In Toscana, l’energia elettrica prodotta attraverso la coltivazione dei fluidi geotermici , rappresenta una quota importante del fabbisogno elettrico della Regione andando a coprire circa il 26% del fabbisogno totale regionale. D’altra parte l’Italia è stata la prima, nel 1904 a Larderello, a sfruttare la geotermia per produrre energia elettrica.
ARPAT, riguardo alla geotermia svolge varie tipologie di attività:
a) controllo delle emissioni delle centrali geotermoelettriche;
b) monitoraggio della qualità dell’aria delle aree geotermiche (vedi ARPATnews 109-13)
c) monitoraggio delle acque sotterranee del Monte Amiata.
Con questo numero di ARPATnews si descrive il funzionamento di una centrale geotermoelettrica (CGTE) e la relativa attività ARPAT di controllo delle emissioni. In due successivi numeri di ARPATnews si tratterà della normativa di riferimento e sui limiti alle emissioni in atmosfera ai quali si fa riferimento nell’attività di controllo e si forniranno i dati relativi agli esiti dei controlli effettuati nel 2012.
In Toscana sono attualmente attive 34 Centrali GTE ENEL, disposte in quattro Aree territoriali (Larderello, Radicondoli, Lago, Piancastagnaio).
Di queste, l’82% sono dotate di impianto di abbattimento AMIS (Abbattitore Mercurio Idrogeno Solforato); in sostanza, su 34 CGTE, solo 6 centrali sono ancora senza AMIS.
Funzionamento di una centrale geotermoelettrica
Al fine di definire il contesto, si riporta di seguito uno schema base di funzionamento di una CGTE.
Una CGTE è alimentata dal fluido geotermico composto da una miscela di vapore d’acqua e di gas incondensabili (in rapporto diverso nelle diverse Aree geotermiche territoriali). Il fluido geotermico è estratto dal serbatoio geotermico insieme all’acqua geotermica e separato da essa tramite un separatore; l’acqua viene direttamente inviata ai pozzi di reiniezione e reimmessa nel serbatoio geotermico, a circa 1000 – 1500 m di profondità.
Il fluido (vapore e gas) arriva in centrale tramite specifici vapordotti, con una portata variabile tra 100 e 400 t/h e a una temperatura compresa fra 180 – 210 °C, che confluiscono in un collettore prima di andare in turbina.
Il fluido è inviato alla turbina dove si espande cedendo energia; l’espansione consente di trasformare il calore del fluido, prima in energia meccanica, poi elettrica mediante un alternatore e immessa in rete per l’utenza tramite un trasformatore.
Il fluido, uscendo dalla turbina è inviato al condensatore a miscela.
Qui, il fluido viene a contatto diretto con acqua fredda, proveniente dalla torre di raffreddamento, con una portata molto maggiore rispetto a quella del fluido. In questo modo avviene un rapido raffreddamento e conseguente condensazione del vapore residuo. Quindi, nel condensatore avremo acqua di condensa del vapore, più l’acqua di raffreddamento della torre; questa miscela di condense, alla temperatura di circa 35-40°C è estratta da una pompa di estrazione e inviata in testa alla torre di raffreddamento. Le portate in gioco in questa fase, sono dell’ordine 3500 m3/h.
Internamente alla torre, la condensa viene spruzzata da appositi ugelli. La condensa, nel ricadere in basso, entra in contatto, in controcorrente, con aria fredda ascendente. Nel caso di torri a tiraggio indotto, il flusso di aria fredda ascendente è generato da ventole di aspirazione di circa 8 m di diametro. Nel caso delle torri a tiraggio naturale, il flusso ascendente di aria è determinato dal fatto che la condensa calda causa un aumento della temperatura e dell’umidità dell’aria all’interno della torre che, così, diminuisce il suo peso specifico e tende a salire verso l’alto, in uscita dalla torre, richiamando altra aria fredda dal basso.
In questo incontro avviene uno scambio termico e di materia tra l’aria fredda che sale e la condensa spruzzata che discende dall’alto.
Il contatto della condensa calda con aria fredda ascendente, determina un passaggio di calore dalla fase liquida a quella gassosa con conseguente raffreddamento della condensa che cade nella vasca di raccolta alla base della torre. Parte di questa viene inviata al condensatore per raffreddare il fluido in uscita dalla turbina; l’eccesso di condensa della vasca di raccolta, è inviata alla reiniezione (mediamente sono reiniettati circa 30 m3/h).
Nel condensatore, tramite un compressore, è mantenuta una pressione inferiore a quella atmosferica (0,08 bar contro la P atm di 0,9 bar) e ciò determina l’estrazione dei gas incondensabili che sono inviati all’AMIS. Il condensatore, quindi, lavora in condizioni di vuoto.
Il gas estratto dal compressore, è composto per la maggior parte da anidride carbonica – CO2 (costituente principale dei gas incondensabili presenti nel vapore in ingresso alla centrale), aria (originata dalla non perfetta tenuta del sistema in condizioni di vuoto del condensatore) e vapor acqueo (per quest’ultimo, la parte che corrisponde all’equilibrio Liquido- vapore alle condizioni di pressione e temperatura nel condensatore).
