ITCO20110024A1 - Nanofluido per infiltrazioni termicamente conduttive - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

NANOFLUIDO PER INFILTRAZIONI TERMICAMENTE CONDUTTIVE

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un nanofluido per infiltrazioni termicamente conduttive.

Un nanofluido è un materiale costituito da una miscela di un fluido ospitante e di nanoparticelle in sospensione.

La presente invenzione trova applicazione particolarmente vantaggiosa, anche se non esclusiva, nel settore della geotermia.

STATO DELLA TECNICA SOMMARIO

Il Richiedente ha concepito un metodo innovativo per modificare il sottosuolo di un’area geografica in modo tale da renderla maggiormente efficace per applicazioni geotermiche (che verrà delineato e descritto nel seguito) che prevede di infiltrare in fratture di strati rocciosi caldi e profondi materiale ad elevata conducibilità termica per riempirli.

Si pone quindi il problema di individuare possibili materiali per tali infiltrazioni.

Il materiale innovativo avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni qui annesse, e che formano parte integrante della presente descrizione, risolve tale problema tecnico.

Tale materiale innovativo essendo fondamentalmente composto da uno o più metalli possiede non solo ottime proprietà di conduzione termica, ma anche ottime proprietà di conduzione elettrica.

Inoltre, tale materiale ha anche ottime proprietà meccaniche una volta che si è fissato in loco.

In generale, il materiale innovativo per infiltrazioni termicamente conduttive è un nano fluido (un nanofluido è un materiale costituito da una miscela di un fluido ospitante e di nanoparticelle in sospensione) comprendente:

- un liquido di sospensione,

- una prima pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire conducibilità termica.

Detto liquido di sospensione può essere acqua o una soluzione acquosa; preferibilmente si tratta di acqua.

Dette nanoparticelle di detta prima pluralità possono essere di rame e/o alluminio e/o ottone e/o ferro.

Il materiale innovativo può comprendere ulteriormente:

- una seconda pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire un effetto legante per fusione delle stesse.

Dette nanoparticelle di detta seconda pluralità possono essere di stagno e/o piombo e/o zinco e/o una lega metallica di stagno e/o piombo e/o zinco.

Detto materiale metallico di dette nanoparticelle di detta seconda pluralità può avere una temperatura di fusione predeterminata.

Dette nanoparticelle di detta prima pluralità possono avere granulometria differente e predeterminata.

Il materiale innovativo può comprendere ulteriormente:

- materiale legante chimico.

Detto materiale legante può essere una resina preferibilmente epossidica.

In generale, il metodo innovativo di preparazione di un campo geotermale comprende le fasi di:

A) realizzare almeno un pozzo che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale;

B) creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all’interno di detto un o ciascun pozzo;

C) infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle;

detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture;

tipicamente, per tali infiltrazioni si possono utilizzare vantaggiosamente i pozzi di prospezione.

E’ da notare che gli strati rocciosi caldi si trovano in profondità, tipicamente ad una profondità di variabile tra 500 m e 3500 m.

Tipicamente, il metodo innovativo comprende una fase finale di realizzare un pozzo termo-estrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase C, la fase di: D) riempire e sigillare detto un o ciascun pozzo.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase D, la fase di: E) realizzare un ulteriore pozzo per un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale;

detto ulteriore pozzo essendo nelle vicinanze di detto un o ciascun pozzo.

Vantaggiosamente, la pluralità di pozzi per infiltrazioni si trova attorno ad detto ulteriore pozzo, in particolare in un'area a forma di corona circolare, a formare uno o più linee chiuse.

Detto ulteriore pozzo può essere un pozzo guida; in questo caso, il metodo innovativo comprende ulteriormente, dopo detta fase E, la fase di:

F) realizzare un pozzo termo-estrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunga strati rocciosi caldi del campo geotermale; detto pozzo termo-estrattore essendo sostanzialmente concentrico a detto pozzo guida.

