Geotermia ed EGS: la sismicità indotta dalle operazioni geotermiche

Introduzione 

Da qualche anno la produzione di energia elettrica attraverso la coltivazione della risorsa geotermica ruota intorno ai cosiddetti EGS (Enhanced Gethermal System), sistemi geotermici nei quali l’intervento tecnologico mira ad incrementare il rendimento delle centrali geotermiche nella produzione di energia elettrica.

Pochi giorni fa, il 26 giugno 2021 alle ore 03:00 (UTC) un evento sismico di ML 3.9  (https://renass.unistra.fr/fr/evenements/fr2021gthfmw/ ) ha colpito l’area circa 10 km a nord di Strasburgo, in prossimità di un campo geotermico di tipo EGS, nel quale già nel dicembre del 2020 si era verificato un terremoto di magnitudo M=3.3. In quella occasione la prefettura del Basso Reno aveva sospeso tutte le attività del campo  (https://www.francebleu.fr/infos/societe/geothermie-profonde-tous-les-projets-sont-a-l-arret-declare-la-prefete-du-bas-rhin-1607534951) dopo aver riscontrato delle deviazioni importanti fra le attività pianificate e quelle realmente effettuate ed il sospetto di una relazione diretta tra attività di iniezione di fluidi nel sottosuolo e sismicità (https://www.thinkgeoenergy.com/developer-addresses-seismicity-concerns-related-to-alsace-geothermal-project/).

Questo evento ha avuto vasta eco anche sui media italiani e ha fatto riemergere  discussioni sull’opportunità e sostenibilità della coltivazione della risorsa geotermica in un contesto in cui il concetto di transizione ecologica trova, per fortuna, sempre più spazio nella discussione sociale e politica.

La ricerca e l’energia geotermica

Il cammino verso la ricerca e l’utilizzo sostenibile di forme di energia alternative agli idrocarburi è da sempre arduo e costellato di campi sottratti alla coltura di prodotti agroalimentari d’eccellenza in favore di distese luccicanti di pannelli solari, o da gigantesche pale eoliche che segnano il profilo delle colline di gran parte del nostro territorio. In questo percorso che la scienza e la società stanno facendo, la geotermia ha assunto un ruolo determinante. La geotermia infatti rappresenta una fonte di energia rinnovabile che può essere trovata in abbondanza, anche se solo una piccola parte dell’energia geotermica viene convertita in energia elettrica. Ciò nonostante, la capacità di produzione negli ultimi decenni è cresciuta notevolmente tramite l’installazione di nuove e più performanti centrali geotermiche. In Italia la produzione di energia elettrica è concentrata principalmente in Toscana e soddisfa oltre il 30% del totale della domanda di energia elettrica a livello regionale (oltre 700 MegaWatt (MW)) e rappresenta circa l’1,8% della produzione totale nazionale (https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2021/Apr/IRENA_RE_Capacity_Statistics_2021.pdf; https://download.terna.it/terna/0000/1089/73.PDF). 

L’energia geotermica sfrutta il calore naturale del nostro pianeta e il suo gradiente geotermico, che nei primi chilometri della crosta terrestre è in media di circa 3°C ogni 100 m di profondità, generato dal calore primordiale di formazione della Terra e dal decadimento degli isotopi radioattivi dei quali sono ricche alcune rocce metamorfiche e ignee. Dove la crosta è più sottile (ad esempio nelle aree vulcaniche o nelle aree di assottigliamento crostale) il gradiente geotermico cresce fino a 10°/100 m ed è possibile sfruttare il calore anche a basse profondità (100-1000 m). 

Laddove il gradiente geotermico è elevato, ma non è presente naturalmente una circolazione idrotermale adeguata alla produzione di corrente elettrica, ricorrono in aiuto alcune tecniche capaci di aumentare la permeabilità delle rocce cristalline (Hot Dry Rocks). In questo caso i campi geotermici vengono comunemente indicati con l’acronimo EGS (Enhanced Geothermal System). Caratteristica degli EGS è la presenza di pozzi capaci di iniettare ad alta pressione fluidi nel sottosuolo a profondità di diversi chilometri (> 3 km), in grado di creare un network di fratture e quindi di generare un serbatoio geotermico artificiale.

La generazione di nuove fratture coincide con la genesi di eventi sismici che in questi casi vengono definiti di natura antropica o più genericamente terremoti indotti. La dimensione delle fratture può dipendere dalla pressione e dal flow-rate di iniezione, dalle caratteristiche idro-meccaniche delle rocce e dal campo di stress, ma è solitamente nell’ordine di pochi centimetri/decimetri e l’energia (e quindi la magnitudo) degli eventi sismici associati al processo di fratturazione è molto piccola (M < 2). Se i fluidi iniettati invece incontrano faglie preesistenti si può assistere ad una riduzione della coesione della faglie stesse, e si possono innescare terremoti anche di maggiore energia, al di sopra della soglia di avvertibilità umana.

Gli EGS (Enhanced Geothermal Systems) e l’idrofratturazione

A partire dal 1975, anno del primo esperimento di idrofratturazione condotto a Los Alamos (Laughlin et al., 1977), è emersa la correlazione fra l’iniezione di grandi volumi di fluidi ad alti flow-rates e il rilascio di eventi sismici. 

