ITMI20120116A1 - Sistema di sfruttamento dell'energia geotermica a impatto ambientale nullo - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto per invenzione avente titolo:

“SISTEMA DI SFRUTTAMENTO DELL’ENERGIA GEOTERMICA A IMPATTO AMBIENTALE NULLO”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di sfruttamento dell’energia geotermica a impatto ambientale nullo, particolarmente adatto per il reimpiego di pozzi di origine estrattiva.

Stato dell’arte

Per geotermia si intende la disciplina che si occupa dello studio, della ricerca e dello sfruttamento dell’energia termica della Terra per utilizzi civili, agricoli ed industriali.

In relazione al suo utilizzo, si è soliti dividere la geotermia in tre settori: 1. alta entalpia (fluido geotermico con temperatura >150°C) per la produzione di energia elettrica e per usi industriali;

2. bassa entalpia (fluido geotermico con temperatura <100°C) per usi diretti: agricoli, civili ed industriali;

3. termale per utilizzazioni terapeutiche e/o ricreative.

Si definisce, inoltre, geotermia a media entalpia quella caratterizzata da fluido geotermico avente temperatura compresa tra 100 e 150°C.

Per energia geotermica si intende, allora, l’energia, sotto forma di “calore”, contenuta all’interno del globo terrestre. Parte di tale calore viene dissipata con regolarità verso la superficie della Terra con un flusso avente valor medio pari a, indicativamente, 63 mW/m<2>.

In relazione al grado di sfrutamento, almeno sul territorio nazionale italiano appaiono soddisfacenti gli utilizzi legati all’alta entalpia e quelli relativi alle atività termali. Decisamente esigui sono, invece, gli utilizzi accertati di fonti a bassa (o media) entalpia

I sistemi a bassa entalpia vengono comunemente sviluppati per realizzare impianti di riscaldamento/rafffescamento per ambienti (e/o per altri usi civili) in cui vengono impiegate le ben note sonde geotermiche ad “U” che operano scambiando calore con il terreno solo per conduzione e accoppiate a opportune pompe di calore. Tali sistemi possono essere implementati in qualsiasi tipo di sottosuolo (cioè in totale assenza di condizioni geologiche particolari) in quanto richiedono di operare, sostanzialmente, in presenza di una fonte geotermica a temperatura stabile, condizione che può essere otenuta a profondità che possono variare dai 100÷200 fino ai 300÷500 metri.

Gli impianti di produzione di energia eletrica a vapore secco furono i primi tipi di sistemi di generazione di potenza ad essere realizzati. Essi fanno uso del vapore estrato, come tale, dal serbatoio geotermico e diretamente inviato all’unità turbina/generatore per la produzione di energia eletrica. Uno schema esemplificativo di tale impianto è riportato in Fig. 1.

Con riferimento a tale figura, il fluido geotermico (che in questo caso coincide anche con il cosiddeto fluido di lavoro) esce dal pozzo di estrazione in fase di vapore e viene inviato diretamente ad una turbina nella quale l’energia termica contenuta nel fluido viene trasformata in energia meccanica a sua volta utilizzata per mantenere in rotazione un generatore di energia eletrica (alternatore). All’uscita della turbina, il fluido di lavoro, già parzialmente condensato, viene portato completamente allo stato liquido atraverso un condensatore che fa uso, in questo caso specifico, di una torre evaporativa la quale provvede a cedere il calore residuo all’aria. Il fluido di lavoro viene quindi pompato nel pozzo di iniezione per alimentare il “bacino geotermico” il cui liquido potrà riscaldarsi e passare nuovamente, in fase di estrazione, allo stato vapore completando così il ciclo termico.

Gli impianti a vapore di tipo “flash” rappresentano la tipologia più comune di impianto oggi utilizzato per la generazione di energia elettrica. Il fluido geotermico (acqua), avente una temperatura superiore a 150÷180°C, fuoriesce dal pozzo di estrazione ad alta pressione ed inviato all’impianto di generazione in superfìcie dove viene fatto bruscamente espandere e convertito parzialmente in vapore (“flash steam”). Quest’ultimo viene quindi inviato al gruppo turbina/generatore. Il fluido rimasto in fase liquida durante l’espansione “flash” nonché quello condensato di ritorno dall’espansione in turbina viene re-iniettato nel serbatoio geotermico attraverso un apposito pozzo di iniezione. Uno schema esemplificativo di tale impianto è riportato in Fig. 2.