Il metodo innovativo può comprendere ulteriormente, dopo detta fase E e prima di detta fase F, le fasi di:

creare fratture in detti strati rocciosi caldi mediante cariche esplosive all’interno di detto ulteriore pozzo;

infiltrare in dette fratture materiale ad elevata conducibilità termica in modo tale da riempirle;

detto materiale essendo atto a fissarsi in dette fratture.

Dette cariche esplosive per detta fase B possono essere poste in una pluralità di punti lungo detto un o ciascun pozzo.

Detta fase C può comprendere una pluralità di operazioni di infiltrazioni successive anche effettuate a profondità differenti.

Detto materiale è vantaggiosamente un nanofluido comprendente nanoparticelle metalliche; più in particolare, le nano particelle possono essere, nella totali (o quasi totalità) oppure in gran parte, metalliche.

La descrizione che segue si riferisce ad una situazione vantaggiosa in cui il metodo innovativo (delineato in precedenza) ed il materiale innovativo (delineato in precedenza) sono combinati tra loro; tuttavia, ciò non è indispensabile ai fini della presente invenzione.

ELENCO DELLE FIGURE

Nei disegni qui annessi,

Fig.1 mostra (schematicamente dai lato) un gruppo di pozzi di prospezione in cui vengono effettuate delle esplosioni a varie profondità,

Fig.2 mostra (schematicamente dall’alto), un gruppo di pozzi di prospezione, un pozzo guida ed un pozzo primario

Fig.3 mostra (schematicamente dal lato) un gruppo di pozzi di prospezione attraverso cui vengono effettuate delle infiltrazioni in fratture di strati rocciosi caldi a varie profondità,

Fig.4 mostra un sistema di estrazione di calore geotermico, e

Fig.5 mostra il bulbo del sistema di Fig.4.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA PREMESSE

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 realizzative.

La metodo qui descritto è inteso a migliorare la conducibilità termica (a livello macro) dei terreni geotermali profondi.

Nello sfruttamento dell’energia geotermica esiste il problema della massimizzazione della superficie di scambio termico tra le rocce calde che si trovano in profondità ed il mezzo di trasporto del calore.

Il metodo qui descritto può essere impiegato con grande vantaggio nella preparazione di pozzi geotermali, anche detti “pozzi primari”, adatti a ricevere un sistema come quello oggetto della domanda di brevetto italiano n° C02011A000005 dello stesso Richiedente parzialmente incorporata alla fine della presente descrizione. Tuttavia, la presente invenzione non è limitata a tale impiego e quindi si applica ad altri tipi di pozzi geotermali.

CONFORMAZIONE DELLA STRUTTURA DI UN CAMPO GEOTERMALE

La struttura di un campo geotermale si presenta come un’insieme di strati rocciosi permeabili e fratturati che vengono sfruttati, nelle metodiche di produzione energetica geotermale tradizionale, come un sistema lamellare dentro il quale iniettare acqua ad elevata pressione. L’acqua viene iniettata in appositi pozzi trivellati fino agli strati rocciosi fratturati caldi dove si converte in vapore a causa dell’elevato calore presente nelle rocce.

Il vapore risultante viene raccolto attraverso altri pozzi trivellati nelle vicinanze per essere usato nella produzione di energia elettrica mediante l’uso di turbine.

Nel sistema di produzione energetica descritto nella domanda di brevetto italiano n° C02011A000005 non viene fatto uso di acqua iniettata direttamente negli strati geotermali, ma viene impiegato un circuito chiuso nel quale circola un fluido di scambio.

Il fluido entra nel circuito discendente, raggiunge il sistema di estrazione del calore dove si scalda e poi risale in superficie dove cede il calore al circuito del vapore per ridiscendere, poi, nuovamente in profondità per il nuovo ciclo.

Al fine di aumentare la superficie esposta del sistema di estrazione del calore a contatto con le rocce calde viene proposto il metodo qui descritto.

Per chiarezza il metodo viene esposto in fasi operative che potrebbero anche variare in funzione delle caratteristiche del terreno geotermale da sfruttare.

