta artificialmente; naturalmente, non si esclude la possibilità di prevedere una pluralità di pozzi con una corrispondente pluralità di sistemi inseriti all’interno. Naturalmente, nulla viene, se necessario o desiderato, di effettuare trivellazioni più profonde: con le attuali tecnologie si riesce ad arrivare a 7000-8000 m.

Per effettuare un scambio termico efficiente, il Richiedente ha pensato ad un bulbo cilindrico, relativamente corto ad esempio 10-100 m, localizzato solo in corrispondenza delle rocce calde profonde.

Inoltre, seguendo le idee indicate sopra, il Richiedente si à ̈ poi reso conto che le pareti del pozzo possono diventare una fonte di dispersione termica invece che un elemento utile alla soluzione; infatti, la loro temperatura decresce lentamente lungo l’estensione del pozzo dal fondo alla superficie, e quindi un fluido riscaldato sul fondo del pozzo alla temperatura corrispondente al fondo del pozzo tende a trasmettere calore alle rocce ed al terreno che circonda il pozzo man mano che risale verso la superficie; pertanto, il Richiedente ha previsto mezzi di isolamento termico disposti lungo il pozzo.

Infine, dal punto di vista della disposizione meccanica, il bulbo cilindrico ed i mezzi dì isolamento cilindrici sono allineati (se si parlasse in termini matematici occorrerebbe dire “approssimativamente allineati†) in modo da realizzare una unica forma cilindrica (se si parlasse in termini matematici occorrerebbe dire “approssimativamente cilindrica†) inseribile in un pozzo (cilindrico).

In generale, il sistema per estrarre calore da rocce calde secondo la presente invenzione à ̈ atto ad essere inserito interamente in un pozzo che raggiunge dette rocce calde e comprende un circuito idraulico chiuso atto alla circolazione di un fluido per trasporto di calore; esso comprende inoltre:

- un bulbo di forma cilindrica (ossia allungata e di dimensioni radiali sostanzialmente costanti) atto a circolare detto fluido al suo interno ed atto ad essere posto in contatto con dette rocce calde al suo esterno per assorbire calore da queste e trasferirlo a detto fluido circolante al suo interno,

- un primo condotto (all'interno del pozzo) atto a condurre detto fluido a e dentro detto bulbo,

- un secondo condotto (all’interno del pozzo) atto a condurre detto fluido fuori e via da detto bulbo,

- mezzi di isolamento termico di forma cilindrica, allineati a detto bulbo, disposti lungo detto pozzo fino a detto bulbo, ed atti ad isolare termicamente detti primo e secondo condotti tra loro e da terreno e/o rocce circostanti.

Il diametro di detti mezzi di isolamento termico, che poi corrisponde sostanzialmente al diametro del pozzo dove c’à ̈ la roccia, à ̈ tipicamente pari al diametro di detto bulbo moltiplicato per un fattore compreso tra 1 ,00 e 1 ,20; vale qui la pena di osservare che nei tratti del pozzo che attraversano terreno invece che roccia, sarà tipicamente prevista una fodera attorno al pozzo, realizzata tipicamente in forma di rivestimento della parete del pozzo, per definire le sue dimensioni ed evitare crolli.

Tipicamente, detti condotti terminano entrambi in corrispondenza della parete superiore di detto bulbo in modo tale che non sia necessario prevedere spazio radiale addizionale per tali collegamenti.

Detto bulbo ha tipicamente una lunghezza compresa tra 10 m e 100 m.

Detto bulbo ha tipicamente un diametro compreso tra 1 m e 2 m.

Detto bulbo ha tipicamente un rapporto tra lunghezza e diametro compreso tra 10 e 100.

Detti mezzi di isolamento termico hanno tipicamente una lunghezza compresa tra 500 m e 3500 m; tale lunghezza corrisponde, di fatto, alla lunghezza del pozzo fatta salva la lunghezza del bulbo e un eventuale piccolo margine.

Detto bulbo può comprendere vantaggiosamente elementi sporgenti verso il suo interno ed atti ad aumentare la superficie di trasferimento termico con detto fluido. Detto bulbo può comprendere vantaggiosamente mezzi di generazione di moti turbolenti in detto fluido circolante al suo interno; anche in tal modo si incrementa trasferimento termico verso detto fluido.

Detti mezzi di generazione di moti turbolenti comprendono vantaggiosamente rimescolatori rotanti passivi; in tal modo, i moti che si possono generare sono molto forti ma non richiedono mezzi addizionali per realizzare la rotazione.

Detti mezzi di generazione di moti turbolenti sono tipicamente posti all'interno di detto bulbo, in particolare in una zona estrema inferiore e/o almeno in una zona intermedia atta a conduzione fluida e/o almeno in una zona intermedia atta a trasferimento termico.