Oltre a queste componenti principali, il gas incondensabile contiene anche inquinanti, dei quali i più significativi, sono l’Idrogeno solforato (H2S) e il mercurio (Hg).
Per l’idrogeno solforato in uscita dal compressore, si registrano flussi di massa mediamente dell’ordine di 90 kg/h e, per il mercurio, di circa 1,2 kg/h.
Il gas è inviato al trattamento AMIS che abbatte circa il 97 – 99 % del H2S e il 90 – 95 % del mercurio, presenti entrambi in uscita dal compressore.
Poiché il gas in uscita dal compressore ha una temperatura di circa 200°C e una pressione di 1 bar, deve essere prima raffreddato e ciò avviene nella colonna definita C1 riempita con un refrigerante-gas; in uscita dalla colonna C1, la temperatura del Gas è di circa 30°C, ha una pressione leggermente inferiore a quella atmosferica. A questo punto, il gas è inviato al trattamento.
In una prima fase è rimosso il mercurio tramite letti di sorbenti specifici (letti al selenio o filtri di carbone attivo impregnato di zolfo). Successivamente è rimosso l’H2S mediante ossidazione catalitica, che ossida l’acido solfidrico ad anidride solforosa (SO2) che, a sua volta, è assorbita quasi totalmente nella sezione di impianto dell’AMIS chiamato Colonna C2, costituita da una colonna a riempimento di lavaggio in cui il gas entra in contatto in controcorrente con condensa geotermica che estrae i componenti acidi, in particolare il biossido di zolfo (SO2); la condensa di lavaggio raccolta in fondo alla colonna C2, è unita a quella raccolta sul fondo della colonna C1 e inviate al condensatore. L’assorbimento di SO2 determina una acidificazione delle condense circolanti in centrale favorendo così la ripartizione dell’H2S, nel condensatore, verso la frazione di gas incondensabili.
In uscita dall’AMIS, si registrano flussi di massa di circa 0,2 kg/h per l’H2S e di 0,7 g/h di Mercurio.
Il gas trattato, in uscita dall’AMIS, è inviato alla torre di raffreddamento e disperso con l’aeriforme.
Attività di verifica e di controllo ARPAT
Mediamente, un controllo completo di ARPAT ad una centrale CGTE ha una durata di 2 – 3 gg e sono prelevati, in totale, per le previste determinazioni analitiche, circa 40 campioni, liquidi e gassosi.
Sono inoltre effettuate circa 130 misure fisiche nei diversi settori impiantistici (temperatura, pressione dei condotti, flussi, velocità del fluido, pressione differenziale del fluido).
Un controllo completo di una centrale, prevede prelievi e misure nelle seguenti sezioni d’impianto:
Il collettore costituisce il punto di ingresso in centrale del fluido proveniente dai pozzi di produzione tramite specifici vapordotti. In questa sezione di impianto, ARPAT effettua prelievi per la determinazione della composizione gas, acido solfidrico e ammoniaca; non sono effettuate misure di portata. All’interno del condotto la temperatura si aggira intorno ai 200 °C con pressione di circa 18 atmosfere. Date le caratteristiche della matrice da campionare (alta temperatura e pressione), viene impiegato un apposito sistema di raffreddamento per poter gestire il gas e la condensa che si sviluppa, che vengono così campionati separatamente.
In questo tratto dell’impianto viene campionato il gas incondensabile per la determinazione di mercurio, arsenico, composizione gas ed ammoniaca. Vengono inoltre effettuate le misure fisiche di portata per la determinazione del flusso di massa.
All’uscita della colonna C2 dell’impianto AMIS, vengono ricercati gli stessi parametri e rilevate le stesse misure del tratto precedente.
Il campionamento dell’aereiforme in uscita dalla torre di raffreddamento viene effettuato con l’inserimento di una sonda apposita, per la determinazione dei parametri chimici: ammoniaca, idrogeno solforato, arsenico e mercurio. A parte vengono effettuate le misure di portata per la determinazione del flusso di massa associato ad ogni parametro.
Il campionamento e le misure in torre di raffreddamento costituiscono le fasi di maggiore difficoltà nel controllo di una centrale geotermoelettrica. Si hanno infatti concentrazioni degli inquinanti molto basse ed una portata molto elevata. Le basse concentrazioni di inquinanti fanno sì che l’incertezza del campionamento sia particolarmente elevata e minimi errori nel campionamento dell’aeriforme, per il fatto di avere portate elevate, si traducono poi in sovra/sotto stime significative dei risultati finali.
Fino al 2011 un’ulteriore notevole fonte di incertezza era costituita dalle misure di portata. A partire dal 2011 sono state modificate le modalità di campionamento e questo ha permesso di ottenere dati di portata più precisi e ripetibili.
Così come la condensa prelevata al collettore, sono campionate le acque di condensa in ingresso alla torre di raffreddamento, alla vasca di raccolta della torre e in uscita della colonna C2 dell’Impianto AMIS. Sulle acque di condensa sono determinati i seguenti parametri: ammoniaca, idrogeno solforato, arsenico e mercurio.
Per chi vuole approfondire:
