Analisi fluidodinamica e geomeccanica per la simulazione di un sistema energetico integrato tra Carbon Capture and Storage (CCS) e Geotermia a bassa entalpia nel sottosuolo della Regione Puglia

Abstract

La ricerca svolta nel corso di dottorato ha riguardato la definizione delle potenzialità delle strutture geologiche del sottosuolo della Regione Puglia per l’applicazione di un sistema energetico integrato tra CCS (Carbon Capture and Storage) e Geotermia a bassa entalpia. Il punto di partenza è stato l’analisi numerica per la simulazione del fronte di CO2 all’interno di una formazione geologica che ha le caratteristiche di un acquifero salino profondo. In particolare si è simulato il campo di pressioni associato all’iniezione di CO2 per comprendere sia le deformazioni indotte all’interno dello stesso acquifero che sul caprock di copertura e valutare l’azione del carico applicato, in termini di sovrappressioni interstiziali all’interno del caprock e/o di acquiferi secondari porosi saturi sovrapposti. Il modello di distribuzione della pressione di poro insieme al modello di simulazione del campo di pressioni nell’acquifero sottostante ci ha permesso di quantificare in base alle diverse caratteristiche idrogeologiche del caprock, la portata di una potenziale opera di captazione che vada a drenare i fluidi in sovrappressione all’interno dello stesso caprock o in formazioni geologiche limitrofe all’acquifero-serbatoio ma non in continuità idrogeologica con quest’ultimo. Una volta definito il modello matematico più idoneo a simulare le condizioni di dominio reali si è valutata le potenzialità del sottosuolo pugliese all’applicazione di questo tipo di sistema energetico che utilizza l’immagazzinamento della CO2 in pressione come input per la risalita di fluidi geotermici, conseguendo in questo modo una doppia finalità ambientale. Certamente lo studio non è esaustivo, non dimostra che l’applicazione di questa tecnologia sia priva del tutto di rischi sismici e idrogeologici, ma può essere un buon inizio per un ulteriore approfondimento supportato da nuove tecniche di analisi e elaborazione dei dati in conseguenza dei modello di simulazione fluidodinamico e geomeccanico applicato. Per riassumere il lavoro di tesi può essere suddiviso in tre fasi principali: 1) Elaborazione di un modello fluidodinamico del flusso di CO2 come input per un modello geomeccanico disaccoppiato e confronto con il software agli elementi finiti TOUGH2 nello specifico con il modulo T2Well_ECO2N del Lawrence Berkeley National Laboratory dell’Università della California; 2) Elaborazione di un modello geomeccanico di distribuzione delle deformazioni elastico-lineari sul comportamento del terreno sia dal punto di vista micro – meccanicistico che sulla base della più generale teoria della consolidazione dei terreni, per giungere all’applicazione di un modello di distribuzione delle sovrappressioni interstiziali nel caprock di copertura; 3) Individuazione delle formazioni geologiche potenzialmente idonee alla cattura e allo sviluppo di un sistema energetico integrato con elaborazione di modelli 2D e 3D per la definizione della risorsa geotermica. La metodologia utilizzata ha visto l’implementazione dei modelli fluidodinamici suddetti in fogli di calcolo che hanno permesso il rapido riscontro con diversi algoritmi e con modelli di simulazione agli elementi finiti quali lo specifico software TOUGH2 e il più generico COMSOL Multiphysics v.3.5. Il modello fluidodinamico definitivo così testato, è stato poi utilizzato come input per il modello geomeccanico, pervenendo in ultima analisi alla simulazione della portata di un’opera di captazione sia a sviluppo orizzontale che verticale a seconda delle caratteristiche stratigrafico – strutturali e idrogeologiche delle formazioni. La caratterizzazione idrogeologica e geotermica è stata sviluppata attraverso l’analisi dei dati di perforazione eseguiti per la ricerca di idrocarburi nel quarantennio 1960-1990 e reperibili sul portale del Ministero dello Sviluppo Economico (Progetto VIDEPI). L’interpretazione dei dati disponibili al pubblico ha permesso di elaborare con l’ausilio di strumenti GIS una serie di sezioni geologiche 2D e 3D, elaborate nello specifico con il software ArcGIS v.10 della ESRI e con le applicazioni ad hoc “Xacto Cross Section e 3D Borehole” sviluppate dal Servizio geologico dell’Illinois (USA). L’elaborazione in GIS di un modello geologico tridimensionale ha permesso di interpretare al meglio le correlazioni tra le diverse formazioni geologiche, ottenendo una visione d’insieme di tutte le componenti necessarie al funzionamento di questo complesso sistema energetico. L’aspetto più rilevante dell’attività di ricerca è stato quello di aver individuato, nelle potenzialità del sottosuolo regionale, le condizioni geologiche strutturali idonee a dar vita a un sistema energetico che integra CCS e geotermia. Si sfrutta, l’iniezione di CO2 in acquiferi salini profondi per generare un campo di pressioni che facilita la risalita dei fluidi geotermici. La captazione di questi fluidi favorisce il dissiparsi delle sovrapressioni e, nello stesso tempo, il cedimento di consolidazione primaria delle formazioni sovrastanti l’acquifero soggetto allo spostamento elastico verticale. Si preserva in questo modo l’equilibrio del sistema e si mostra come la CCS possa avere una doppia finalità: da una parte ridurre le emissioni di CO2 in atmosfera, e dall’altra fornire un contributo energetico con lo sfruttamento di una fonte di energia rinnovabile. Sotto questo aspetto molti progetti di cattura e sequestro della CO2 che oggi stentano a decollare, risulterebbero molto più appetibili in un’economia incentrata sulla minimizzazione del rapporto costi-benefici. La cattura e lo stoccaggio della CO2, di per sé processi dispendiosi, associati a scopi geotermici possono costituire, in condizioni geologiche favorevoli, un’ottima occasione di sviluppo in presenza di alti livelli di emissioni in atmosfera per paesi (come quelli occidentali) impossibilitati nell’immediato a cambiare radicalmente il loro modello economico e che intendono avviarsi verso un nuovo scenario di sviluppo eco-compatibile. Essi potrebbero addirittura sfruttare in direzione inversa, quegli stessi processi produttivi (poli siderurgici, cementifici, raffinerie, centrali termoelettriche, etc…) che per anni hanno prodotto impatti ambientali decisi e oramai apparentemente insormontabili.