Detti mezzi di isolamento comprendono vantaggiosamente almeno uno strato di sabbia o ghiaia e/o almeno uno strato di materiale sigillante; la ghiaia e la sabbia forniscono un buon isolamento termico e sono materiali economici e facilmente disponibili in un luogo dove si effettua una trivellazione; il materiale sigillante ostacola molto efficacemente la risalita di sostanze tossiche lungo il pozzo. E' molto vantaggioso prevedere lunghi strati di ghiaia o sabbia alternati a brevi strati di materiale sigillante lungo il pozzo.

Vantaggiosamente, detto fluido per trasporto di calore à ̈ un nanofluido; in tal modo, il trasporto di calore à ̈ molto efficace ed efficiente grazie all’elevato calore specifico dei nanofluidi.

Detto bulbo comprende vantaggiosamente una pluralità di moduli longitudinali uniti tra loro; in tal modo, à ̈ molto più facile produrre industrialmente bulbi di lunghezza variabile in funzione delle specifiche condizioni di messa in opera, in particolare la temperatura delle rocce e lo spessore dello strato roccioso caldo.

Detto bulbo comprende vantaggiosamente un condotto centrale accoppiato a detto primo condotto ed atto a condurre detto fluido in una zona interna di detto bulbo ad un estremo inferiore di detto bulbo; in tal modo, il fluido che scende e che à ̈ più freddo fluisce lontano dalle pareti perimetrali del bulbo, mentre il fluido che sale e che à ̈ più caldo fluisce vicino alle pareti perimetrali; inoltre, il riscaldamento del fluido per effetto delle pareti perimetrali favorisce il suo flusso verso l’alto.

In generale, l'impianto geotermico, ossia per estrarre calore dalla terra, secondo la presente invenzione, comprende almeno un sistema come sopra definito.

Tipicamente, l’impianto comprende ulteriormente:

- un circuito idraulico chiuso con un fluido di lavoro per generare direttamente lavoro,

- uno scambiatore di calore posto in corrispondenza di un estremo superiore di detto secondo condotto ed atto a scambiare calore direttamente tra detto fluido per trasporto di calore proveniente da detto bulbo e detto fluido di lavoro.

L’impianto comprende vantaggiosamente un turbina azionata dal fluido di lavoro ed una macchina elettrica accoppiata meccanicamente alla turbina ed atta a generare energia elettrica per effetto della rotazione della turbina.

ELENCO DELLE FIGURE

Le caratteristiche tecniche della presente invenzione nonché i suoi vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione che segue da considerare congiuntamente ai disegni qui annessi in cui:

Fig.1 mostra schematicamente la vista in sezione verticale di un esempio di realizzazione di un impianto geotermico secondo la presente invenzione con un sistema di estrazione di calore in un pozzo,

Fig.2 mostra schematicamente la vista in sezione verticale del bulbo del sistema di Fig.1 da cui sono stati rimossi alcuni componenti, ossia gli elementi lamellari, Fig.3 mostra schematicamente la vista prospettica di un rimescolatore rotante passivo contenuto nel bulbo di Fig.2,

Fig.4 mostra schematicamente la vista in sezione verticale del bulbo del sistema di Fig.1 in cui sono inseriti una serie di elementi lamellari ma da cui à ̈ stato rimosso un componente, ossia il rimescolatore rotante passivo di Fig.3,

Fig.5 mostra schematicamente la vista parziale in sezione trasversale di un elemento lamellare,

Fig.6 mostra schematicamente la vista prospettica di un rimescolatore rotante passivo utilizzabile nel bulbo di Fig.2 e Fig.4, in particolare fissato alle lamelle dell'elemento lamellare, e

Fig.7 mostra schematicamente la vista prospettica di un rimescolatore rotante passivo utilizzabile nel bulbo di Fig.2 e Fig.4, in particolare fissato alle pareti perimetrali del bulbo.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Sia tale descrizione che tali disegni sono da considerare solo a fini illustrativi e quindi non limitativi; pertanto, la presente invenzione potrà essere implementata secondo altre e diverse forme realìzzative; inoltre, si deve tenere presente che tali figure sono schematiche e semplificate.

In Fig.1 , si vede un pozzo 1 derivante da una trivellazione (cilindrica e sostanzialmente verticale) in cui à ̈ inserito un esempio di realizzazione di sistema 2 di estrazione di calore secondo la presente invenzione. In superficie, sul terreno, si trovano un insieme 3 di macchine collegate al sistema 2 ed atte a trasformare il calore estratto dal sistema 2 prima in energia meccanica e poi in energia elettrica; come risulterà più chiaro nel seguito, l’insieme 3 corrisponde alla sezione di trasformazione di un impianto geotermico. Si nota che, in questa figura, il sistema 2 non raggiunge esattamente l’estremo inferiore, ossia il fondo, dei pozzo 1 e non raggiunge esattamente l’estremo superiore del pozzo 1 ; ciò non à ̈ particolarmente rilevante ai fini della presente invenzione.

E’ bene subito chiarire che Fig.1 non à ̈ in scala (in particolare la larghezza à ̈ stata aumentata rispetto alla altezza) ed à ̈ molto semplificata; ciò à ̈ stato fatto per facilitare la leggibilità del disegno.

