I sistemi geotermici avanzati (EGS) rappresentano una delle frontiere più promettenti nell’energia rinnovabile, offrendo il potenziale di sfruttare il vasto calore immagazzinato sotto la superficie terrestre. I sistemi geotermici convenzionali si affidano ai serbatoi di acqua calda naturalmente in corso, ma EGS può creare serbatoi artificiali iniettando fluidi convenzionali in formazioni rocciose a caldo e a secco.

Cosa sono i fluidi supercritici?

Un fluido supercritico esiste in uno stato in cui scompare la distinzione tra liquido e gas, quando una sostanza viene riscaldata sopra la sua temperatura critica e pressurizzata sopra la sua pressione critica. A questo punto, il fluido presenta una combinazione unica di proprietà: ha una densità simile a quella di un liquido, ma la sua viscosità e la tensione superficiale sono più vicine a quella di un gas.

Acqua supercritica (SCW) – raggiunta sopra 374 °C e 22.1 MPa – possiede una densità circa un terzo di quella dell'acqua liquida ma la diffusione dieci volte superiore. Questa combinazione permette di penetrare microfratture in roccia che resisterebbero all'acqua liquida e di portare il calore via con una maggiore efficienza.

Analogamente, l'anidride carbonica supercritica (sCO2) – che diventa supercritica al di sopra dei 31 °C e dei 7.4 MPa – sta guadagnando attenzione come fluido di lavoro per l'estrazione del calore e la generazione di energia. La sua pressione critica inferiore rende più facile da gestire, e il suo comportamento chimico permette di ridurre la scalatura minerale e la corrosione in molti ambienti geotermici.

Il vantaggio fondamentale dell'utilizzo di fluidi supercritici in EGS è la capacità di trasportare grandi quantità di energia termica con volumi relativamente piccoli di fluido, grazie all'elevata capacità termica specifica di fasi supercritiche e alla loro capacità di rimanere in una singola fase attraverso una vasta gamma di pressioni e temperature, evitando le perdite di efficienza associate al cambiamento di fase.

Vantaggi dei fluidi supercritici nei sistemi geotermici avanzati

L'integrazione dei fluidi supercritici nel design EGS sposta notevolmente la busta di prestazione, i seguenti sottosezioni, in particolare i benefici principali.

Estrazione di calore migliorata da Deeper, Hotter Rock

Le risorse idrotermali convenzionali sono limitate a temperature intorno ai 300 °C e profondità tipicamente inferiori a 3 km. L'acqua supercritica, tuttavia, può accedere a formazioni dove temperature superiori a 400 °C a profondità di 5 km o più. In queste condizioni, la densità di energia termica della roccia è molto più alta, e il tasso di estrazione del calore per pozzo può essere più volte maggiore.

Fluid Mobility e Reservoir Flow migliorati

Una delle sfide più grandi dell'EGS è il mantenimento di un flusso fluido adeguato attraverso la roccia fratturata.

  • Viscosità inferiore:[] Il CO2 supercritico nelle condizioni tipiche dell'EGS ha una viscosità di circa 10 volte inferiore all'acqua liquida, permettendo di scorrere più facilmente attraverso fratture strette e roccia porosa, aumentando l'effettiva permeabilità del serbatoio.
  • Tensione superficiale ridotta:[ Con una tensione superficiale trascurabile, i fluidi supercritici possono penetrare microfratture che bloccano l'acqua liquida a causa delle forze capillari.

Queste caratteristiche di flusso indicano che i fluidi supercritici possono circolare attraverso il serbatoio con meno potenza di pompaggio, riducendo le perdite di energia parassita e migliorando l'uscita di potenza netta del sistema.