Esistono anche impianti geotermici per la produzione di energia elettrica a ciclo binario, che differiscono da quelli a vapore secco e dagli impianti “flash” perché, in questo caso, il fluido geotermico, sia in fase liquida che vapore, non viene mai in contatto diretto con il gruppo turbina/generatore. Nel ciclo binario, infatti, il fluido geotermico scambia l’energia termica con un opportuno “fluido di lavoro” che viene fatto evaporare e, quindi, inviato al gruppo turbina/generatore.

Il fluido geotermico e il "fluido di lavoro" sono confinati in circuiti separati a "loop chiuso" e non vengono mai in contatto tra loro. Il vantaggio del sistema a ciclo binario è che questo può funzionare anche a temperature inferiori, facendo ricorso a fluidi di lavoro aventi un punto di ebollizione inferiore a quello dell'acqua. Un esempio di sistema a ciclo binario di generazione di energia è riportato in Fig. 3.

L’impiego, in modo diretto o indiretto, del fluido geotermico comporta alcune criticità:

- l’aggressività chimica del fluido geotermico stesso che, tipicamente, risulta essere una soluzione acquosa contenente una molteplicità di composti chimici di varia natura (ad esempio, H2S) aventi notevoli potenzialità inquinanti ed il cui trattamento, ove e quando necessario, risulta oneroso;

- gli elevati costi di manutenzione di tutti i componenti (tipicamente pompe, scambiatori, valvole, ecc.) che lavorano a contatto con il fluido geotermico; - l’esigenza di impiegare due pozzi, uno di estrazione ed uno di iniezione, che possono essere anche di notevole profondità.

Tali criticità, benché affrontabili e risolvibili da un punto di vista tecnico, comportano investimenti e costi di esercizio che sono giustificabili in impianti di elevata potenza mentre, soprattutto in un’ottica di produzione distribuita (tipicamente non di grande potenza), potrebbero risultare significativamente onerosi.

Scopo dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di eliminare gli inconvenienti dei sistemi noti che impiegano fluido geotermico per la produzione di energia elettrica.

In particolare, uno scopo dell’invenzione è quello di fornire un sistema di sfruttamento della risorsa geotermica a impatto ambientale assolutamente nullo, evitando qualsiasi contatto del “fluido di lavoro” con l'ambiente circostante ed, in particolare, con il terreno.

Altro scopo ancora della presente invenzione è quello di fornire un tale sistema che sia di semplice ed economica realizzazione.

Questi ed altri scopi dell’invenzione sono raggiunti con le caratteristiche espresse nelle annesse rivendicazioni indipendenti.

Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

In una realizzazione vantaggiosa l’invenzione sfrutta il reimpiego di pozzi al termine della loro vita operativa, o non più in esercizio, realizzati originariamente per usi totalmente differenti ed, in particolare, per la prospezione/ricerca/coltivazione di idrocarburi e/o per lo stoccaggio di gas naturale. Tale idea, applicabile sia su pozzi realizzati sulla terraferma che off-shore, nasce dalla considerazione che, in genere, molti pozzi di origine estrattiva sono caratterizzati da profondità tali che, in virtù del gradiente medio di temperatura pari, indicativamente, a 0,03°C per metro di profondità, e pur in assenza di particolari “anomalie geologiche” del terreno, permettono, con buona probabilità, di raggiungere zone del sottosuolo dalle quali è possibile estrarre calore a media/alta entalpia. E’ importante sottolineare che il riutilizzo di pozzi aventi caratteristiche tecniche adeguate, permette di limitare fortemente, se non di eliminare completamente, i costi di trivellazione i quali, se pur pienamente ammortizzabili nell’ambito di attività estrattive volte alla ricerca/coltivazione e/o stoccaggio di idrocarburi, possono diventare eccessivamente elevati in progetti di sfruttamento di risorse geotermiche.

L’invenzione consente il completo superamento dei sistemi idrotermali tramite l’adozione di un sistema totalmente chiuso in cui il calore venga estratto dal terreno solamente per conduzione similmente a quanto viene già fatto nell’ambito della geotermia a bassa entalpia. Tale approccio permette, inoltre, di determinare la scelta del fluido geotermico (che si potrebbe chiamare “primario”) da impiegare in relazione al sistema di produzione scelto.

