Graziella Green Power spiega il progetto per il primo impianto geotermico binario in Toscana

Una centrale che punta a ridurre al minimo gli impatti ambientali, a fronte di un rendimento energetico inferiore del 40% rispetto a un ciclo tradizionale

[15 Marzo 2018]

Castelnuovo Val di Cecina, in Provincia di Pisa, potrebbe diventare sede nei prossimi anni del primo impianto geotermico binario a totale reiniezione d’Europa. Il relativo progetto è stato presentato nelle scorse settimane da Graziella Green Power, Engie e Storengy (società appartenente a Engie), ovvero le aziende proponenti, e punta a concludersi entro il 2021. Per capire le peculiarità del progetto l’abbiamo presentato sulle nostre pagine, intervistando poi Engie per maggiori delucidazioni. Oggi sullo stesso tema interviene l’Arpat (Agenzia regionale per la protezione ambientale), rivolgendo qualche domanda all’amministratore delegato della società Graziella Green Power, Iacopo Magrini (nella foto, ndr): un’intervista che rilanciamo di seguito integralmente.

Vuole illustrarci sinteticamente che differenza c’è fra un impianto geotermico “tradizionale”, come quelli presenti in Toscana ed un impianto a ciclo binario come quello che vi proponete di realizzare voi?

Negli impianti tradizionali il fluido geotermico estratto dal serbatoio, dopo essere trattato da impianti di tipo AMIS per l’abbattimento del mercurio (95-98%%) e idrogeno solforato (75-85%), viene indirizzato direttamente in turbina per la produzione di energia elettrica e poi raffreddato nelle torri evaporative, dove una percentuale non trascurabile viene disperso in atmosfera e la quota rimanente viene infine reiniettata nel sottosuolo.

Nell’impianto a ciclo binario di Castelnuovo il fluido geotermico estratto dal serbatoio viene invece fatto passare in uno scambiatore di calore, dove cede il calore ad un fluido secondario per scambio termico, ed infine reimmesso nel serbatoio di provenienza senza subire variazioni, salvo il cambiamento di stato da vapore a condensato dovuto all’estrazione di parte del calore di cui è vettore.

In un circuito secondario, che non entra mai in contatto con il fluido geotermico, circola un fluido di lavoro che, a seguito del calore ricevuto, vaporizza ed espande in turbina, producendo energia elettrica. Il fluido secondario opera in un circuito chiuso, dunque, quando ha perso gran parte del suo contenuto energetico in turbina, passa all’interno di un sistema di condensazione e, ritornato allo stato liquido, torna alle caratteristiche termodinamiche per ripetere il ciclo.

In termini di rendimento energetico, quali risultati si attendono dall’impianto a ciclo binario rispetto ad uno tradizionale?

Il ciclo binario può impiegare differenti tipologie di fluido circolante, solitamente di tipo organico. La caratteristica peculiare di questo ciclo è la flessibilità derivante dalla possibilità di scegliere il fluido più adatto alle caratteristiche della sorgente termica (risorsa geotermica), al fine di massimizzare l’efficienza di recupero termico.

I rendimenti energetici possono dunque essere differenti impiegando cicli binari che operino con fluidi organici differenti. I vari fluidi organici presenti nel mercato, sebbene tutti presentino, rispetto al vapore acqueo, un basso punto di ebollizione e un’elevata pressione di vapore a bassa temperatura, hanno caratteristiche differenti tra loro.

Nel caso di Castelnuovo, la caratteristica di poter massimizzare l’efficienza netta del sistema è stata coniugata con l’esigenza, nel rispetto del principio di un impianto non inquinante, di utilizzare un fluido organico atossico e non infiammabile. Una volta imposto questo vincolo ristrettivo si è operata l’ottimizzazione delle caratteristiche del ciclo opzionato, raggiungendo un rendimento energetico, nel caso specifico, intorno al 15%, pari a circa un 40% in meno di quello ottenibile con un ciclo tradizionale.

