SISTEMI GEOTERMICI AVANZATI: SFRUTTARE L’ENERGIA GEOTERMICA

In questo articolo esploreremo come i sistemi geotermici avanzati stiano plasmando il futuro dell’energia pulita, offrendo soluzioni scalabili e affidabili anche in regioni prive di risorse geotermiche tradizionali. Esamineremo i recenti progressi nei sistemi geotermici migliorati (Enhanced Geothermal Systems, EGS) e a circuito chiuso (Closed-Loop Geothermal Systems), l’aumento degli investimenti a livello globale e le principali sfide tecniche e operative che devono essere affrontate.

Analizzeremo i seguenti aspetti:

1. La rivoluzione geotermica
2. Evoluzione dei sistemi geotermici
3. Sistemi geotermici superficiali per EGS e AGS
4. Progressi e sfide nei sistemi geotermici
5. Tendenze globali e adozione degli EGS
6. Superare le barriere e il futuro dell’energia geotermica

1. Rivoluzione Geotermica: Sbloccare un Nuovo Potenziale

Il passaggio verso l’energia geotermica di nuova generazione sta ridefinendo ciò che è possibile nel mondo dell’energia sostenibile. Tradizionalmente, lo sviluppo geotermico si è basato su pompe di calore geotermiche superficiali o su risorse idrotermali ad alta temperatura — risorse spesso limitate dalla geografia e dalla geologia. Questo ha rappresentato un ostacolo, in particolare per le applicazioni industriali e la produzione di energia su larga scala.

Oggi, tuttavia, innovativi progressi tecnologici stanno aprendo la strada a sistemi geotermici avanzati, che non dipendono più dalla disponibilità di serbatoi naturali. Sfruttando tecnologie sviluppate nel settore petrolifero e del gas — come la perforazione direzionale, la fratturazione idraulica e l’isolamento dei pozzi — ricercatori e sviluppatori stanno sperimentando soluzioni indipendenti dal serbatoio naturale, come gli Enhanced Geothermal Systems (EGS) e i Closed-Loop Geothermal Systems (CLGS).

L’integrazione dell’energia geotermica di nuova generazione sta trasformando il panorama energetico, in particolare nelle aree dove le risorse geotermiche erano un tempo inaccessibili.

2. Evoluzione dei Sistemi Geotermici

I Sistemi Geotermici Migliorati (EGS) e i sistemi geotermici avanzati (AGS) stanno trasformando il modo e i luoghi in cui è possibile sfruttare l’energia geotermica, rendendo possibile l’accesso a fonti di calore anche in aree prive di serbatoi naturali. Con il continuo miglioramento delle tecnologie e la riduzione dei costi di progetto, la geotermia potrebbe soddisfare fino al 15% della crescita della domanda globale di elettricità entro il 2050.

Che cos’è un sistema geotermico migliorato (EGS)?

Le tecnologie EGS funzionano migliorando o creando permeabilità nelle formazioni rocciose calde, tipicamente tramite tecniche di perforazione avanzata e metodi di stimolazione mirata. Una delle tecniche più utilizzate è la stimolazione idraulica, che consiste nell’iniezione di fluidi ad alta pressione in pozzi profondi per creare o aprire fratture nella roccia. Altre tecniche, come la stimolazione termica (che utilizza fluidi freddi per indurre fratture termiche) e la stimolazione chimica (che impiega composti specifici per sciogliere minerali e aprire percorsi), aumentano ulteriormente la permeabilità della roccia e l’efficienza di estrazione del calore.

Queste fratture ingegnerizzate permettono la circolazione dei fluidi nel sottosuolo, che assorbono calore e lo trasportano in superficie per la generazione di elettricità o per usi diretti. L’EGS estende così il potenziale della geotermia anche a regioni ad alta temperatura che non dispongono di volumi sufficienti di fluido o di permeabilità naturale—aree un tempo considerate inutilizzabili, note come “rocce calde e secche”.

Oggi, grandi progetti come l’iniziativa Utah FORGE e il Cape Station di Fervo Energy negli Stati Uniti, insieme al progetto svizzero Haute-Sorne, stanno ampliando i limiti di ciò che l’EGS può realizzare, con un promettente potenziale per una produzione di energia ad alta resa e a basse emissioni di carbonio.