Nella realizzazione preferita l’invenzione consente di eliminare la necessità di utilizzare, per ogni impianto geotermico, due pozzi, uno per Testrazione ed il secondo per la re-iniezione del fluido geotermico, mediante l’adozione di una sonda geotermica di tipo innovativo basata sul concetto di scambiatore coassiale che può essere impiegata sia su pozzi già esistenti che di nuova trivellazione. In presenza di un adeguato casing (tubazionei d’acciaio che rivestono le pareti del pozzo), ove venga realizzato un tappo, convenientemente in cemento (in modo del tutto simile a quello che viene effettuato nel corso delle operazioni di chiusura mineraria del pozzo) ad una profondità opportuna ma, comunque, in condizioni tali da realizzare con il casing più interno un condotto avente la sua estremità inferiore completamente chiusa e sigillata, si realizza una “camera tubolare” completamente isolata dal terreno circostante per quanto concerne lo scambio di materia ma certamente in grado di scambiare calore con esso per via conduttiva attraverso le sue pareti.

Inserendo, quindi, nel casing più interno una tubazione di diametro inferiore (o sfruttando, ove possibile, la tubazione utilizzata in pozzi di origine estrattiva (production tubing)) che permetta di realizzare un condotto anulare di dimensioni opportune nel quale possa scorrere un fluido e facendo in modo che, sul fondo della “camera tubolare”, il liquido possa fluire dal condotto anulare alla tubazione più interna (o viceversa), si realizza un circuito idraulico che, opportunamente gestito in superficie da una pompa, permette la circolazione di un fluido termico in grado di scambiare calore per conduzione con il terreno e con sistemi di produzione a vapore secco, di tipo “flash” o a ciclo binario come quelli descritti in precedenza con riferimento alla tecnica nota. Tale soluzione presenta dei sostanziali vantaggi rispetto alle già citate sonde ad “U” in quanto, a parità di diametro interno del pozzo in esame, la sonda coassiale presenta una maggior superficie di scambio nonché una maggiore sezione di passaggio del fluido, sia in mandata che in ritorno, garantendo, in tal modo portate superiori e, in definitiva, una potenzialità termica estraibile sensibilmente più elevata.

In alternativa, poiché in presenza di pozzi di origine estrattiva sono presenti anche pozzi di iniezione, quando sia tecnicamente possibile unire, mediante un unico condotto, il pozzo di immissione con quello di estrazione, i due pozzi potrebbero, di fatto, essere impiegati come mandata e ritorno del circuito di circolazione del fluido geotermico “sigillato” con ulteriori vantaggi, sempre a parità di diametro interno del pozzo in esame e di tutte le altre condizioni, in termini di portata, scambio termico e, in definitiva, di potenzialità termica estraibile.

L’invenzione sarà ora descritta in sue forme preferite di realizzazione con riferimento ai disegni annessi, in cui:

le Figg. 1, 2 e 3 mostrano rispettivamente, un impianto geotermico per la produzione di energia elettrica a vapore secco, di tipo “flash” e a ciclo binario, secondo la tecnica nota;

la Fig. 4 è una vista schematica in sezione mostrante il sistema geotermico secondo l’invenzione applicato ad un pozzo di origine estrattiva non più in esercizio;

la Fig. 5 è una vista in sezione schematica mostrante una forma alternativa del sistema geotermico secondo l’invenzione applicato ad un pozzo esaurito di origine estrattiva, combinato con un pozzo di iniezione.

Descrizione di realizzazioni preferite

Con riferimento alla Fig. 4, un pozzo 1, in linea generale, viene realizzato in maniera tale da garantire la sua stabilità nonché, per evidenti ragioni di sicurezza, il completo isolamento idraulico dei vari strati attraversati. Al termine della perforazione, nella maggior parte dei casi, il foro di trivellazione 2 viene rivestito con una o più tubazioni d'acciaio 3 ( casing ) coassiali cementate alle spalle con malta di cemento 4 tramite una tecnica che prevede lo spiazzamento di questa dall’ interno del casing, dove era stata immessa in fase semifluida, verso le spalle ad opera del fango in pressione. Poiché il raggiungimento dell’obiettivo minerario si realizza, di solito, attraverso la perforazione di fori di diametro decrescente, anche i casing 3 hanno un diametro decrescente e sono inseriti uno dentro l’altro in forma telescopica. La tubazione di maggior diametro, quella più esterna e superficiale, viene chiamata “colonna d'ancoraggio” ( conductor pipe ) in quanto su di essa sono ancorate le successive tubazioni di rivestimento e sulla quale vengono fissate le attrezzature di testa del pozzo. La lunghezza di tale colonna è variabile e, in ogni caso, deve essere tale da oltrepassare le falde acquifere d'acqua dolce superficiali onde evitare il loro inquinamento e garantire la piena sicurezza contro le massime pressioni previste a testa pozzo.