FASE 1 : PROCEDIMENTO DI PREPARAZIONE DEL CAMPO GEOTERMALE Al fine di comprendere la struttura cristallina e le caratteristiche chimico fisiche delle rocce geotermali profonde vengono effettuate prospezioni (ad esempio mediante tecniche radar, sonar, microonde, ...) e trivellazioni alla profondità di progetto atte alle verifiche chimico-fisiche ed al prelievo di campioni (carotaggi) di roccia; si può ottenere in questo modo una mappatura del campo geotermale. FASE 2 : PROGETTO DEL CAMPO GEOTERMALE MIGLIORATO

Le informazioni fornite dalle prospezioni geologiche e dai carotaggi servono a definire la mappa delle proprietà fisico-chimico-energetiche del campo geotermale. Questa mappa fornisce informazioni precise delle caratteristiche di resistenza, permeabilità, fatturazione naturale, possibili flussi termici e di tutti quei dati che servono per ottenere un quadro completo e preciso del campo geotermale sul quale si dovrà operare.

Questa mappa permette il progetto dell’intervento di miglioramento che consisterà nell’aumentare la naturale fatturazione profonda e la permeabilità ai fluidi per permettere l’iniezione di un materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica.

FASE 3 : MIGLIORAMENTO DELLA PERMEABILITÀ DEGLI STRATI ROCCIOSI PROFONDI

Cariche di esplosivo ad alto potenziale verranno inserite nei fori delle trivellazioni impiegate per le prospezioni (Fig.1). Queste cariche saranno dimensionate in base ai parametri di resistenza, permeabilità e fatturazione naturali. Le cariche saranno, inoltre, sistemate e fatte brillare (Fig.1) a profondità variabili in modo da ottenere una ottimale distribuzione delle sollecitazioni ed ottenere una uniforme fatturazione della struttura geologica.

Grande attenzione al livello di permeabilità sarà posto in relazione a tutta la zona circostante ciascun "pozzo primario”, ossia un pozzo atto a ricevere un sistema di estrazione di calore dalle rocce calde. In Fig.2, si vede schematicamente un “pozzo primario” PP al centro del quale vi è un “pozzo guida” PG (naturalmente, la trivellazione del pozzo PP viene effettuata dopo la trivellazione del pozzo PG e quindi il pozzo PG viene “assorbito” da pozzo PP); attorno al pozzo PP vi è una serie di "pozzi di prospezione” PR che verranno utilizzati per la fratturazione degli strati rocciosi caldi e profondi e per la infiltrazione materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica; i pozzi PR si trova attorno al pozzo PP, in particolare in un'area a forma di corona circolare (raggio interno R1 e raggio esterno R2), e formano una linea chiusa; i pozzi PR di Fig.2 si trovano aH’incirca su una medesima circonferenza concentrica al pozzo PP.

Una volta ottenuto il livello di fatturazione e di permeabilità previsto dal progetto si passa alla fase successiva, il riempimento delle fratture mediante l’impiego di materiale di infiltrazione ad elevata conducibilità termica.

Questo materiale verrà iniettato nelle trivellazioni di prospezione ad altissima pressione e attraverso l’impiego di sistemi di costipazione a vibrazione costretto a riempire ogni frattura del campo geotermale profondo.

FASE 4 : RIEMPIMENTO DELLE FRATTURE DEGLI STRATI ROCCIOSI PROFONDI

Gli strati rocciosi profondi fratturati devono essere saturati di materiale ad elevata conducibilità termica mediante un processo di iniezione ad alta pressione.

L’iniezione del materiale viene effettuata attraverso i pozzi precedentemente trivellati per le prospezioni (Fig.3). Il processo prevede l'inserimento preventivo di una tubazione in ferro analoga a quella impiegata come asta di trivellazione. Entro questa tubazione viene quindi pompato il materiale ad elevata conducibilità termica ad alta pressione.