In Europa, un esempio di progetto EGS è in fase di sviluppo a Cornovaglia, nel Regno Unito, presso il sito di United Downs. L’azienda Geothermal Engineering Ltd. (GEL) è responsabile dello sviluppo, in collaborazione con Exergy International come fornitore tecnologico per l’impianto di generazione. Questo progetto rappresenta la prima iniziativa geotermica profonda integrata del Regno Unito, con una capacità prevista di 3 MWe di elettricità rinnovabile continua e fino a 10 MWth di calore a zero emissioni, con entrata in funzione prevista entro la fine del 2024.

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Un’altra frontiera delle tecnologie di nuova generazione è rappresentata dai sistemi geotermici avanzati, spesso chiamati sistemi geotermici a circuito chiuso (CLGS – Closed-Loop Geothermal Systems). Questi sistemi fanno circolare un fluido termovettore all’interno di circuiti sigillati nel sottosuolo, che estraggono calore per conduzione dalla roccia circostante, senza interazione diretta con il sottosuolo.

Sebbene siano ancora in fase emergente, progetti come Eavor-Lite™ in Canada e GreenLoop di GreenFire Energy in California hanno dimostrato la fattibilità tecnica delle soluzioni CLGS, mentre l’impianto in fase di realizzazione di Eavor a Geretsried, in Germania, punta a scalare commercialmente questi sistemi.

3. Sistemi a Ciclo Binario: una Tecnologia Chiave per EGS e AGS

Le tecnologie del sottosuolo EGS e AGS possono essere utilizzate in modo efficiente tramite impianti geotermici a ciclo binario per la produzione di elettricità e tramite grandi pompe di calore per applicazioni di riscaldamento diretto. I sistemi a ciclo binario sono particolarmente adatti ai serbatoi geotermici di nuova generazione grazie alla loro elevata efficienza nell’utilizzo di risorse a bassa e media entalpia, flessibilità operativa e minori esigenze di manutenzione. Queste caratteristiche li rendono una soluzione ideale per soddisfare le esigenze in evoluzione dei progetti EGS e AGS.

Gli impianti a ciclo binario sono sistemi a circuito chiuso, senza emissioni in atmosfera, rappresentando così un’opzione altamente sostenibile. A differenza degli impianti “flash”, nei sistemi binari il fluido geotermico non entra mai in contatto diretto con la turbina o il generatore. Invece, il fluido geotermico trasferisce il proprio calore a un fluido organico secondario tramite uno scambiatore di calore. Questo fluido secondario, caratterizzato da un punto di ebollizione più basso, vaporizza e aziona la turbina per generare elettricità. Successivamente, viene condensato e riportato in pressione per ripetere il ciclo, mentre il fluido geotermico raffreddato viene reiniettato nel serbatoio.

Questo processo a circuito chiuso migliora la sicurezza ambientale e l’affidabilità del sistema a lungo termine, risultando perfettamente in linea con gli obiettivi tecnici e di sostenibilità dei progetti geotermici avanzati.

4. Progressi e Sfide nei Sistemi Geotermici

I recenti progressi nella tecnologia degli Enhanced Geothermal Systems (EGS), tra cui l’uso di pozzi orizzontali e tecniche di stimolazione multistadio, hanno migliorato significativamente i volumi dei serbatoi, le aree di trasferimento del calore e i tassi di flusso, come dimostrato nel 2023 nel progetto Red di Fervo in Nevada. Nonostante questi progressi, l’EGS rimane una tecnologia tecnicamente sfidante, con difficoltà legate a:

• Gestire le perdite di acqua
• Mantenere l’integrità dei pozzi
• Garantire flussi costanti ad alte velocità e temperature di produzione elevate

Inoltre, il processo di stimolazione comporta un impatto sull’ambiente:

• Significativo utilizzo di acqua
• Rischi legati alla sismicità indotta, che ha portato a opposizioni sociali e restrizioni normative in alcune aree

Al contrario, i Sistemi Geotermici a Circuito Chiuso (CLGS) offrono il vantaggio di:

• Requisiti minimi specifici per il sito, permettendo loro di essere implementati quasi ovunque
• Evitare i rischi legati alla stimolazione dei serbatoi, inclusa la sismicità indotta

Tuttavia, i CLGS affrontano le proprie sfide, in particolare la necessità di distanze di perforazione molto più lunghe per creare aree di trasferimento del calore sufficienti, con conseguenti costi più elevati e completamenti più complessi dei pozzi. Inoltre, mantenere temperature di produzione stabili nel tempo resta una sfida che richiede progetti e strategie operative migliorate.