Infine, il pozzo in esercizio è dotato, di solito, di una “batteria di produzione” consistente in una stringa di tubi {production tubìng o strìng tubing) calata in pozzo fino alla formazione produttiva, munita di valvole e di una particolare attrezzatura (packer ), che fissata alle pareti del casing, assicura il completo isolamento tra l’intervallo produttivo {reservoir) e il soprastante tratto di foro permettendo ai fluidi di fluire in superficie attraverso il tubing. Ciò non è mostrato in Fig. 4 che rappresenta un pozzo 1 non più operativo, che è stato chiuso mediante un tappo cementizio 5, dopo aver estratto la tubazione interna {tubing) Nel caso di pozzi esauriti, l’invenzione prevede di effettuare la chiusura del pozzo 1 mediante il tappo cementizio 5 alla profondità opportuna per il riutilizzo del pozzo a fini geotermici. Sebbene in questa descrizione si parli di tappo cementizio, è evidente che il tappo 5 può essere di qualsiasi altra natura, eventualmente anche di tipo rimovibile, purché adatto a chiudere il pozzo 1.

A tale scopo, all’interno della/e tubazione/i di rivestimenti di acciaio 3 viene inserita una tubazione coassiale 6, anch’essa preferibilmente in acciaio, con un condotto interno 8 che si ferma ad una certa distanza dal tappo 5, determinando così un condotto anulare 7 tra il tubo di rivestimento 3 e il tubo coassiale 6.

Si ottiene così un sistema totalmente chiuso in cui il fluido, in particolare acqua o anche un fluido basso-bollente, può essere fatto circolare nei condotti 7, 8 senza andare a contatto con il terreno ed estraendo calore da esso solamente per conduzione attraverso le pareti del foro 2.

Nella realizzazione mostrata in Fig. 4, come rappresentato dalle frecce, mediante apposite pompe non mostrate, il fluido di lavoro viene iniettato nel condotto anulare 4 ed estratto dal condotto interno 8, ma è evidente che il flusso del fluido può essere invertito rispetto a quello mostrato.

Si realizza così un circuito idraulico che permette di scambiare calore con il terreno e in superficie con sistemi di produzione di energia a vapore secco, di tipo flash o a ciclo binario come quelli descritti in precedenza con riferimento alla tecnica nota.

La realizzazione descritta di reimpiego di pozzi esauriti è preferita, in quanto consente di eliminare i costi di trivellazione, tuttavia l’invenzione trova applicazione anche in caso di pozzi di nuova trivellazione.

La Fig. 5 mostra una realizzazione alternativa dell’invenzione, quando ad un pozzo di estrazione 1 è abbinato un pozzo di iniezione Γ.

Nella specifica realizzazione illustrata, il pozzo di estrazione 1 è un pozzo cosiddetto deviato o orizzontale, cioè che scende verticalmente per un tratto 10 fino ad una certa profondità, per poi deviare e assumere un andamento pressoché orizzontale, per un tratto 11.

La perforazione dei pozzi orizzontali, o deviati, cioè che deviano dalla verticale si rende a volte necessaria per poter raggiungere località inaccessibili oppure per superare incidenti verificatisi nel pozzo verticale, ma si è maggiormente sviluppata per l’attività di ricerca offshore.

Quando il pozzo di estrazione 1 è esaurito, esso viene chiuso con un tappo 5 come illustrato con riferimento alla Fig. 4, e si cerca di intercettare il pozzo 1 a monte del tappo 5 con il pozzo di iniezione 1 che potrebbe essere eventualmente un pozzo di nuova trivellazione.

Si determina così un unico condotto interno alle tubazioni di rivestimento di acciaio 3 dei pozzi di estrazione 1 e di iniezione 1’, nel quale può essere fatto circolare in ciclo continuo, in modo sigillato il fluido geotermico di lavoro, con alta potenzialità termica estraibile, grazie, a parità di sezione del pozzo, alla elevata superficie di scambio termico, nonché alla maggiore portata del fluido geotermico che si otterrebbe rispetto all’impiego di una sonda coassiale descritta in precedenza.

Nella realizzazione precedentemente illustrata con riferimento alla figura 5 si è parlato di un pozzo di estrazione 1 deviato o orizzontale. E’ tuttavia evidente che il pozzo di estrazione 1 potrebbe essere un normale pozzo verticale e il pozzo di iniezione 1’ un pozzo deviato, o entrambi i pozzi 1, Γ pozzi deviati. L’importante è che almeno uno dei due pozzi 1, 1’ abbia un percorso che permetta il congiungimento con l’altro a monte del tappo 5 determinando un unico condotto per la circolazione del fluido di lavoro.