Efficienza termodinamica più elevata per la generazione di energia

In una centrale geotermica, l'efficienza di convertire il calore in elettricità è fondamentalmente limitata dalla differenza di temperatura tra la sorgente di calore (il fluido geotermico) e il lavandino freddo (condizioniambient). I fluidi supercritici permettono al sistema di operare a temperature di sorgente più elevate, aumentando direttamente l'efficienza del carnot. Inoltre, i fluidi di lavoro supercritici nel ciclo di potenza stesso – come sCO2 in un ciclo di Brayton a ciclo chiuso-loop – possono raggiungere il ciclo termico

Proprietà chimiche favorevoli

La CO2 supercritica ha vantaggi chimici aggiuntivi in alcune ambientazioni geologiche. È relativamente inerte e non dissolve i minerali come acqua subcritica, che può contribuire a ridurre la scagliatura e la fouling nei pozzi di produzione e nelle apparecchiature superficiali. Inoltre, sCO2 può essere utilizzato come fluido di lavoro che serve anche come mezzo per la sequestrazione del carbonio – un concetto noto come CO2-plume geotermal (CPG).

Sfide e considerazioni

Nonostante i vantaggi convincenti, l'impiego di fluidi supercritici in EGS presenta notevoli ostacoli tecnici ed economici che devono essere superati prima che l'adozione commerciale sia fattibile.

Mantenere le condizioni di alta pressione e alta temperatura

Per l'acqua supercritica, le pressioni devono rimanere superiori a 22.1 MPa (circa 220 volte pressione atmosferica) e temperature superiori a 374 °C. Questo pone esigenze estreme su ben involucri, confezionatrici, tubazioni e tubazioni superficiali. Le perdite o gocce di pressione che causano il fluido di tornare a uno stato idraulico subcristanale possono ridurre notevolmente l'efficienza del trasferimento di calore e la tubazione superficiale.

Corrosione e degradazione dei materiali

L'acqua supercritica è un mezzo altamente corrosivo, soprattutto quando contiene gas disciolti come ossigeno, anidride carbonica, o solfuro di idrogeno. Ad alte temperature, i tassi di corrosione possono accelerare drammaticamente, portando a pitting, corrosione di sforzo cracking, e eventuale fallimento dei componenti.

Precipitazione di scala e minerale

Come fluidi supercritici circolano attraverso formazioni rocciose calde, possono dissolvere minerali dalla matrice del serbatoio. Quando il liquido si raffredda vicino alla produzione bene, la temperatura e le variazioni di pressione possono causare minerali a precipitare, portando a scala accumulo che blocca pori e fratture.

Trapano e Ben Costruzione a Estremi Profondi

Per raggiungere le temperature necessarie per condizioni supercritiche, i pozzi devono essere spesso perforati a profondità di 5-10 km. La perforazione profonda nella roccia calda dura è costosa e tecnicamente impegnativa. Le alte temperature degradano i fluidi di perforazione e la strumentazione del buco, mentre le alte pressioni richiedono robusti antiurto e modelli di involucro. Il costo di un singolo pozzo EGS profondo può superare $10 milioni, e il rischio di guasto elettronico è significativo.

Preoccupazioni ambientali e sismiche

Le operazioni EGS – con o senza fluidi supercritici – comportano l'iniezione di fluidi ad alta pressione in formazioni di roccia profonde, che possono indurre eventi sismici minori. Mentre i terremoti indotti sono troppo piccoli da provare, ci sono stati casi in cui gli eventi più grandi hanno sollevato preoccupazione pubblica. L'uso di fluidi supercritici potrebbe ridurre la sismicità indotta perché la loro minore viscosità consente di migrare attraverso reti esistenti richiedono molto più alte

Progetti di ricerca e di pilota

Diversi progetti di ricerca in tutto il mondo stanno attivamente esplorando l'implementazione pratica dei fluidi supercritici in EGS. Questi progetti forniscono dati preziosi sul comportamento del mondo reale e aiutano a convalidare i modelli.

Il progetto Desdemona, Giappone

In Giappone, il progetto Desdemona ha indagato l'uso di acqua supercritica per la generazione di energia geotermica esercitando le rocce vulcaniche calde della regione di Kyushu. I ricercatori hanno dimostrato che le condizioni supercritiche possono essere raggiunte a profondità di circa 4 km in campi geotermici ad alta entalpia. Il progetto ha fornito spunti critici nel comportamento di corrosione dei materiali ben e le caratteristiche di flusso di acqua supercritica in granito fratturato.

Progetto di perforazione profonda Islanda (IDDP)

Nel 2009, la perforazione al vulcano Krafla ha incontrato magma ad una profondità di appena 2,1 km – molto più poco probabile del previsto. Anche nei pozzi che non colpiscono magma, il progetto ha documentato le condizioni che raggiungono 450 °C e 45 MPa. I fluidi della testa sono spesso supercritici, e i ricercatori hanno generato con successo l'elettricità da questo alto-enthalpy vapore terra.

Supercritical CO2 al Los Alamos National Laboratory

Al laboratorio nazionale []Los Alamos[[]]] nel Nuovo Messico, i ricercatori hanno sviluppato un loop sCO2 su piccola scala per simulare l'estrazione del calore geotermica.

Progetto GEISER dell’Unione europea

GEISER (Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity) ha combinato test sul campo nei siti EGS in tutta Europa con esperimenti di laboratorio sul comportamento dei fluidi supercritici. Il progetto ha contribuito a comprendere come CO2 supercritical e l'acqua interagiscono con diversi tipi di roccia, e come gestire la microseicità attraverso strategie di ciclo di pressione e iniezione.

Prospettive future: Pathways to Commercialization

L'integrazione dei fluidi supercritici in EGS è ancora in fase pre-commerciale, ma i progressi in diverse aree indicano che la commercializzazione potrebbe diventare fattibile entro il prossimo decennio.

Sistemi ibridi con energia solare concentrata

Un approccio promettente è quello di combinare geotermico supercritico con energia solare concentrata (CSP). In un sistema ibrido, il fluido geotermico è preriscaldato dai collettori solari termici prima di essere iniettato nel serbatoio, aumentando la temperatura del liquido prodotto. Questo può contribuire a raggiungere condizioni supercritiche a profondità di scarico e ridurre la necessità di perforazione estremamente profonda. Il calore immagazzinato nel serbatoio geotermico fornisce anche energia dispandibile, compensando per la necessità di perforazione.

Avanzamenti in Scienze dei Materiali e Produzione Additiva

Nuovi materiali progettati specificamente per le condizioni supercritiche stanno emergendo. I compositi a matrice ceramica, leghe refrattarie e i rivestimenti nanostrutturati offrono una migliore resistenza alla corrosione e al ciclismo termico. La produzione aggiuntiva (3D) permette la creazione di geometrie complesse dello scambiatore di calore che possono sopportare alta pressione, massimizzando l'area superficiale.

Carbon-Negative Geothermal Energy

Se la CO2 viene catturata da fonti industriali e poi utilizzata in un sistema CPG, una parte di quella CO2 sarà mineralizzata o immagazzinata permanentemente nel serbatoio. L'energia prodotta può quindi essere utilizzata per alimentare il processo di cattura e fornire elettricità netta-zero o negativa. Le politiche governative che supportano la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) potrebbero fornire incentivi economici convenzionali.

Standardizzazione e Finanziamento a Leveered

Poiché più progetti pilota dimostrano il successo tecnico, è possibile sviluppare standard di settore per i componenti EGS supercritici. La standardizzazione riduce i costi di produzione e rende più facile il finanziamento del progetto. I prodotti assicurativi per i rischi di perforazione profonda e gli accordi di acquisto di energia con prezzi garantiti potrebbero accelerare il dispiegamento.

Conclusioni

I fluidi supercritici hanno la chiave per sbloccare una rete di risorse geotermiche molto più elevata che accessibile alle tecnologie convenzionali. Il loro trasferimento termico superiore, la mobilità fluida e l'efficienza termodinamica promettono di rendere i sistemi geotermici più produttivi ed economicamente competitivi.