Mentre i progetti EGS comportano rischi legati alle caratteristiche specifiche del sito, le sfide dei CLGS sono più legate a fattori ingegneristici e operativi che devono essere affrontati per migliorare l’efficienza dei costi e le prestazioni.

5. Tendenze Globali e Adozione degli EGS

I Sistemi Geotermici Migliorati (EGS) stanno emergendo rapidamente come una pietra miliare per le soluzioni energetiche sostenibili, con investimenti globali in costante aumento per favorire i progressi tecnologici e la scalabilità. Dal 2017, l’investimento nelle tecnologie geotermiche di nuova generazione è aumentato da importi trascurabili a oltre 420 milioni di USD all’anno entro il 2023, con aspettative di una continua crescita man mano che l’interesse globale per la geotermia cresce. Questa tendenza è sostenuta sia dai contributi del settore privato che pubblico, con paesi come Stati Uniti, Canada e Germania che forniscono finanziamenti pubblici significativi per accelerare lo sviluppo di EGS e Sistemi Geotermici Avanzati (AGS). Gli investimenti chiave provengono da società di venture capital, compagnie petrolifere e del gas e start-up innovative, con aziende pionieristiche come Fervo ed Eavor che hanno raccolto oltre 700 milioni di USD dal 2021, rappresentando più del 60% dell’investimento totale nelle fasi iniziali della geotermia. Le opportunità di mercato globali per i sistemi geotermici di nuova generazione sono concentrate nelle regioni con alta domanda di energia, tra cui Cina, Stati Uniti, India, Sud-Est asiatico, Europa e Giappone.

Sviluppi notevoli includono:

• Coinvolgimento dell’industria petrolifera e del gas: Il settore petrolifero e del gas ha investito quasi 140 milioni di USD in EGS e AGS, sfruttando la sua esperienza nelle operazioni sotterranee per supportare i progetti geotermici.
• Supporto pubblico: Paesi come Stati Uniti, Canada e Germania hanno fornito finanziamenti pubblici significativi per supportare le aziende EGS e potenziare i progressi tecnologici.
• Crescita del capitale di rischio: Le società di venture capital e private equity sono state fondamentali nel finanziare i progetti geotermici di nuova generazione, nonostante la natura ad alto rischio di tali investimenti.

EGS gioca un ruolo sempre più vitale, specialmente nei mercati con elevate richieste energetiche. Per esempio:

• Cina: Con la sua significativa dipendenza dal carbone e le rapide transizioni verso l’energia pulita, la Cina punta sulla geotermia per soddisfare quasi 650 GW di capacità di energia dispatchabile aggiuntiva necessaria entro il 2050.
• Stati Uniti e India: Entrambi i paesi possiedono risorse geotermiche di alta qualità e stanno attivamente perseguendo tecnologie geotermiche per garantire la stabilità della rete e l’indipendenza energetica.
• Europa e Giappone: La geotermia offre una soluzione per integrare le fonti rinnovabili intermittenti come il vento e il solare, garantendo una fornitura energetica affidabile.
• Sud-Est asiatico e Africa: Le economie in crescita di queste regioni presentano un vasto potenziale non sfruttato per l’energia geotermica, in particolare per il riscaldamento urbano e applicazioni industriali.

Il potenziale del mercato globale per la geotermia di nuova generazione è sostanziale, con proiezioni che indicano oltre 800 GW di capacità elettrica e 10.000 PJ di produzione di calore all’anno entro il 2050. Per sbloccare questo potenziale, gli investimenti dovranno superare il 1 trilione di USD entro il 2035, con investimenti annuali che raggiungeranno i 200 miliardi di USD intorno al 2035. Con questo afflusso di capitali, i sistemi geotermici di nuova generazione potrebbero fornire fino all’8% dell’approvvigionamento elettrico globale entro il 2050 e contribuire significativamente alla riduzione delle emissioni nel settore del riscaldamento.

6. Superare le Barriere e il Futuro dell’Energia Geotermica

Mentre l’energia geotermica detiene un enorme potenziale, ci sono diverse sfide tecniche ed economiche che devono essere superate per sbloccare completamente le sue capacità. Queste sfide includono elevati costi iniziali, il rischio di sismicità indotta, inefficienze nella perforazione e problemi relativi al completamento dei pozzi. Tuttavia, i progressi nella tecnologia e le soluzioni innovative, in particolare nell’energia geotermica a bassa entalpia e nei Sistemi Geotermici Migliorati (EGS), stanno gradualmente superando questi ostacoli.

Sismicità Indotta:
Una delle principali sfide per gli EGS è il rischio di sismicità indotta, che può verificarsi quando lo stress nel sottosuolo viene alterato durante la stimolazione del serbatoio. Per mitigare i rischi di sismicità, sono stati implementati monitoraggi della micro-sismicità e tecniche avanzate di stimolazione, riducendo il rischio di potenziali terremoti. Inoltre, iniziative internazionali di ricerca e sviluppo, come il progetto DEEP, stanno esplorando sistemi adattivi a semaforo (ATLS), che utilizzano i dati in tempo reale per regolare dinamicamente i tassi di stimolazione, riducendo il rischio di eventi sismici più grandi.

Sfide nella Perforazione:
La perforazione per risorse geotermiche è tecnicamente simile a quella per petrolio e gas, ma comporta costi più elevati e tempi più lunghi per generare flussi di cassa. L’obiettivo principale è migliorare l’efficienza della perforazione e ridurre il tempo trascorso sul sito. Le strategie per superare queste sfide includono:

• Aumentare i tassi di penetrazione, estendere la durata delle punte di perforazione e migliorare l’efficienza della catena di approvvigionamento per ridurre i tempi di inattività
• Implementare innovazioni nelle tecnologie di perforazione per accedere a serbatoi più profondi e caldi, come i sistemi di roccia super-calda, che possono sbloccare rendimenti energetici più alti rispetto ai sistemi geotermici tradizionali
• Sviluppare tecnologie di perforazione ibride convenzionali e senza contatto, per gestire temperature elevate, ridurre l’usura dell’attrezzatura e migliorare il controllo della pressione
• Affrontare le problematiche legate alle temperature elevate e alle condizioni geologiche difficili con tecniche come tubi isolati, raffreddatori di fango e punta di diamante policristallino compatta

Completamento del Pozzo:
Il completamento di un pozzo implica la preparazione del pozzo perforato per la produzione, installando il tubo di produzione e gli strumenti sotterranei. Tuttavia, il flusso continuo di liquido e vapore può causare problemi meccanici, e i fluidi possono essere corrosivi o portare alla formazione di incrostazioni. Le soluzioni per questi problemi includono:

• Strumenti sotterranei resistenti alle alte temperature per sopportare le temperature elevate e le condizioni difficili
• Innovazioni nei test dei pozzi e negli strumenti di misurazione sotterranea per valutare accuratamente il potenziale del serbatoio geotermico
• Ricerca nello sviluppo di fibre ottiche resistenti alle alte temperature e attrezzature adattate per migliorare le prestazioni in ambienti geotermici difficili

Nonostante le sfide attuali, le tecnologie a bassa entalpia e EGS ampliano significativamente il potenziale dell’energia geotermica, anche in regioni non tradizionali. Man mano che i costi diminuiscono e l’efficienza migliora, queste tecnologie pongono le basi per una transizione energetica più ampia e a basse emissioni di carbonio.

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Conclusione

In conclusione, i Sistemi Geotermici Migliorati (EGS) e le tecnologie geotermiche avanzate stanno facendo rapidi progressi, presentando una soluzione promettente per un’energia sostenibile e affidabile. Con gli investimenti globali nelle tecnologie geotermiche in aumento, questi sistemi stanno superando le barriere geografiche e geologiche, permettendo la produzione di energia in regioni precedentemente considerate non idonee all’uso geotermico. Poiché sia il settore privato che quello pubblico continuano a supportare l’innovazione, il potenziale dell’energia geotermica di svolgere un ruolo centrale nella transizione energetica globale è enorme. Entro il 2050, i sistemi geotermici potrebbero contribuire in modo significativo alla riduzione delle emissioni e fornire una porzione sostanziale dell’elettricità e del calore mondiale, sottolineando il potere trasformativo di questa fonte di energia rinnovabile.

Leggi il rapporto completo dell’IEA qui.

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