In corrispondenza del fondo del pozzo 1 , al suo esterno, vi à ̈ uno strato 4 di rocce molto calde, ad esempio ad una temperatura di 300-450 °C.

In corrispondenza del fondo del pozzo 1 , al suo interno, vi à ̈ un bulbo 5 del sistema 2 che à ̈ cilindrico e cavo; il bulbo 5 à ̈, per quanto possibile, in contatto con le rocce calde dello strato 4; il bulbo 5 collegato ad un primo condotto 6 e ad un secondo condotto 7; entrambi i condotti 6 e 7 si trovano all’interno del pozzo 1 , in particolare sostanzialmente paralleli, e sono circondati da mezzi di isolamento termico che li isolano termicamente tra loro e da terreno (nella parte superficiale del pozzo 1) e da rocce (nella parte profonda del pozzo 1 ).

I mezzi di isolamento termico corrispondono essenzialmente a due lunghi strati 81 di ghiaia o sabbia. Tuttavia, in aggiunta, sono stati previsti tre brevi strati 82 di materiale sigillante: uno vicino al bulbo 5, uno vicino alla superficie del pozzo 1 ed uno intermedio; in altre parole gli strati sigillanti si alternano agli strati isolanti; naturalmente, il numero e la dimensione degli strati dipende dalla particolare realizzazione del sistema secondo la presente invenzione, anche se à ̈ vantaggioso prevedere almeno uno strato sigillante in superficie e/o uno strato sigillante sul fondo. Come già detto, Fig.1 mostra un esempio di realizzazione semplificato; più realisticamente, 100 metri di mezzi di isolamento termico comprendono ad esempio una decina di strati di materiale sigillante dello spessore di 1-3 metri che quindi risultano distanziati tra loro da strati di materiale isolante dello spessore di 9-7 metri; l’ultimo tratto del pozzo, ad esempio gli ultimi 100 metri, à ̈ vantaggiosamente riempito interamente di materiale sigillante; un materiale sufficientemente sigillante e sufficientemente economico à ̈ il calcestruzzo.

L’insieme del condotto 6, del bulbo 5 e del condotto 7 costituisce un circuito idraulico chiuso atto alla circolazione di un fluido per trasporto di calore; tale fluido viene immesso nel condotto 6 in superficie a bassa temperatura (ad esempio 150-300°C), scende lungo il condotto 6, entra nel bulbo 5; circola nel bulbo 5 e quindi si scalda ad una temperatura vicina a quella dello strato 4 (ad esempio 300-450°C), esce dal bulbo 5, sale lungo il condotto 7 ed esce dal condotto 7 in superficie ad alta temperatura; se i mezzi di isolamento termico sono ben fatti, il fluido non perderà molta temperatura da quando esce dal bulbo 5 a quando esce dal condotto 7 in superficie; tale perdita potrebbe essere ad esempio di 10-20°C. In Fig.1 , il bulbo 5 ed mezzi di isolamento 81 e 82 sono perfettamente cilindrici, allineati e del medesimo diametro, ed occupano esattamente lo spazio cilindrico del pozzo 1 ; in altre parole, il diametro del pozzo, il diametro del bulbo 5 ed il diametro dei mezzi di isolamento 81 e 82 sono uguali.

Naturalmente, nella realtà tale situazione ideale non si verifica. Il pozzo 1 deriva da una trivellazione che tipicamente avviene in parte in terreno ed in parte in rocce e quindi non può essere perfettamente cilindrico; tra l’altro, se il pozzo attraversa strati di terreno sarà probabilmente necessario effettuare un scavo assai maggiore del pozzo e realizzare una fodera, realizzata tipicamente in forma di rivestimento della parete del pozzo, ad esempio in calcestruzzo e/o in lastra metallica, per contenere il terreno e permettere la continuazione della trivellazione e l'inserimento di un sistema secondo la presente invenzione. Il bulbo 5, per poter scendere lungo il pozzo 1 , avrà tipicamente un diametro un po’ inferiore a quello del pozzo, ad esempio fino al 20% inferiore; alla luce di tale considerazione, à ̈ da prevedere che tra il bulbo 5 e la parete interna del pozzo 1, nello spazio che rimane, venga posto del materiale con buona conducibilità termica (ad esempio nanolubrificanti ad alta densità specifica, composti da grassi minerali e nano particelle, sostanze già note in letteratura tecnica e scientifica) per ottenere una buona efficienza termica e resa del sistema secondo la presenta invenzione. I mezzi di isolamento 81 e 82, per come saranno tipicamente realizzati, andranno a riempire interamente il pozzo 1 e quindi, pur non essendo perfettamente cilindrici avranno dimensioni, in particolare diametro, pressoché uguali a quelle del pozzo. Come già detto, la soluzione oggetto della presente invenzione à ̈ stata studiata per geotermia ad alta entalpia; pertanto, il pozzo deve raggiungere strati rocciosi molto caldi, ad esempio ad una temperatura di 300-450°C; strati di questo tipo si trovano in genere ad un profondità variabile tra 500 m e 3500 m, a seconda della zona geografica; la lunghezza dei mezzi di isolamento termico sarà quindi circa pari a quella pozzo meno la lunghezza del bulbo che, come si spiegherà meglio in seguito, sarà tipicamente di 10-100 m.

