Testo rivisitato da il ‘Sillabario’ n. 4 1998

LE CENTRALI GEOTERMICHE E L’AMBIENTE

Appunti per una ricerca

Dott. ing.  Aldo Baldacci

Premessa

L’energia ha un ruolo fondamentale nel sostenere lo sviluppo dell’umanità, soprattutto dal punto di vista della crescita economica e del miglioramento della qualità della vita.

La crescente domanda di energia richiede, tuttavia, un grande uso di combustibili fossili, che determina un crescente impatto sull’ambiente e, in particolare, un aumento della produzione di anidride carbonica (CO₂), il principale gas responsabile dell’effetto serra.

La necessità di limitare il consumo di risorse naturali non rinnovabili e di minimizzare la produzione di rifiuti e di sostanze inquinanti, requisiti essenziali per uno sviluppo sostenibile e duraturo, impone un ricorso sempre maggiore alle energie rinnovabili. In particolare, gli accordi sottoscritti a Kyoto, nell’ambito della 3^a Conferenza delle Nazioni Unite sui mutamenti climatici, richiedono all’Italia per l’anno 2010 una riduzione delle emissioni di CO₂ del 6,5 % rispetto al 1990, nonostante il prevedibile aumento della domanda energetica nel periodo.

L’energia geotermica rappresenta un’importante risorsa rinnovabile e pertanto idonea ad assicurare uno sviluppo sostenibile sia mediante la produzione di energia elettrica, che con gli usi diretti del calore. Nel 1997, la produzione di energia elettrica da fonte geotermica è stata di oltre 3,9 miliardi di chilowattora, pari a circa il 2% dell’intera produzione elettrica italiana e al 20 % di quella della Regione Toscana. Sono inoltre state fornite circa 400 miliardi di chilocalorie per l’alimentazione di teleriscaldamenti e per usi serricoli e industriali. Queste utilizzazioni dell’energia geotermica hanno consentito un risparmio di combustibili fossili di circa 1 milione di tonnellate equivalenti di petrolio (1 Mtep) e hanno evitato l’emissione in atmosfera di oltre 1,3 milioni di tonnellate di CO₂.

I campi geotermici

Lo sfruttamento dell’energia geotermica consiste nell’utilizzazione del calore contenuto nelle rocce del sottosuolo profondo fino ad oltre 4.000 metri. Affinché il calore sia utilizzabile, è necessario che le rocce interessate, oltre che molto calde per la presenza di un’anomalia termica, siano permeabili in modo da consentire il passaggio di notevoli quantità di fluidi contemporaneamente presenti nel sottosuolo. Un tale sistema prende il nome di “serbatoio geotermico”. I fluidi, circolando all’interno delle rocce, asportano calore e, tramite pozzi perforati allo scopo, lo trasportano in superficie (v. fig. 1).

Il fluido, in dipendenza delle caratteristiche del campo geotermico, può essere vapore, acqua o una miscela dei due, con associata una frazione di gas incondensabili (dal 2% al 7% circa in peso rispetto al fluido), costituiti prevalentemente da CO₂ (95% o più). Il resto è rappresentato da acido solfidrico (circa l’1%), metano, idrogeno, acido borico ed elementi in tracce in forme volatili (mercurio, arsenico e antimonio).

Il serbatoio geotermico, per poter confinare il fluido, deve essere protetto da una copertura di rocce impermeabili, in modo da impedire o limitare la dispersione dei fluidi e del calore.

Il continuo prelievo di fluido geotermico porterebbe però al suo progressivo esaurimento. Tuttavia, poiché il calore asportato dalle rocce del serbatoio rappresenta solo una piccola frazione di quello accumulato nelle stesse, è possibile continuare lo sfruttamento del campo geotermico reintegrando il fluido estratto. La ricarica in parte avviene naturalmente, tramite le acque meteoriche; essa può inoltre essere effettuata artificialmente, reiniettando nello stesso serbatoio, tramite pozzi appositamente perforati, il vapor d’acqua condensato e/o l’acqua dopo la loro utilizzazione.

Le centrali geotermiche

Le centrali utilizzano il fluido estratto del serbatoio geotermico per la produzione di energia elettrica (v. fig. 2).

Il fluido è trasportato dai pozzi di produzione (1) in centrale mediante tubazioni in acciaio, isolate termicamente, i vapordotti (2).

All’ingresso in centrale, vi è un separatore di umidità per evitare che gocce di liquido eventualmente presenti nel fluido possano raggiungere la turbina, danneggiandola.

Il fluido, la cui portata è regolata mediante valvole, attraversando la palettatura della turbina trasforma la propria energia termica in energia meccanica. L’alternatore provvede quindi a trasformare l’energia meccanica in energia elettrica, che, tramite il trasformatore, viene trasferita alla rete ad alta tensione per il trasporto.

Il fluido, dopo aver attraversato la turbina (3), raggiunge il condensatore a miscela, dove viene condensato mediante contatto diretto con acqua fredda nebulizzata. Per migliorare il rendimento termodinamico e generare maggior potenza, la pressione allo scarico della turbina e quindi nel condensatore è mantenuta molto più bassa (meno di 1/10) di quella atmosferica. L’acqua calda prodotta con la condensazione del vapore (acqua di raffreddamento + vapore condensato) viene estratta per mezzo di una pompa che la invia alla sommità della torre di raffreddamento (4).

All’interno della torre l’acqua calda viene fatta cadere dall’alto, mentre dal basso, in controcorrente, entra aria aspirata dall’ambiente mediante ventilatori posti alla sommità della torre. L’acqua raffreddata viene raccolta nella vasca sottostante (5) e da qui ritorna al condensatore (6). La parte in eccesso, cioè l’acqua proveniente dalla condensazione del vapore geotermico, meno quella evaporata nella torre di raffreddamento, viene inviata alla reiniezione (14). I gas incondensabili contenuti nel fluido geotermico si raccolgono nella parte alta del condensatore, da dove vengono evacuati (9) mediante un estrattore gas e inviati (12) ai camini della torre di raffreddamento per essere miscelati all’aria umida uscente dalla torre e rilasciati in atmosfera. Allo scopo di ridurre la potenza assorbita, tra lo stadio di bassa pressione e lo stadio di alta pressione dell’estrattore il gas viene raffreddato in un refrigerante (10), alimentato dall’acqua fredda (7) proveniente dalla torre di raffreddamento.

Interazioni ambientali delle centrali geotermiche

L’energia geotermica costituisce una risorsa irrinunciabile per il fatto di essere rinnovabile e perché determina impatti inferiori rispetto alle centrali a combustibili fossili.

Fino ad oggi, purtroppo, l’opinione pubblica non è stata informata adeguatamente sui programmi di sviluppo e sui possibili impatti, cosicché, sulla base di supposizioni e dei “si dice”, più che su serie indagini scientifiche, si sono diffuse preoccupazioni e allarmismi e sono sorte opposizioni intransigenti e preconcette.

E’ pertanto importante, per superare queste difficoltà, che vengano fornite ai cittadini corrette informazioni sulla compatibilità dell’utilizzazione della risorsa geotermica con la salute umana e con l’ambiente.

Una pietra miliare a questo riguardo è rappresentata dai risultati dello studio interdisciplinare, di carattere fortemente sperimentale, che l’ENEL ha predisposto, con la collaborazione delle Università di Pisa e Siena e del CNR, per arrivare ad una chiara definizione degli effetti sul sistema naturale conseguenti alle emissioni in atmosfera delle centrali esistenti e future dell’area amiatina.

Lo studio, che si è concluso nel settembre ’96 dopo due anni di intensa attività, ha permesso di caratterizzare in modo completo sia le emissioni degli impianti, che il comportamento degli inquinanti geotermici nelle matrici di maggiore interesse ai fini della salute umana e dell’ambiente in generale: l’aria, il suolo, la acque, la vegetazione spontanea e le specie vegetali per il consumo umano e animale.

Il rigore scientifico delle indagini e il controllo di qualità dei dati, realizzato anche attraverso confronti tra laboratori, garantisce l’affidabilità dei risultati.