L’iniezione del materiale viene fatta per fasi successive, lasciando riposare l’iniezione precedente in modo da permettere alle nanoparticelle di depositarsi in modo progressivo e stabile; durante la fase di riposo la pressione viene mantenuta al fine da garantire la infiltrazione del materiale, la sua compattazione e la sua coesione; dopo ogni iniezione effettuata ad una certa quota, una volta raggiunto il massimo livello di saturazione per quella quota, il tubo viene alzato ad una quota più elevata al fine di procedere ad una nuova iniezione omogenea.

Nel caso in cui il materiale ad elevata conducibilità sia un nanofluido, la concentrazione di nanoparticelle viene aumentata progressivamente tra una iniezione e quella successiva.

La densità del fluido iniettato passa gradualmente da molto bassa nelle prime iniezioni (circa da 1 a 10 percento) a molto elevata (80 percento ed oltre) in quelle successive e finali; la bassa densità permette l’infiltrazione del materiale nelle fenditure e nei pori più piccoli della roccia; la densità maggiore riempie le fenditure più grandi; la gradualità della densità garantisce che anche la più piccola porosità e la più sottile frattura siano convenientemente riempite dal materiale.

Volendo mantenere la fluidità del nanofluido durante l’iniezione fino a che anche gli spazi più piccoli delle fratture della roccia si siano riempiti, si può mantenere il fluido di sospensione (tipicamente acqua) in forma liquida ossia evitare che passi allo stato di vapore o gas.

Questo è possibile, ad esempio e vantaggiosamente, iniettando (nella zona dove si inietta il nanofluido nelle fratture della roccia) azoto compresso attraverso un tubo apposito munito, ad un suo estremo, di ugello d’espansione; l’azoto viene iniettato a grande pressione e, attraversando l’ugello, si espande violentemente raffreddandosi di colpo; questo provoca un raffreddamento locale della roccia per un breve tempo (ad esempio qualche minuto), il che permette di mantenere liquido il fluido di sospensione del nanofluido.

Al fine di ottenere una migliore costipazione delle nanoparticelle, una vibrazione verrà applicata alla tubazione metallica di iniezione, una volta termitano il flusso di materiale.

La frequenza di vibrazione ed il tempo di applicazione più adatti ad ottenere il miglior livello di costipazione possono essere stabiliti in laboratorio in funzione della granulometria e della composizione delle nanoparticelle.

Il processo di iniezione verrà ripetuto secondo il metodo cosiddetto “a rifiuto" ovvero sino a quando ciascun pozzo sarà in grado di ricevere materiale.

FASE 5 : SIGILLATURA DEI POZZI DI PROSPEZIONE

Ultimata la fase di iniezione i tubi verranno svuotati, rimossi dai pozzi di prospezione ed in seguito riempiti di calcestruzzo cementizio sino alla completa sigillatura.

FASE 6 : PERFORAZIONE DEL POZZO GUIDA

Concluso il processo di preparazione si procederà alla trivellazione del pozzo guida del pozzo geotermale primario.

La trivellazione di questo pozzo guida (o di più pozzi guida tra loro ravvicinati) permetterà di ripetere l’operazione di fratturazione e di riempimento delle fratture anche in reazione al pozzo guida, quindi proprio nei punti dove si verrà a trovare il pozzo primario e, di conseguenza, il sistema di estrazione di calore.

Attraverso la preparazione di questo pozzo guida sarà possibile ottenere un livello di distribuzione reticolare del materiale ad elevata conducibilità termica estremamente estesa.

FASE 7 : PERFORAZIONE DEL POZZO (GEOTERMALE) PRIMARIO

Una volta terminata la preparazione del pozzo guida e provveduta la saturazione della zona geotermale adiacente viene effettuata la trivellazione primaria a grande diametro.

Completata la trivellazione primaria, può essere installato un sistema di estrazione di calore e tutto il volume non occupato dal sistema stesso può essere saturato di materiale ad elevata conducibilità termica (vantaggiosamente dei tipi descritti nel paragrafo seguente) sino al raggiungimento di un blocco monolitico con il sistema al centro.