Il bulbo à ̈ fatto in modo tale da assorbire molto calore dalle rocce circostanti e cederlo efficacemente al fluido che circola al suo interno; dettagli del bulbo 5 di Fig.1 sono mostrati in Fig.2 ed in Fig.4 e verranno descritti nel seguito con riferimento a tali figure.

Il bulbo 5 à ̈ sostanzialmente cilindrico; in particolare, superiormente presenta una calotta per favorire il convogliamento del fluido caldo nel condotto 7 di salita; esso à ̈ cavo e presenta una cavità 9 interna atta fare circolare il fluido per trasporto di calore; la cavità 9 à ̈ in comunicazione con il condotto 6 di discesa del fluido e con il condotto 7 di salita del fluido; il condotto 6 à ̈ collegato ad un condotto 10 centrale atto a condurre il fluido (freddo) in una zona 11 interna del bulbo 5 ad un suo estremo inferiore; il condotto 10 (assieme alle pareti perimetrali del bulbo 5) definisce quindi nella cavità 9 una zona 12 anulare compresa tra la zona 11 estrema inferiore ed una zona 13 estrema superiore (nell’esempio di Fig.2 e Fig.4 all’interno della calotta); nella la zona 12 avviene la salita del fluido ed il suo riscaldamento del fluido per effetto del contatto con le pareti perimetrali del bulbo 5; come risulterà più chiaro dal seguito, nella zona 12 avvengono vari tipi di moto del fluido, tra cui moti convettivi naturali e moti turbolenti indotti.

Nella zona 11, à ̈ montato un rimescolatore 14 rotante passivo che à ̈ mostrato, in maggior dettaglio in Fig.3. Esso à ̈ suddiviso fondamentalmente in due parti; la parte centrale à ̈ una girante atta a riceve il fluido proveniente dal condotto 10 ed a fare ruotare l’intero rimescolatore 14 per effetto della pressione esercitata dal fluido sulle sue palette; la parte periferica serve ad impartire un moto turbinante e turbolento al fluido; in particolare, la parte periferica comprende una pluralità (specificamente quattro) di coppette forate montate su una fascia perimetrale della parte centrale - la forma può sembrare quella di un anemometro, ma l'effetto sul fluido à ̈ ben diverso. Il fluido proveniente dal condotto 10 attraversa la parte centrale del rimescolatore 14 e, in tal modo provoca la sua rotazione; oltrepassato il rimescolatore 14, il fluido viene a contatto con la parete inferiore interna del bulbo 5 ed inverte il suo moto, ma a causa di una particolare conformazione di tale parete viene anche deviato radialmente e quindi sale in corrispondenza della parte periferica del rimescolatore 14; in tal moto di salita, il fluido viene intercettato dagli elementi rotanti forati della parte periferica del rimescolatore 14 che impartiscono al moto una componente turbinante; inoltre, utilizzando elementi forati, si creano anche dei moti turbolenti e convettivi (per “effetto Venturi†). Il rimescolatore 14 à ̈ detto “passivo†in quanto non necessita di alcun tipo di motore per operare, ma sfrutta semplicemente l’energia cinetica del fluido che deve rimescolare.

E’ evidente che vi sarebbe trasferimento di calore tra le pareti perimetrali del bulbo 5 ed il fluido che sale nella zona 12 anulare intermedia anche se non si utilizzasse un rimescolatore nella zona 11 estrema inferiore; tuttavia, grazie ad un tale dispositivo, l’efficienza del trasferimento termico à ̈ di molto aumentata poiché si favorisce un riscaldamento uniforme di tutto il fluido che esce dal condotto 10. I condotti 6 e 7 terminano entrambi in corrispondenza della parete superiore del bulbo 5, che nel caso dell’esempio di Fig.2 ha forma di calotta; quindi, in tal modo, il collegamento di tali condotti e del bulbo può essere realizzato senza l'uso di componenti che sporgano radialmente rispetto al bulbo; ne deriva che il diametro del pozzo dipende solo dal diametro del bulbo (e naturalmente dal tipo di terreno e rocce in cui si effettua la perforazione) e non dalle dimensioni di altri elementi. Preferibilmente, l’asse del condotto 6 coincide con l’asse del bulbo 5 in modo tale da ottenere la maggior potenza di caduta possibile.

Il bulbo da utilizzare per la presente invenzione ha tipicamente un diametro compreso tra 1 m e 2 m. Per quanto riguarda la lunghezza del bulbo, si ha una maggior variabilità e tipicamente tra 10 m e 100 m; infatti, questa dipende dalla temperatura delle rocce dello strato roccioso con il quali viene messo a contatto, dallo spessore di tale strato roccioso, dalla quantità di calore che si desidera estrarre da tale strato roccioso. In senso relativo, il bulbo ha tipicamente un rapporto tra lunghezza e diametro compreso tra 10 e 100. Il diametro del condotto interno à ̈ tipicamente compreso tra 25 cm e 60 cm. Il bulbo à ̈ vantaggiosamente fatto di materiale metallico, in particolare rame, leghe di rame o acciaio; il bulbo può anche essere realizzato da più strati sovrapposti di materiale.

Al fine di proteggere il bulbo dagli agenti corrosivi presesenti in profondità à ̈ vantaggioso che esso sia ricoperto esternamente da uno strato di protezione; il materiale di tale strato di protezione sarà tipicamente materiale ceramico compatto e resistente, come ad esempio il “grà ̈s†, in particolare il “grà ̈s porcellanato a tutta massa"; lo spessore di tale strato di protezione può essere di 1-5 cm e dipende dalle condizioni sul fondo del pozzo. Tale strato di protezione può anche essere armato con rete metallica, possibilmente acciaio, singola o doppia, per aumentarne la resistenza, ad esempio in caso di bulbi di grandi dimensione e/o sottoposti a temperature particolarmente elevate.

I due condotti 6 e 7 possono avere diametri diversi per compensare le perdite di carico introdotte dal bulbo e la dilatazione del fluido causata dal suo riscaldamento.

Per regolare la circolazione del fluido nel circuito del sistema secondo la presente invenzione à ̈ tipicamente necessario un dispositivo di pompaggio, eventualmente controllato elettronicamente, in modo tale da avere all’uscita del condotto 7 una pressione ed una velocità che ricadano in intervalli predeterminati.

La velocità nel bulbo, e più in generale nel circuito, sarà tipicamente nell’intervallo da 0,5 m/s a 10 m/s, quindi relativamente alta. La pressione nel circuito, e nel bulbo in particolare, sarà tipicamente molto alta; tenendo conto che per ogni 100 m di pozzo si crea una pressione idrostatica di circa 10 atm, nel caso di un pozzo di 3000 m si avrà nel bulbo una pressione di almeno 300 atm. La presente invenzione insegna altre misure per l'efficienza del trasferimento termico, le quali possono essere usate in alternativa o vantaggiosamente in combinazione con un rimescolatore inferiore.

Una prima misura che può essere usata con successo per favorire il trasferimento termico dalle pareti perimetrali del bulbo al fluido che circola al suo interno, e che à ̈ usata nell'esempio di Fig,2 e Fig.4, sono elementi, in particolare alette o lamelle, sporgenti verso l’interno del bulbo ed atti ad aumentare la superficie di trasferimento termico con il fluido; tali elementi, fatti tipicamente di materiale buon conduttore termico, possono essere integrati nelle pareti perimetrali del bulbo oppure essere semplicemente appoggiati a queste in modo tale da trasmettere rapidamente calore per conduzione fino a zone interne della cavità del bulbo dove fluisce fluido.

Secondo l’esempio vantaggioso di Fig.4 e Fig.5, tali sporgenze sono realizzate mediante un tratto di tubo cilindrico infilato all'interno del bulbo 5 in modo tale da essere a contato con le pareti perimetrali del bulbo 5; al Iato interno del tubo sono unite una pluralità di lamelle disposte radialmente e che si estendono fino ad una predeterminata distanza dall’asse del tubo; tale distanza à ̈ in funzione del diametro del condotto 10 interno (non vi à ̈ contatto tra lamelle e tubo); per aumentare la densità delle lamelle (e quindi la superficie di scambio termico), queste sono di lunghezze diverse; in particolare, nell’esempio di Fig.4 e Fig.5, si alterna una lamella corta ed una lamella lunga; si realizza, in tal modo, un elemento lamellare 15; tubo e lamelle sono fatte tipicamente di materiale buon conduttore termico, preferibilmente rame.

Le lamelle o alette di elementi lamellari possono avere superfici di tipo diverso: liscia, scanalata, bugnata (ossia contenente una pluralità di sporgenze affiancate in particolare a forma di semisfera o semiellissoide), a “microcrateri†(ossia contenente una pluralità di rientranze affiancate in particolare a forma di semisfera o semiellissoide) e mista; le diverse superfici hanno rendimenti di scambio termico e costi realizzativi diversi; le superfici miste (e quindi molto variegate) sono le più efficienti perché espongono un’area superficiale maggiore ma sono anche le più costose perché prevedono la presenza di tutte le lavorazioni meccaniche in un solo prodotto. Se si usa una superficie a “microcrateri†si ottiene un incremento di 2/3 della superficie esposta a parità di superficie piana. Una superficie a “microcrateri†, ad esempio del diametro di 0,1-0,01 mm, può essere vantaggiosamente realizzata mediante proiezione ad alta velocità di flussi micronebulizzati di soluzioni acide.