Naturalmente l’invenzione non è limitata alle forme di realizzazione precedentemente descritte e illustrate nei disegni annessi, ma ad essa possono essere apportate numerose modifiche di dettaglio alla portata del tecnico del ramo, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione stessa definita dalle rivendicazioni annesse.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto geotermico per la produzione di energia elettrica comprendente mezzi di pompaggio per l’estrazione e la re-immissione di un fluido geotermico di lavoro in pozzi di trivellazione, caratterizzato dal fatto di prevedere un unico pozzo (1), il cui foro (2) è chiuso ad una profondità appropriata mediante un tappo (5), in detto foro (2) essendo disposta una tubazione coassiale (6) con condotto interno (8) sfociante inferiormente ad una adeguata distanza da detto tappo (5), tale da determinare un condotto anulare (7) tra una tubazione di rivestimento (3) di detto foro (2) e detta tubazione coassiale (6), in modo che il fluido geotermico possa fluire dal condotto anulare (7) al condotto interno (8) della tubazione coassiale (6) o viceversa, scambiando calore per conduzione con il terreno.
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto pozzo (1) è un pozzo di origine estrattiva a fine esercizio.
3. 3. Metodo di sfruttamento, a fini geotermici, di un pozzo (1) di origine estrattiva, comprendente le fasi consistenti nel: - chiudere il foro (2) del pozzo (1) mediante un tappo (5) ad una profondità opportuna; - inserire nel foro (2) un tubo coassiale (6) con condotto interno (8), tale da determinare un condotto anulare (7) tra una tubazione di rivestimento (3) del foro (2) e detta tubazione coassiale (6); - iniettare un fluido geotermico di lavoro in detto condotto anulare (7) ed estrarlo da detto condotto interno (8) o viceversa, in modo che si abbia uno scambio termico per conduzione con il terreno.
4. 4. Metodo di sfruttamento dell’energia geotermica per la produzione di energia elettrica, comprendente le fasi consistenti nel: - trivellare un foro (2) nel terreno; - rivestire detto foro (2) con almeno una tubazione di rivestimento (3); - chiudere detto foro (2) ad una profondità opportuna con un tappo (5); - inserire in detto foro (2) una tubazione coassiale (6) sfociante inferiormente ad una certa distanza da detto tappo (5), in modo da determinare un condotto anulare (7) tra detta tubazione di rivestimento (3) e detta tubazione coassiale (6); - iniettare un fluido geotermico di lavoro in detto condotto anulare (7) ed estrarlo dal condotto interno (8) della tubazione (6) o viceversa, in modo da avere uno scambio termico per conduzione con il terreno.
5. 5. Impianto geotermico per la produzione di energia elettrica comprendente mezzi di pompaggio per l’estrazione di un fluido geotermico di lavoro da un pozzo di estrazione (1) e la reimissione in un pozzo di iniezione (Γ), caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti pozzi (1, Γ) è un pozzo deviato, e dal fatto che detto pozzo di iniezione (Γ) intercetta il pozzo di estrazione (1) a monte di un tappo (5), o viceversa, in modo che detto fluido geotermico possa circolare nelle tubazioni di rivestimento (3) di detti pozzi di iniezione (1*) e di estrazione (1) scambiando calore per conduzione con il terreno.
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 5, in cui almeno detto pozzo di estrazione (1) è un pozzo di origine estrattiva esaurito.
7. 7. Metodo di sfruttamento, ai fini geotermici, di un pozzo (1) di origine estrattiva, comprendente le seguenti fasi: - chiudere detto pozzo (1) mediante un tappo (5) ad una profondità opportuna; - intercettare detto pozzo di estrazione (1) a monte di detto tappo (5) mediante un pozzo di iniezione (Γ); - far circolare un fluido geotermico di lavoro in detti pozzi di iniezione (Γ) e di estrazione (1) scambiando calore per conduzione con il terreno.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto pozzo di iniezione (Γ) intercettante il pozzo di estrazione (1) è un pozzo preesistente o di nuova trivellazione.
9. 9. Metodo di sfruttamento dell’energia geotermica per la produzione di energia elettrica, comprendente le fasi consistenti nel: - trivellare un pozzo di estrazione (1); - rivestire detto pozzo (1) con almeno una tubazione di rivestimento (3); - chiudere detto pozzo (1) mediante un tappo (5) ad una profondità opportuna; - intercettare detto pozzo di estrazione (1) a monte di detto tappo (5) con un pozzo di iniezione (1); - far circolare un fluido geotermico di lavoro in detti pozzi di iniezione (1) e di estrazione (1) scambiando calore per conduzione con il terreno.