MATERIALE DI RIEMPIMENTO AD ELEVATA CONDUCIBILITÀ TERMICA Al fine di ottenere un uniforme e quanto più denso riempimento delle fratture degli strati rocciosi caldi e profondi verrà usato di un "calcestruzzo metallico” non cementizio; si tratta di un nano fluido a base di nanoparticelle metalliche.

Il calcestruzzo tradizionale - altrimenti denominato "conglomerato minerale cementizio” è formato da materiali inerti, tipicamente sabbia e ghiaia di pezzatura variabile, e da un materiale (solitamente cemento idraulico o calce idraulica) che funge da adesivo e legante per i materiali inerti.

La conformazione a pezzatura variabile ha la precisa funzione di ottenere il miglior riempimento possibile di tutti gli spazi vuoti che si formano tra i vari materiali inerti. Allo stesso modo, il “nanocalcestruzzo metallico” possiede caratteristiche granulometriche studiate in modo preciso (in particolare granulometria differenziata), che garantiscono il migliore riempimento possibile e la più grande superficie di contatto tra nanogranuli.

Nel calcestruzzo per l'edilizia il legante impiegato è il cemento idraulico: a contatto con l'acqua il cemento idraulico reagisce e solidifica generando una forte azione adesiva.

Nel “nanocalcestruzzo metallico” il legante è costituito da altre nanoparticelle metalliche che una volta raggiunta la temperatura di esercizio che si trova nello strato roccioso caldo e profondo si ammorbidisce e lega le prime nanoparticelle metalliche anche attraverso l'azione della pressione esercitata in fase di iniezione. L'acqua presente nel “nanocalcestruzzo metallico” evapora per effetto del calore. Mentre nel calcestruzzo cementizio la presenza del legante è fondamentale, nel “nanocalcestruzzo metallico” non lo è, poiché l’attrito esercitato dalle prime nanoparticelle metalliche e la grande capacità che queste hanno di agglomerarsi in modo indissolubile (data l’estrema irregolarità di forma).

Data la granulometria variabile delle prime nanoparticelle metalliche, data l’assenza di materiale cementizio come legante, data la possibile presenza di un legante costituito da seconde nanoparticelle metalliche progettato per fondere alle temperature che si troveranno in profondità, questo materiale può essere “nanocalcestruzzo metallico non-cementizio”.

Per riempire le fratture ottenute dalla fratturazione del terreno geotermale in profondità (roccia di tipo magmatico, metamorfico, ...) con un materiale che garantisca un migliore flusso termico si usa un materiale metallico che ha conduttività termica superiore a quella dell’ambiente circostante, ossia delle rocce. Il materiale iniettato sarà, quindi, metallico ed altamente termoconduttivo.

Tra i metalli a più alto grado di termoconduttività vi è il rame con 390W/m-K (Watt per metro/Kelvin). Altri materiali più economici anche se non altrettanto efficienti sono l'alluminio (236W/m-K), alcune leghe del rame quali l'ottone (111 W/m-K), il ferro (80 W/m-K).

Per ottenere la migliore trasmissione possibile del calore all’interno delle fratture nelle rocce geotermiche è necessario raggiungere anche la più alta densità possibile del materiale iniettato.

Allo scopo si intende usare un "nanofluido” ovvero un fluido composto da un liquido di sospensione (acqua) e nanoparticelle di metalli altamente termoconduttivi.

Le nanoparticelle prendono il loro nome dalle loro dimensioni estremamente ridotte.

Un nanometro equivale ad un miliardesimo di metro, o un milionesimo di millimetro. Al fine di ottenere il massimo livello di densità verrà adottato un nanoconglomerato multi-granulare, altrimenti detto "nanocalcestruzzo”.

Il materiale multigranulare è composto da particelle di diametro diverso.

I diametri delle particelle possono essere selezionati in base ad un preciso calcolo che stabilisce la "curva granulometrica’' che garantisce il miglior livello di densità possibile.