In Fig.4, il bulbo 5 contiene quattro elementi lamellari 15 uno sopra l’altro spaziati tra loro da tre zone intermedie 16; ciascuno degli elementi occupa una zona intermedia 17; si noti che uno degli elementi lamellari non à ̈ disegnato nella figura per mostrare chiaramente una delle zone intermedie.

Ai fini realizzativi, à ̈ vantaggioso realizzare il bulbo e/o gli elementi lamellari in modo modulare. Ad esempio il guscio del bulbo potrebbe realizzato unendo un bicchiere inferiore cilindro, una pluralità di tratti uguali di tubo cilindrico (ad esempio aventi lunghezza pari a 1-3 volte il diametro del tubo), un bicchiere superiore cilindrico (in posizione rovesciata). Per quanto riguarda gli elementi lamellari possono essere una pluralità (come in Fig.4), ad esempio in numero pari ai tratti di tubo cilindrico, ed avere una lunghezza inferiore a quella dei tratti di tubo del 10-20 %. In tal modo, per produrre bulbi di lunghezza differente sarà sufficiente unire un numero differente di tratti di tubo ed inserire un numero corrispondente di elementi lamellari.

Grazie ad elementi lamellari come quello di Fig.5, à ̈ possibile aumentare la superficie di scambio termico di 8-12 volte e parimenti l’efficienza dello scambio termico.

Una seconda misura che può essere usata con successo per favorire il trasferimento termico dalle pareti perimetrali del bulbo al fluido che circola al suo interno, sono mezzi di generazione di moti turbolenti nel fluido che circola all’interno del bulbo che consentono, tra l’altro di rompere i flussi laminari; tale mezzi sono vantaggiosamente realizzati medianti rimescolatori rotanti passivi come, ad esempio, quelli mostrati in Fig.5 e Fig.6.

Mezzi di generazione di moti turbolenti possono essere posti all’interno del bulbo in varie posizioni; ad esempio possono essere posti in zone intermedie atte primariamente a conduzione fluida, come ad esempio le zone 16 in Fig.4, e/o in zone intermedie atte primariamente a trasferimento termico, come ad esempio le zone 17 in Fig.4.

il rimescolatore 18 rotante passivo di Fig.6 à ̈ stato studiato per essere montato sulla superficie delle lamelle degli elementi lamellari. Esso comprende un albero sul quale sono montate una pluralità di coppette mediante una corrispondente pluralità di bracci trasversali all’albero; le coppette hanno asse perpendicolare sia all’asse dei rispettivi bracci sia all'asse dell’albero; le coppette possono chiuse (come in figura) oppure aperte; l’albero viene inserito in una corrispondente foro praticato perpendicolarmente nella superficie della lamella.

Il rimescolatore 19 rotante passivo di Fig.7 à ̈ stato studiato per essere montato sulla superficie interna del bulbo dove non vi sono lamelle. Esso comprende, in una parte inferiore 191 , un albero sul quale sono montate una pluralità di coppette mediante una corrispondente pluralità di bracci trasversali all’albero; le coppette hanno asse perpendicolare all’asse dei rispettivi bracci, ma parallelo all’asse dell’albero; le coppette presentano degli scarichi tangenziali; il fluido in salita entra nelle coppette ed esce dagli scarichi realizzando nello stesso tempo la rotazione del rimescolatore e la generazione dei moti turbolenti. Inoltre, esso comprende vantaggiosamente, in una parte superiore 192, un albero (integrale con l’albero della parte inferiore 191) sul quale solo montate una pluralità di banderuole; le banderuole sono lievemente inclinate rispetto all’asse dell’albero e presentano una seghettatura sul lato marginale in modo da aumentare la turbolenza introducendo un vortice in corrispondenza di ciascun dente.

Come già detto nella zona anulare 12 si vengono a creare dei moti convettivi, in particolare vi sarà flusso caldo in salita nelle zone vicine alle pareti perimetrali del bulbo 5 e flusso più freddo in discesa nelle zone vicine al condotto 10. AI fine di prelevare dal bulbo 5 solo il fluido più caldo si può prevedere nella zona 13 estrema superiore del bulbo 5 un elemento (ad esempio tronco-toroidale) cavo che agisca da “invito†a ridiscendere per il flusso più freddo e da barriera all’ingresso del flusso più freddo nel condotto 7; detto in altre parole, si incrementano i moti convettivi e si aumenta la temperatura del fluido che entra nel condotto 7.

Il fluido per trasporto di calore che à ̈ preferibile usare nel circuito del sistema secondo la presente invenzione à ̈ un nano fluido, ossia una sospensione di nanoparticelle in un liquido.

Le nanoparticelle (es. da 1 a 100 nanometri) sono tipicamente di un materiale quale il carbonio, l’ossido di alluminio, il rame, i composti micacei, in una percentuale variabile tra il 5% ed il 45% in volume.

