Rendere l'energia geotermica più sicura con le simulazioni

La geotermia profonda deve contribuire all'espansione delle energie rinnovabili in Svizzera. ? quanto prevede la Strategia energetica 2050. Tuttavia, mentre l'energia geotermica è relativamente facile da utilizzare, ad esempio, sull'isola islandese, molto attiva dal punto di vista vulcanico, è spesso molto più difficile e rischiosa sui continenti.

In Svizzera è necessario trivellare a quattro o cinque chilometri di profondità per raggiungere regioni della crosta terrestre sufficientemente calde per riscaldare l'acqua ai 160-180 gradi Celsius richiesti. L'acqua pompata attraverso un foro di trivellazione scorre nella roccia calda prima di essere pompata di nuovo verso l'alto. Un problema, tuttavia, è che la roccia a queste profondità non è molto permeabile. "Abbiamo bisogno di una permeabilità di almeno 10 millidarcy, ma a una profondità di quattro o cinque chilometri di solito troviamo solo un millesimo di questo valore", spiega Thomas Driesner, professore dell'Istituto di geochimica e petrologia dell'ETH di Zurigo.

Per rendere la roccia più permeabile, l'acqua viene pompata nel sottosuolo sotto pressione. L'acqua agisce contro l'attrito, le superfici delle fratture si spostano l'una contro l'altra e le tensioni vengono rilasciate. Questa stimolazione idraulica fa sì che le fratture si allarghino e diventino più permeabili, permettendo all'acqua di circolare nella crosta calda. Le fratture nella crosta terrestre hanno origine da tensioni tettoniche, in Svizzera causate dallo spostamento della placca adriatica verso nord e dalla pressione della placca eurasiatica.

L'iniezione di acqua provoca terremoti

Lo svantaggio della stimolazione idraulica è che i movimenti risultanti causano vibrazioni. Queste dovrebbero essere così deboli che le persone non le notano, o almeno le notano appena. Purtroppo, questo non è stato il caso dei progetti geotermici di San Gallo nel 2013 e di Basilea nel 2016. In entrambe le città si sono verificati terremoti di magnitudo superiore a 3. A Basilea, i residenti non solo hanno sentito un forte boato, ma hanno anche avvertito le scosse.

"In precedenza, nel pozzo di Basilea sono stati pompati complessivamente circa 11.000 metri cubi d'acqua, con conseguente aumento della pressione", spiega Driesner. Sulla base di indagini statistiche, sono stati definiti due valori limite per la forza massima consentita dei terremoti generati - magnitudo 2,4 e 2,9 - e la fornitura di acqua è stata rabboccata per tempo. Tuttavia, i terremoti più forti si sono verificati con un certo ritardo. Di conseguenza, l'energia geotermica ha perso consensi in Svizzera.

Dopo le trivellazioni di Basilea e San Gallo, è diventato chiaro che l'idea di fermarsi a un certo valore soglia non è sufficiente. Il Servizio Sismico Svizzero (SED) ha quindi cercato di trovare un'alternativa: Un cosiddetto "Sistema semaforico avanzato", basato sulla fisica della roccia, dovrebbe essere in grado di prevedere quasi in tempo reale, durante una stimolazione idraulica, se è lecito attendersi terremoti degni di nota più avanti. Il SED ha quindi iniziato a sviluppare un software che analizza la reazione del sottosuolo durante la stimolazione idraulica.

? apparso subito chiaro che ciò avrebbe richiesto un software ottimizzato e supercalcolatori ad alte prestazioni. Il progetto "FASTER" (Forecasting and Assesing Seismicity and Thermal Evolution in geothermal Reservoirs) è stato quindi lanciato tramite la PASC, la Platform for Advanced Scientific Computing, e Driesner è il leader del progetto. Al progetto collaborano ricercatori del SED, dell'ETH di Zurigo e dell'Università della Svizzera italiana USI, nonché ingegneri informatici del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS), che fa parte dell'ETH di Zurigo.

La simulazione esplora il sottosuolo

Nella fase iniziale della stimolazione idraulica, le quantità di acqua sono ridotte e le vibrazioni sono quindi minime. I geofoni, che misurano le vibrazioni del terreno, indicano dove e a quale distanza si verificano intorno al foro. Questi segnali contengono già informazioni sufficienti per le simulazioni su un supercomputer per stimare la probabilità di terremoti degni di nota nel prosieguo.

FASTER ha l'obiettivo di fornire i dati in tempo reale al supercomputer del CSCS "Piz Daint", il quale analizza milioni di scenari possibili: il numero di fratture possibili, il loro aspetto e il loro andamento, la quantità di attrito e di stress. "Di questi, il 99,99% sono completamente irrealistici, ma non sappiamo quali", dice Driesner. In brevissimo tempo, "Piz Daint" analizza quale scenario rispecchia meglio il sottosuolo. In base a ciò, la situazione può essere valutata in pochi minuti e si può decidere come procedere, spiega Driesner.

Un problema al momento è che ai ricercatori manca ancora un'opportunità reale per testare il loro sistema, poiché è importante eliminare le misurazioni errate e rispettare un formato di dati specifico prima di eseguire i calcoli sul supercomputer, sottolinea Driesner. L'anno scorso, i ricercatori islandesi hanno avuto l'opportunità di testare la comunicazione tra il dispositivo di misurazione e il computer, ma si è verificata solo una scarsa attività sismica. I ricercatori sperano ora di poter testare il loro strumento alla fine dell'estate nel Laboratorio Bedretto può essere testata.

In questo laboratorio geotermico sotterraneo, si prevede di stimolare idraulicamente un volume di roccia tra due fori di trivellazione distanti un centinaio di metri l'uno dall'altro, a una profondità di circa 1200 metri. L'obiettivo degli esperimenti è quello di verificare se la stimolazione controllata può creare una permeabilità sufficiente e allo stesso tempo mantenere sotto controllo la forza dei terremoti indotti. "C'è una correlazione abbastanza chiara: più acqua pompiamo nel sottosuolo, più forte è il terremoto", dice Driesner. "L'importante è quantificare come immettere acqua a sufficienza per essere al sicuro, ma allo stesso tempo aumentare la permeabilità della roccia".

Cresce l'accettazione dell'energia geotermica

I ricercatori ritengono che lo strumento sviluppato possa rendere più sicura l'energia geotermica. Potrebbe anche essere utile in tutti i casi in cui si possono verificare terremoti indotti artificialmente, ad esempio nelle miniere sotterranee o nella produzione di CO₂-nel sottosuolo. I ricercatori sperano inoltre di utilizzare le conoscenze acquisite per stabilire le migliori pratiche per la tecnologia geotermica, al fine di pianificare e realizzare con successo gli impianti geotermici.

Affinché tutto ciò abbia successo e la geotermia profonda diventi installabile di routine - come inizialmente previsto dalla Strategia energetica 2050 - Driesner ritiene che siano necessari anche impianti pilota per sostenere la ricerca fondamentale orientata all'applicazione.