II nanocalcestruzzo contiene un legante costituito da nanoparticelle di metallo, che fonderanno esattamente alla temperatura di esercizio degli strati geotermali.

Una volta arrivato in profondità, infatti, il materiale legante (ossia le seconde nanoparticelle) fonde infiltrandosi nei vuoti lasciati liberi dalle nano particelle (ossia le prime nanoparticelle). L’alta pressione di iniezione permette di raggiungere un’elevata libertà di circolazione del legante tra i vuoti, una volta raggiunto il punto di fusione.

Una volta in esercizio, la temperatura del nanocalcestruzzo tenderà ad abbassarsi a seguito, tra l’altro, del transito del calore raccolto e, di conseguenza, il legante ritornerà allo stato solido, aderendo alle nanoparticelle e conferendo solidità e capacità antidilavamento alla struttura.

Materiali adatti per il legante (ossia le seconde nanoparticelle) sono, ad esempio, il piombo e lo zinco.

Occorre anche dire che la presenza del materiale legante non è necessaria in quelle applicazioni dove non sia necessario mantenere un fattore di forma; ad esempio nei campi geotermali “secchi”, dove non vi è circolazione di vapore acqueo tra le rocce, l’agglomerazione delle nano particelle e la loro adesione alle pareti rocciose è sufficiente a tenere in forma la infiltrazione di materiale dopo che la pressione di iniezione è finita.

E’ possibile anche operare il riempimento con un nano fluido metallico avente particelle metalliche di diametro identico cioè “monogranulare”. Questa soluzione può essere adottata dove il fattore costi è rilevante. Un materiale monogranulare è, infatti, meno costoso perché il processo produttivo non prevede l'aggiunta di particelle più piccole e non prevede una fase di miscelazione proporzionale secondo una curva granulometrica.

Un conglomerato composto da elementi di diametro diverso, invece, (ovvero dal diametro pari allo spazio lasciato dagli elementi del grado superiore), tende a costiparsi riempiendo i vuoti in modo prossimo al 99,9% ottenendo un livello di densità media superiore ed una più vasta superficie di contatto tra i singoli nanogranuli.

E’ bene chiarire che il metodo descritto in precedenza può essere implementato con materiali ad elevata conducibilità termica di vario genere e non solamente con quelli appena descritti. Ad esempio si potrebbe utilizzare un materiale a base metallica (contenente particelle o nano particellemetalliche) ma con un legante chimico, ad esempio una resina preferibilmente epossidica. Nei nanoconglomerati resinosi il legante mantiene la sua liquidità per un certo periodo di tempo il che permette l’applicazione; una volta indurito il materiale assume caratteristiche di solidità strutturale proprie dei materiali che lo compongono.

Nei nanoconglomerati integralmente metallici il materiale legante, costituito da nanoparticelle metalliche, contenuto nella sospensione acquosa fonde assumendo lo stato liquido, e si infiltra nei vuoti presenti tra le altre nanoparticelle metalliche; una volta raffreddato il materiale legante ritorna solido garantendo stabilità strutturale all’applicazione ed imprigionando le particelle metalliche.

SISTEMA di ESTRAZIONE di CALORE GEOTERMICO

In precedenza si è parlato di un “pozzo primario”, ossia di un pozzo termoestrattore per l'inserimento di un sistema di estrazione di calore che raggiunge strati rocciosi caldi che si trovano in profondità in corrispondenza del campo geotermale.

Una possibile e vantaggiosa forma di realizzazione di un tale sistema di estrazione di calore verrà descritta nel seguito con riferimento a Fig.4 e di Fig.5.

In Fig.4, si vede un pozzo 1 derivante da una trivellazione (cilindrica e sostanzialmente verticale) in cui è inserito un esempio di realizzazione di un sistema 2 di estrazione di calore. 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, del pozzo 1 e non raggiunge esattamente l’estremo superiore del pozzo 1 ; ciò non è particolarmente rilevante in questa sede.