Il liquido à ̈ tipicamente un materiale quale l’acqua, il glicole etilenico ed i suoi derivati; tuttavia, poiché il circuito del sistema secondo la presente invenzione à ̈ chiuso non vi sono grossi vincoli su questo liquido anche se, naturalmente, à ̈ vantaggioso utilizzare liquidi non tossici e/o inquinanti per tenere conto del caso in cui possa avvenire un guasto e fuoriuscita del liquido nell’ambiente; elementi che determinano la scelta sono: il costo, il calore specifico, la conduttività termica e la viscosità del fluido risultante, le temperature di funzionamento.

L’adozione di una sospensione al 30% di nanoparticelle aumenta le proprietà di scambio termico del fluido fino al 70% del valore del fluido originale.

E’ da notare che molti nanofluidi possono agire da lubrificanti e giò à ̈ un notevole vantaggio per eventuali rimescolatori rotanti posti all’interno del bulbo; ad esempio, i nanofluidi con nanoparticelle di materiali micacei (ad esempio K2Al4-6Si802o(OH,F)4) sono ottimi lubrificanti.

L’uso di un nanofluido misto, ossia contenente particelle di dimensioni differenti e/o di materiali differenti, permette di ottenere contemporaneamente due effetti tecnici molto utili per la realizzazione pratica della presente invenzione, vale a dire elevato scambio termico ed elevata lubrificazione.

Il sistema secondo la presente invenzione per estrarre calore da rocce calde à ̈ studiato per essere tipicamente usato in un impianto geotermico; tale impianto geotermico à ̈ costituito quindi da una sezione di estrazione del calore dalla terra, che corrisponde appunto al sistema di estrazione, e da una sezione di trasformazione del calore in energia elettrica.

E’ da notare che il sistema di estrazione secondo la presente invenzione potrebbe essere abbinato anche a sezioni di trasformazione di impianti geotermici esistenti; in altre parole, nel caso di un impianto geotermico già esistente, si potrebbe trivellare un nuovo pozzo, inserire un sistema di estrazione secondo la presente invenzione e quindi collegare il sistema all’impianto.

In generale, l'impianto geotermico comprende, oltre al sistema di estrazione, un circuito idraulico chiuso con un fluido di lavoro per generare direttamente lavoro, uno scambiatore di calore posto in superficie atto a scambiare calore direttamente tra il fluido per trasporto di calore proveniente dal bulbo del sistema che à ̈ posto in profondità ed il fluido di lavoro.

Facendo riferimento a Fig.1, il condotto 7 di salita convoglia il fluido “caldo†alla superficie dove si trova la sezione 3 di trasformazione dell’energia termica in energia elettrica. Qui il fluido caldo cede il proprio calore direttamente al fluido di lavoro, che tipicamente à ̈ acqua, tramite uno scambiatore; dopo lo scambiatore di calore, il fluido di lavoro, che à ̈ allo stato di vapore ed à ̈ molto caldo, entra direttamente in un turbina; l’albero della turbina à ̈ accoppiato meccanicamente ad un macchina elettrica, tipicamente un alternatore, per generare energia elettrica; il fluido raffreddato all’uscita dello scambiatore viene immesso direttamente nel condotto 6 di discesa; il fluido di lavoro all'uscita della turbina, che à ̈ tipicamente ancora allo stato di vapore, viene immesso direttamente nello scambiatore per essere riscaldato ulteriormente.

E’ da notare che il fluido di trasporto termico non viene mai a contatto diretto con materiali tossici e/o corrosivi presenti in profondità e quindi l'impianto à ̈ molto sicuro per l’ambiente.

Inoltre, à ̈ anche da notare che operando ad alte temperature, non sono necessarie costose e complicate pompe di calore e il rendimento dell'impianto à ̈ molto alto. L’inserimento del bulbo in profondità richiede lo scavo del pozzo sino a raggiungere strati rocciosi molto caldi e profondi.

Tale scavo sarà tipicamente effettuato in due fasi: la prima corrisponde ad una normale trivellazione e la seconda corrisponde all’intervento di un dispositivo di scavo di gallerie.

La trivellazione di un pozzo iniziale, a piccolo diametro, serve, tra l’altro, per condurre uno studio approfondito sugli strati geologici che dove si ha intenzione di installare il sistema secondo la presente invenzione; durante questa trivellazione si possono effettuare analisi sui materiali attraversati, sulla presenza di gas o acqua ad elevata temperatura, sulle temperature degli strati rocciosi; inoltre, la trivellazione del pozzo guida l’esecuzione del successivo scavo e quindi facilita la realizzazione di uno scavo perfettamente verticale.

Lo scavo del pozzo vero e proprio si può avvalere, vantaggiosamente, di una macchina del tipo di quelle note ed usate nella costruzioni di tunnel stradali e di condotte per la distribuzione dell’acqua dai bacini idrici: la cosiddetta “talpa†o "fresa da gallerie†; in questo caso, tuttavia, la macchina dovrà operare in verticale anziché in orizzontale.