È importante sottolineare che il principio ispiratore per la progettazione dell’impianto di Castelnuovo, a costo dell’esclusione di cicli più produttivi, è stato il rispetto del concetto di sostenibilità ambientale.

Gli impianti tradizionali, dal punto di vista delle emissioni in atmosfera presentano varie problematiche, che sembrerebbe possano essere superate con l’adozione del ciclo binario, ma nel vostro caso è prevista la reiniezione totale del fluido geotermico, e quindi davvero prevedete emissioni zero in atmosfera?

Il progetto Castelnuovo prevede la realizzazione di un impianto “a ciclo chiuso” con totale reimmissione dei fluidi e dei gas incondensabili nelle stesse formazioni geologiche di provenienza, e dunque senza emissioni di processo in atmosfera. L’adozione del ciclo binario, assieme alla reiniezione totale dei gas non condensabili, rappresenta proprio la soluzione innovativa in grado di garantire l’assenza di emissioni di processo.

Si dice che il fluido geotermico presente nel sottosuolo della nostra regione ha caratteristiche tali, in particolar modo per le elevate temperature e la forte presenza di sostanze incondensabili, da non rendere conveniente l’utilizzo del sistema binario. Quali valutazioni fate, invece, voi su questi aspetti?

La tecnologia a ciclo binario viene spesso erroneamente indicata come adatta a funzionare solo con fluidi geotermici a bassa entalpia (l’entalpia è una grandezza fisica che esprime la quantità di energia interna che un sistema può scambiare con l’ambiente).

Gli impianti binari hanno il vantaggio di riuscire a produrre energia elettrica sfruttando fluidi geotermici ad entalpia medio-bassa e dunque pozzi in cui la presenza di liquido è talmente alta da non rendere sostenibile l’utilizzo di cicli tradizionali (con flash del vapore). Gli impianti binari infatti, come sopra descritto, non utilizzano direttamente il fluido geotermico ma un fluido secondario di lavoro riscaldato dal fluido geotermico medesimo attraverso uno scambiatore di calore. Il fluido secondario presenta un basso punto di ebollizione e un’elevata pressione di vapore a bassa temperatura, permettendo la produzione di energia elettrica attraverso l’espansione in turbina seppur partendo da un fluido primario, quello geotermico, con contenuto entalpico moderato.

I cicli binari funzionano però anche quando la risorsa geotermica presenta caratteristiche tipiche del fluidi impiegati nei cicli tradizionali. Presentano dunque la versatilità di poter operare in un ampio range di temperature, sia laddove i cicli flash non possono essere impiegati, sia in loro sostituzione, dove potrebbero essere impiegati con il vantaggio però di rendere ambientalmente sostenibile la produzione di energia geotermoelettrica evitando emissioni in atmosfera, a scapito di un rendimento energetico più contenuto.

Per quello che riguarda la presenza di gas incondensabili, questi non influiscono sulla possibilità di impiegare o meno il ciclo binario. I gas incondensabili, separati dal fluido geotermico per poi essere reimmessi nel sottosuolo assieme al condensato in uscita dallo scambiatore di calore, non entrano in contatto con il fluido operante nel circuito secondario e dunque non ne inficiano la possibilità di utilizzo come tipologia di soluzione impiantistica. L’innovazione di processo sta nella reiniezione degli stessi attraverso una tecnica innovativa, che però prescinde dal ciclo binario a monte.

È importante dunque sottolineare come la scelta della tecnologia da impiegare non è univocamente determinata dal livello termico della risorsa. I sistemi binari a ciclo chiuso con totale reiniezione non risultano applicabili esclusivamente al segmento della cosiddetta “media entalpia”, ma possono essere impiegati anche con risorse ad alta entalpia.

Il livello di Entalpia (BASSA/MEDIA/ALTA) non influisce sul livello di «impatto» del sistema ma solo su quanta energia è possibile estrapolare. Ciò che fa la differenza in termini di «impatto» è solo la tipologia di tecnologia utilizzata, che nel caso dell’impianto binario risulta ridotto al minimo.