Le centrali geotermiche sono caratterizzate dalla sostanziale assenza di effluenti liquidi e solidi, in quanto i primi, come si è visto in precedenza, sono integralmente reiniettati nei serbatoi geologici da cui proviene il fluido, mentre la produzione dei secondi è nulla o trascurabile. La presenza nel fluido geotermico di specie chimiche diverse dal vapor d’acqua comporta l’emissione in atmosfera di alcune sostanze potenzialmente inquinanti o fonti di disagio: acido solfidrico, mercurio, boro e in minor misura, arsenico, antimonio e radon.

Le emissioni delle centrali geotermiche rientrano ampiamente nei limiti fissati dalla normativa. In condizioni di normale esercizio, l’unico punto di emissione è rappresentato dai camini della torre di raffreddamento. Emissioni sulle piazzole dei pozzi di produzione possono avvenire solo in caso di fuori servizio, per guasto o manutenzione, dei vapordotti ad essi collegati.

Acido solfidrico (H₂S)

L’acido solfidrico rappresenta il principale inquinante emesso dalle centrali geotermiche. Le concentrazioni misurate nell’aria a livello del suolo, che è quella respirata dall’uomo, variano notevolmente in dipendenza del punto di misura e delle condizioni meteorologiche. Esse sono comunque largamente inferiori al valore guida stabilito dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) per la qualità dell’aria, pari a 150 microgrammi per metro cubo come valore medio nelle 24 ore, corrispondenti a circa 100 parti per miliardo.

L’acido solfidrico è tuttavia caratterizzato da una soglia olfattiva estremamente bassa, dell’ordine di poche parti per miliardo, cosicchè ne è spesso percepibile la presenza, specialmente nelle prime ore del mattino e nelle ore più calde della giornata, nelle condizioni meteorologiche che inducono il regime di brezza.

Il problema delle emissioni di acido solfidrico è pertanto riconducibile unicamente al disturbo sensoriale legato alla presenza del suo caratteristico odore, simile a quello delle uova marce.

Mercurio

Le emissioni di mercurio sono notevolmente variabili in dipendenza del campo geotermico da cui il fluido è estratto. Ad esempio, le emissioni delle centrali amiatine sono, a parità di potenza, decisamente più elevate (fino ad oltre 10 volte) rispetto a quelle delle centrali dell’area geotermica tradizionale (area boracifera), essenzialmente a causa della presenza di mineralizzazioni di cinabro. In ogni caso, neppure nell’intorno delle centrali amiatine le concentrazioni di mercurio nell’aria, nell’acqua o nella vegetazione edule sono tali da determinare rischi agli organismi viventi.

I dati dello studio ambientale mostrano, infatti, che le concentrazioni di mercurio nell’aria ambiente, espresse in termini di media giornaliera, variano, in dipendenza del punto di misura, da valori analoghi a quelli di fondo per aree del Monte Amiata non mineralizzate (2¸5 nanogrammi per metro cubo) sino a valori dell’ordine di qualche decina di nanogrammi per metro cubo (1 nanogrammo = 1 miliardesimo di grammo). Anche quest’ultimi valori sono notevolmente inferiori al valore guida indicato dall’OMS per la qualità dell’aria: 1000 nanogrammi per metro cubo, come media annuale.

La concentrazione di mercurio nell’acqua piovana (valore medio: 30 nanogrammi per litro) è perfettamente in linea con i valori che si hanno in aree non geotermiche.

Anche per la vegetazione per alimentazione, il quadro che emerge sia dallo studio ENEL, che da quelli condotti da Istituzioni scientifiche pubbliche, è positivo. Gli ortaggi prelevati nell’area geotermica di Piancastagnaio presentano livelli di mercurio piuttosto bassi, anche se più elevati rispetto a quelli misurati nelle aree prive di contaminazione antropica e naturale. Tale risultato è legato alla diffusione nel comprensorio amiatino di mineralizzazioni di cinabro e alle emissioni delle centrali.

Boro

Il boro costituisce forse l’unico componente, tra quelli liberati nell’ambiente dalle attività geotermiche, per i quali i possibili effetti riguardano la vegetazione sensibile e non l’uomo.

Le forme di boro associate con le risorse geotermiche sono principalmente l’acido borico e i suoi sali inorganici. La stragrande maggioranza (oltre il 95%) del boro presente nel fluido, per effetto della sua elevata solubilità, passa nella fase acquosa che viene reiniettata; l’emissione in atmosfera è pertanto legata essenzialmente alle gocce trascinate dall’aria umida uscente dalla torre di raffreddamento. Per limitare tale trascinamento, nelle moderne centrali la torre è equipaggiata con separatori di gocce ad alta efficienza.

Il boro è un oligoelemento indispensabile per la crescita delle piante che lo assorbono facilmente dal terreno e tendono ad accumularlo nelle foglie; in suo difetto, sorgono stati patologici. Tuttavia alcune specie, quali frumento, girasole, vite, patate, ecc., sono particolarmente sensibili e mostrano danni evidenti (clorosi ai margini delle foglie e bronzatura agli apici, appassimento e caduta delle foglie più vecchie, etc) non appena la disponibilità ambientale dell’elemento supera quella ottimale.

Nessuna manifestazione di fitotossicità è stata peraltro osservata, neppure in vicinanza delle centrali geotermiche.

Le concentrazioni di boro nell’aria ambiente sono risultate inferiori ai limiti di rivelabilità della strumentazione (20 nanogrammi per metro cubo) e anche quelle nell’acqua piovana sono notevolmente basse, da 1 a 10 microgrammi per litro (1 microgrammo=1 milionesimo di grammo). Da notare che il valore guida per la concentrazione di boro nelle acque potabili è di 1000 microgrammi per litro. Relativamente ai corsi d’acqua presenti nell’area di influenza delle centrali, l’indagine sul boro non ha evidenziato effetti diretti della ricaduta delle emissioni delle centrali.

Arsenico e antimonio

L’arsenico e, in minor misura l’antimonio, sono , dopo il mercurio, gli elementi in traccia di maggior rilievo nei fluidi geotermici. La maggior parte dell’arsenico presente nel fluido (circa l’80% o più) passa in soluzione nella fase acquosa, che viene reiniettata. Ne è riprova il fatto che le concentrazioni misurate di arsenico nell’aria ambiente sono inferiori ai limiti di rilevabilità della strumentazione (5 nanogrammi per metro cubo) e anche quelle nell’acqua piovana sono notevolmente basse, comprese nel campo 0,1¸0,5 microgrammi per litro. Da osservare che il limite per le acque potabili è di 50 microgrammi per litro.

Anche per i corsi d’acqua presenti nella zona di influenza delle centrali, non si sono rilevati innalzamenti apprezzabili dei tenori di arsenico rispetto ai valori di fondo dell’area esaminata.

Per quanto riguarda la vegetazione per alimentazione, i valori misurati negli ortaggi di Piancastagnaio sono al di sotto del limite fissato negli USA per la commercializzazione dei vegetali freschi (2,6 parti per milione), sebbene anche in questo caso, essi risultano più elevati di quelli indicati in letteratura come valori naturali o di riferimento.

Relativamente all’antimonio, valgono le considerazioni svolte per l’arsenico, attenuate dal fatto che le relative emissioni sono assai inferiori a quelle dell’arsenico.

Radon

Il radon è un gas nobile radioattivo, naturalmente presente nell’ambiente in diverse forme isotopiche, delle quali la principale, il radon-222, è un prodotto intermedio del decadimento dell’uranio. La sua attività si dimezza in circa 3 giorni, con formazione, dopo una catena di decadimenti radioattivi, di un isotopo solido, il piombo 210.

Tutti i terreni contengono tracce di uranio; il radon così prodotto, per la sua natura di gas inerte, può migrare per diffusione ed essere poi trasportato dai fluidi che circolano nel terreno stesso. In tal modo, al radon che normalmente diffonde dalla superficie del terreno verso l’atmosfera si aggiunge quello trasportato dal fluidi endogeni.

I livelli più elevati di radon si hanno in aree vulcaniche e in presenza di particolari categorie di rocce quali scisti, graniti e rocce vulcaniche.

I rilevamenti eseguiti nell’area di Larderello dall’ENEL, anche in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli USA (DOE) e con l’Università di Pisa, hanno evidenziato che anche in prossimità delle maggiori centrali geotermiche la radioattività da radon nell’aria ambiente risulta piuttosto bassa, dell’ordine di 5 Becquerel per metro cubo (il Becquerel è l’unità di misura dell’attività delle specie radioattive e corrisponde a un decadimento per secondo).

Se si considera che il valore medio di altre aree non geotermiche è di circa 10 Becquerel per metro cubo, il valore rilevato indica che non sussiste alcun problema di esposizione della popolozione.

Anidride carbonica (CO₂) 

L’anidride carbonica, pur non essendo un inquinante, è il principale gas responsabile dell’effetto serra. Le emissioni di anidride carbonica delle centrali geotermiche sono fortemente dipendenti dal tenore di gas incondensabili nel fluido e possono variare da 100 a 500 grammi per chilowattora. Esse rappresentano le emissioni dell’intero ciclo di generazione dell’energia elettrica, in quanto la centrale geotermica costituisce l’unico punto di emissione. Questa situazione è diversa da quella che si ha utilizzando combustibili fossili, giacché, in questo caso, alle emissioni delle centrali si devono aggiungere quelle che si hanno nelle fasi di produzione e trasporto del combustibile. Infatti, nel caso della CO₂ interessa non tanto l’emissione locale, quanto quella a livello planetario.

Tenuto conto di questo fatto, risulta che le emissioni di CO₂ del ciclo geotermico, a parità di energia elettrica prodotta, sono sensibilmente inferiori a quelle della  generazione elettrica basata su cicli combinati a gas naturale ad alto rendimento.

Conclusioni

L’utilizzazione dell’energia geotermica non comporta effetti apprezzabili né sulla salute umana, né sull’ambiente. Le prestazioni ambientali delle centrali sono verificate mediante il monitoraggio delle emissioni e il controllo della qualità dell’aria mediante misura in continuo, in corrispondenza dei principali centri urbani potenzialmente influenzati dalla presenza delle centrali, delle concentrazioni di costituenti tipici dei fluidi geotermici: acido solfidrico, mercurio, anidride carbonica e radon. Le nuove centrali, inoltre, saranno dotate di un sistema di gestione ambientale secondo il regolamento comunitario EMAS.

L’ENEL è attivo sul fronte dell’innovazione tecnologica per migliorare la compatibilità ambientale delle centrali. E’ infatti in corso di sperimentazione, su scala pilota, un processo originale per l’abbattimento delle emissioni di acido solfidrico e di mercurio, il cui trattamento combinato rappresenta un’anteprima mondiale. Sono inoltre in fase avanzata di valutazione cicli di generazione elettrica ad emissione zero, nei quali il fluido geotermico viene reiniettato nel serbatoio di provenienza dopo la sua utilizzazione.

(Dott. ing. Aldo Baldacci)

L’ing. Baldacci, responsabile degli Usi Plurimi presso la direzione geotermica ENEL, laureato nel 1972 in Ingegneria Nucleare di indirizzo chimico presso l’Università di Pisa, ha operato dal 1974 presso ENEL nel campo dell’innovazione tecnologica e del miglioramento della compatibilità ambientale degli impianti di produzione dell’energia elettrica, utilizzando sia combustibili fossili che fonti rinnovabili. E’ autore di oltre 60 pubblicazioni su prestigiose riviste scientifiche internazionali. 

Testo rivisitato da il ‘Sillabario’ n. 1 1996

Chi volesse leggere l’articolo dell’ing. Marconcini “Lo sfruttamento geotermico“

in pdf, cliccare, alla fine del post, sul link: SAGREDO10001

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 Testo rivisitato da il ‘Sillabario’ n. 2-4 1995