E’ bene subito chiarire che Fig.4 non è in scala (in particolare la larghezza è stata aumentata rispetto alla altezza) ed è molto semplificata; ciò è stato fatto per facilitare la leggibilità del disegno.

In corrispondenza del fondo del pozzo 1, al suo esterno, vi è 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 è un bulbo 5 del sistema 2 che è cilindrico e cavo; il bulbo 5 è, 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, anche se è vantaggioso prevedere almeno uno strato sigillante in superficie e/o uno strato sigillante sul fondo. Come già detto, Fig.4 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, è vantaggiosamente riempito interamente di materiale sigillante; un materiale sufficientemente sigillante e sufficientemente economico è 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.4, 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 2. 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, è da prevedere che tra il bulbo 5 e la parete interna del pozzo 1 , nello spazio che rimane, venga posto del materiale ad elevata conducibilità termica (vantaggiosamente dei tipi descritti nel paragrafo precedente) per ottenere una buona efficienza termica e resa del sistema 2. 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. Questa soluzione è stata studiata per geotermia ad alta entalpia; pertanto, il pozzo I raggiunge 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 del pozzo meno la lunghezza del bulbo che, come si spiegherà meglio in seguito, sarà tipicamente di 10-100 m. II bulbo è 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.4 sono mostrati in Fig.5 e verranno descritti nel seguito con riferimento a tale figura.

Il bulbo 5 è sostanzialmente cilindrico; in particolare, superiormente presenta una calotta per favorire il convogliamento del fluido caldo nel condotto 7 di salita; esso è cavo e presenta una cavità 9 interna atta fare circolare il fluido per trasporto di calore; la cavità 9 è in comunicazione con il condotto 6 di discesa del fluido e con il condotto 7 di salita del fluido; il condotto 6 è 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.5 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, è montato un rimescolatore 14 rotante passivo. Esso è suddiviso fondamentalmente in due parti; la parte centrale è 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 di coppette forate montate su una fascia perimetrale della parte centrale - la forma può sembrare quella di un anemometro, ma l’effetto sul fluido è 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 è 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 è 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.5 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 è tipicamente compreso tra 25 cm e 60 cm. Il bulbo è 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 presenti in profondità è 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 “grès”, in particolare il “grès 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 dì 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 2 è 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.

Si possono adottare 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 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.

Tali sporgenze possono essere vantaggiosamente 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 lato 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 è in funzione del diametro del condotto 10 interno (non vi è 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, si possono alternare una lamella corta ed una lamella lunga; si realizza, in tal modo, un elemento lamellare; 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.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Nanofluido per infiltrazioni termicamente conduttive comprendente: - un liquido di sospensione, - una prima pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire conducibilità termica.
2. 2. Nanofluido secondo la rivendicazione 1, in cui detto liquido di sospensione è acqua o una soluzione acquosa.
3. 3. Nanofluido secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui dette nanoparticelle di detta prima pluralità sono di rame e/o alluminio e/o ottone e/o ferro.
4. 4. Nanofluido secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, comprendente ulteriormente: - una seconda pluralità di nanoparticelle di materiale metallico atta a fornire un effetto legante per fusione delle stesse.
5. 5. Nanofluido secondo la rivendicazione 4, in cui dette nanoparticelle di detta seconda pluralità sono di stagno e/o piombo e/o zinco e/o una lega metallica di stagno e/o piombo e/o zinco.
6. 6. Nanofluido secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detto materiale metallico di dette nanoparticelle di detta seconda pluralità ha una temperatura di fusione predeterminata.
7. 7. Nanofluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedente, in cui dette nanoparticelle di detta prima pluralità hanno granulometria differente e predeterminata.
8. 8. Nanofluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente ulteriormente: - materiale legante chimico.
9. 9. Nanofluido secondo la rivendicazione 8, in cui detto materiale legante è una resina preferibilmente epossidica.
10. 10. Uso di un nanofluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per riempire fratture in strati rocciosi caldi e profondi