L’impianto previsto per Castelnuovo può considerarsi “pilota”, vista la dimensione (5MWe) piuttosto ridotta, rispetto agli impianti geotermici tradizionali. Quali potenze pensate di poter raggiungere con questo tipo di impianto a ciclo binario, anche confrontandole con quelle degli impianti geotermici esistenti?

La definizione di impianto pilota nasce dal decreto legislativo che ha introdotto tale tipologia di impianti. Tale decreto, D.Lgs. 22/2010 (modificato dal D.Lgs. 28/2011 e dall’articolo 28 del Decreto Legge 18 ottobre 2012, n. 179), ha introdotto infatti la promozione e lo sviluppo di nuove centrali geotermoelettriche a ridotto impatto ambientale con l’utilizzo di fluidi geotermici a media/alta entalpia finalizzati alla sperimentazione con reiniezione del fluido geotermico nelle stesse formazioni di provenienza e con potenza nominale installata non superiore a 5 MWe per ciascuna centrale.

Dunque la caratteristica che permette di considerare l’impianto di Castelnuovo come un impianto pilota non è da limitare alla taglia contenuta (5 MWe), ma alla progettazione nel suo complesso che è stata un’unione di scelte tecnologiche atte a garantire la caratteristica peculiare della reiniezione della risorsa geotermica, e dunque emissioni di processo nulle.

L’innovazione tecnologica tale da rendere l’impianto un progetto pilota non è però da correlare alla dimensione dell’impianto, limite imposto a livello normativo più che altro per contenere la taglia di un impianto comunque soggetto a sperimentazione. Il limitato impatto ambientale, ottenibile, oltre che con opportuni studi di integrazione paesaggistica ed ottimizzazione impiantistica, contenendo la potenza massima producibile, è un elemento aggiuntivo per l’integrazione paesaggistica, ma non è una prerogativa per annoverare il progetto, da un punto di vista puramente tecnico/impiantistico, come “pilota”.

Tale tecnologia potrà quindi essere impiegata anche per taglie di potenza superiori, purché la risorsa geotermica abbia potenziale termico sufficiente. Un esempio sono altre centrali a ciclo binario presenti al mondo come Puna (Hawaii) da 38 MW o Mammoth lake (California) da 29 MW ed altre ancora.

Per quanto riguarda l’uso delle acque sotterranee e quindi l’impatto sulla falda che problematiche presenterà il vostro impianto?

La perforazione dei pozzi di produzione e reiniezione prevede l’installazione di tubazioni cementate fino alla profondità del serbatoio geotermico, distinto e separato dagli acquiferi superficiali, che dunque evitano in modo assoluto il contatto o la contaminazione di acquiferi superficiali attraversati. È importante sottolineare come non sia previsto alcun utilizzo delle acque sotterranee durante la perforazione (unica fase in cui è previsto un consumo idrico). I volumi di acqua necessari saranno approvvigionati o tramite l’impiego di autobotti con prelievo da laghi privati esistenti o tramite un acquedotto temporaneo di derivazione da un fiume, e quindi non da acque sotterranee.

Uno dei problemi degli impianti tradizionali è costituito dall’impatto visivo delle torri di evaporazione, quali soluzioni avete previsto per le torri di raffreddamento ad aria del vostro impianto?

Le centrali geotermiche tradizionali hanno due elementi principali fonti di un impatto visivo non trascurabile: le torri di evaporazione e i vapordotti che trasportano il fluido geotermico dai pozzi di produzione/reiniezione alla centrale, di solito realizzati fuori suolo e di notevole estensione.