Una tale macchina comprende un disco frontale che, ruotando, frantuma la roccia antistante; la macchina avanza nella roccia ed il materiale viene raccolto ed espulso dalla parte posteriore.

Le talpe note di grandi dimensioni possiedono al loro interno un impianto per la produzione di calcestruzzo con il quale costruiscono il materiale di rivestimento della galleria durante l’avanzamento dello scavo.

Nel presente caso, la talpa sarà di piccole o piccolissime dimensioni (da 1 a 2,5 m di diametro) e lavorerà in verticale. Il materiale di risulta potrà essere convogliato fino alla superficie mediante un sistema a tramogge bilanciate su cavi. Il modesto quantitativo di materiale movimentato per tutto lo scavo (es. 2000 m<3>di materiale per un pozzo da 1 m di diametro netto a 1500 m di profondità) rende l'impianto di sollevamento relativamente leggero ed economico.

Durante la fase di scavo, qualora vengano attraversati strati geologici friabili instabili, le pareti del pozzo vengono armate con pareti in calcestruzzo, messe in opera ad esempio a segmenti e preferibilmente dalla macchina di scavo stessa. Una volta arrivati alla profondità desiderata, la talpa può essere vantaggiosamente abbandonata sul fondo dello scavo.

Finito lo scavo, si inserisce il bulbo. Durante la fase di discesa, vengono collegati segmenti dei condotti di discesa e di salita (ad esempio isolati ed integrati in una unica condotta) ad esempio mediante opportune flange di connessione. La condotta può essere mantenuta verticale attraverso supporti connessi a cavi di sospensione ai quali à ̈ ancorato il bulbo; tali cavi regolano la discesa del bulbo nel pozzo e posso essere lasciati in posizione anche una volta ultimati i lavori di installazione.

Una volta che bulbo e condotta hanno raggiunto il fondo del pozzo, lo scavo può essere riempito con strati di sabbia alternati a strati di calcestruzzo alleggerito i quali fungono da sigillante permanente del pozzo stesso; in tal modo, il sistema secondo la presente invenzione si fissa saldamente agli strati geologici che esso attraversa.

A questo punto si può fare circolare nel sistema messo in opera il fluido per trasporto di calore e quindi effettuare i collegamenti e completare così l'impianto geotermico.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per estrarre calore da rocce calde (4), atto ad essere inserito interamente in un pozzo (1) che raggiunge dette rocce calde (4) e comprendente un circuito idraulico chiuso atto alla circolazione di un fluido per trasporto di calore, comprendente: - un bulbo (5) di forma cilindrica atto a circolare detto fluido al suo interno ed atto ad essere posto in contatto con dette rocce calde (4) al suo esterno per assorbire calore da queste e trasferirlo a detto fluido circolante al suo interno, - un primo condotto (6) atto a condurre detto fluido a e dentro detto bulbo (5), - un secondo condotto (7) atto a condurre detto fluido fuori e via da detto bulbo (5), - mezzi di isolamento termico (81 , 82) di forma cilindrica, allineati a detto bulbo (5), disposti lungo detto pozzo (1 ) fino a detto bulbo (5), ed atti ad isolare termicamente detti primo e secondo condotti (6, 7) tra loro e da terreno e/o rocce circostanti.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui detto bulbo (5) comprende elementi sporgenti (15) verso il suo interno ed atti ad aumentare la superficie di trasferimento termico con detto fluido.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui detto bulbo (5) comprende mezzi (14, 18, 19) di generazione di moti turbolenti in detto fluido circolante al suo interno.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi (14, 18, 19) di generazione di moti turbolenti comprendono rimescolatori rotanti passivi.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3 oppure 4, in cui detti mezzi (14, 18, 19) di generazione di moti turbolenti sono posti all'interno di detto bulbo (5), in particolare in una zona estrema inferiore (11 ) e/o almeno in una zona intermedia (16) atta a conduzione fluida e/o almeno in una zona intermedia (17) atta a trasferimento termico.
6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di isolamento termico (81 , 82) comprendono almeno uno strato di sabbia o ghiaia (81 ) e/o almeno uno strato di materiale sigillante (82).
7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto fluido per trasporto di calore à ̈ un nanofluido.
8. 8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto bulbo (5) comprende una pluralità di moduli longitudinali uniti tra loro.
9. 9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto bulbo (5) comprende un condotto (10) centrale accoppiato a detto primo condotto (6) ed atto a condurre detto fluido in una zona (11) interna di detto bulbo ad un estremo inferiore di detto bulbo (5).
10. 10. Impianto geotermico comprendente almeno un sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
11. 11. Impianto geotermico secondo la rivendicazione 10, comprendente ulteriormente: - un circuito idraulico chiuso con un fluido di lavoro per generare direttamente lavoro, - uno scambiatore di calore posto in corrispondenza di un estremo superiore di detto secondo condotto ed atto a scambiare calore direttamente tra detto fluido per trasporto di calore proveniente da detto bulbo e detto fluido di lavoro.