Il progetto Castelnuovo rappresenta un’evoluzione obbligata verso una geotermia più sostenibile, ottenuta attraverso scelte tecnologiche atte a garantire la massima mitigazione ambientale, tra le quali:

• la realizzazione dei pozzi, sia di produzione che di reiniezione, dalla stessa piazzola di perforazione, evitando vapordotti estesi;
• l’assenza di consumi idrici per la condensazione del fluido di lavoro, operando con condensatori ad aria, che pur non rappresentando il sistema più efficiente, rappresentano quello ambientalmente più sostenibile.

A differenza delle torri evaporative tradizionali, realizzate solitamente in calcestruzzo secondo la classica tipologia della torre Hamon con un’altezza che può raggiungere i 40 metri, i condensatori previsti nel progetto presentano un’altezza massima di circa 9 metri, ed evitano, impiegando l’aria come vettore per la rimozione del calore, il pennacchio delle torri tradizionali, che, sebbene costituito essenzialmente da vapore acqueo, costituisce un elemento di impatto visivo.

I condensatori ad aria, data la loro funzione di smaltimento del calore, saranno l’unico elemento impiantistico non collocabile all’interno di una struttura mitigativa, ma saranno posizionati in aree non visibili da punti panoramici e integrati con il paesaggio attraverso tinteggiature con tonalità che riprenderanno i colori dell’ambiente circostante.

Vuole spiegarci il ruolo dei partner francesi con cui avete siglato l’accordo per realizzare la nuova centrale?

L’accordo sottoscritto tra Graziella Green Power, Engie e Storengy ha sancito una collaborazione che permetterà di unire il know how posseduto da ciascun partner al fine di gestire in maniera ottimale lo sviluppo del progetto.

L’esperienza riconosciuta a livello internazionale di know how del sottosuolo e l’importante background industriale sono elementi importanti per la realizzazione e promozione di una tecnologia innovativa in un settore complesso e strategico come quello geotermico.

Presentando l’accordo avete sottolineato che si tratterà del primo impianto geotermico a ciclo binario in Europa, come mai in nessun altro Paese del continente è stata scelta questa strada?

Castelnuovo non rappresenterà il primo impianto a ciclo binario in Europa, ve ne sono infatti già molti altri che usano questa tecnologia, sia in Germania che in Portogallo. Il progetto in esame sarà il primo impianto a ciclo binario a totale reiniezione, seppur operante con un fluido geotermico ad alta entalpia in stato di vapore saturo e con una percentuale non trascurabile di gas non condensabili, risorsa fino ad oggi sfruttata con impianti di tipo flash che operano con emissioni in atmosfera e reiniezione solo parziale dei fluidi.

Il sistema tecnologico di Castelnuovo garantirà l’assenza di emissioni aeriformi di processo attraverso una soluzione progettuale innovativa “a ciclo chiuso” tramite la quale la reiniezione totale del fluido geotermico sarà ottenuta attraverso la gestione separata della frazione liquida e di quella gassosa. Gli impianti a ciclo binario sono solitamente alimentati con un fluido geotermico in fase liquida, in cui i gas non condensabili restano disciolti nel liquido, spesso mantenuto in pressione, e cedono il proprio calore senza cambiare stato. In questi casi la reiniezione prevede un’unica condotta per la sola fase liquida, diversamente da Castelnuovo dove saranno appunto previste due condotte separate nel medesimo pozzo di reiniezione.

Quali saranno le prossime tappe per la realizzazione dell’impianto e con quali tempi prevedete?

Il progetto Castelnuovo è sotto iter istruttorio presso il Ministero dello Sviluppo Economico. Il progetto è in attesa del giudizio di compatibilità ambientale da parte del Ministero dell’ambiente e della tutela del territorio e del mare. A valle del parere favorevole di compatibilità ambientale e dell’acquisizione dell’intesa regionale, dovrà essere rilasciato il relativo permesso di ricerca e l’autorizzazione alla costruzione e sperimentazione dell’impianto.

Nella speranza che il procedimento autorizzativo possa completarsi entro il primo semestre di questo anno, si prevede l’inizio della perforazione nel secondo trimestre del 2019 e la messa in esercizio nel primo trimestre del 2021.