Questa tecnologia è stata applicata anche in alcune zone del campo geotermico di The Geysers, situato in California settentrionale che si può ritenere il più grande al mondo con una produzione di alcuni GWh, commensurabile a quella di una centrale nucleare di medie dimensioni. La bassa vulnerabilità ed esposizione dell’area (la distanza da aree urbanizzate) ha però permesso nel tempo di continuare a coltivare la risorsa geotermica anche in occasione di eventi con magnitudo M>4, e ha consentito anche di studiare a fondo la relazione tra sismicità indotta e operazioni di iniezione. 

La correlazione tra sismicità e iniezione di fluidi è stata osservata anche in EGS europei come quello di Soultz-sous-Forets nel graben del Reno, a circa 40 km a nord di Strasburgo dove una centrale da 1.5 MW è attualmente in funzione e dove un notevole numero di eventi sismici sono stati registrati (max magnitudo ML 2.9). Anche in questo caso il monitoraggio sismico ha contribuito alla comprensione della risposta sismica alla stimolazione idraulica del reservoir e alla rimodulazione del programma di iniezione. 

Fra gli altri casi di EGS europei vale la pena ricordare il caso di Basilea dove nel 2006 i test di iniezione hanno raggiunto pressioni di 74 MPa. La sismicità innescata durante le fasi di test ha raggiunto ML 2.6 provocando preoccupazione nella popolazione di Basilea e la sospensione immediata del test di iniezione. Nelle ore successive allo stop la sismicità ha raggiunto M 3.4. 

Per una trattazione più completa degli EGS europei e sulla sismicità indotta da iniezione di fluidi, si rimanda il lettore all’articolo di K.F. Evans (2012).

L’evento sismico più energetico fino ad ora attribuito all’iniezione ad alta pressione di fluidi in un campo EGS è avvenuto nei pressi di Pohang in Corea del Sud nel 2017, dove un evento di magnitudo Mw 5.5 ha causato danneggiamenti diffusi e il ferimento di circa 70 persone (Grigoli et al., 2018).

L’energia geotermia in Italia

L’Italia ha il primato storico di aver saputo cogliere l’opportunità di utilizzare l’energia geotermica grazie al suo assetto geologico e geodinamico. L’assottigliamento crostale con la risalita delle isoterme, l’elevato flusso di calore e il vulcanismo recente, hanno infatti contribuito ad elevare la potenzialità geotermica del margine tirrenico dell’Appennino. 

Nella prima metà del 1900 in Toscana centro occidentale, nell’area di Larderello (PI), furono costruiti i primi impianti di produzione di energia elettrica, sfruttando importanti, diffuse e naturali emissioni superficiali di fluidi geotermici. In seguito la produzione è aumentata interessando fra le altre anche l’area del M. Amiata. 

I campi geotermici di Larderello e Amiata sono considerati campi geotermici “convenzionali” (quindi non EGS), poiché sfruttano la circolazione idrotermale naturalmente presente nelle rocce serbatoio senza la necessità di effettuare idrofratturazione, che in Italia non è autorizzata. 

Data la mancanza di dati industriali non è possibile in queste aree separare il contributo tra la sismicità naturale e quella indotta dalle operazioni di produzione, ma l’energia sismica rilasciata di norma rimane ben al di sotto della soglia del danno.

Per gli approfondimenti sui casi di sismicità indotta avvenuti in Italia si può fare riferimento al rapporto redatto dall’ISPRA (https://unmig.mise.gov.it/images/docs/rapporto-ISPRA.pdf).

Negli ultimi 10 anni la comunità scientifica ha effettuato numerosi esperimenti per comprendere più a fondo la connessione tra la sismicità e l’iniezione di fluidi ad alta pressione in rocce cristalline, sia alla scala del laboratorio che a scala intermedia. 

Fra questi vanno ricordati l’esperimento di Grimsel (http://www.sccer-soe.ch/en/research/pilots-demos/grimsel/)  e il più recente esperimento di Bedretto (http://www.bedrettolab.ethz.ch/activities/brp/) che ambisce a replicare a più grande scala il precedente, riproducendo dimensioni e situazioni geologiche reali. Obiettivi di questi esperimenti sono il miglioramento della comprensione della sismogenesi in relazione al ruolo dei fluidi (creep, terremoti lenti,…) e l’ottimizzazione delle pratiche di stimolazione tipiche degli EGS per creare sistemi geotermici efficienti in termini di reticolo di fratture, senza originare sismicità inattesa e incontrollata.

A cura di Davide Piccinini (INGV-Pisa), che aggiunge: “La redazione di questo articolo ha beneficiato di un lungo e proficuo confronto scientifico con alcuni colleghi fra i quali Luigi Improta, che ringrazio”.

Bibliografia essenziale

Carella, G. Verdiani, C.G. Palmerini, G.C. Stefani, Geothermal activity in Italy: Present status and future prospects, Geothermics, Volume 14, Issues 2–3, 1985, Pages 247-254, ISSN 0375-6505, https://doi.org/10.1016/0375-6505(85)90065-3. 

Evans K. F., Zappone A., Kraft T., Deichmann N., Moia F., 2012. A survey of the induced seismic responses to fluid injection in geothermal and CO2 reservoirs in Europe. Geothermics 41, 30– 54

Grigoli F., S. Cesca, A. P. Rinaldi, A. Manconi, J. A. Lopez-Comino, J. F. Clinton, R. Westaway, C. Cauzzi, T. Dahm, S. Wiemer (2018) The November 2017 Mw 5.5 Pohang earthquake: A possible case of induced seismicity in South Korea. https://science.sciencemag.org/content/360/6392/1003 

Laughlin A. W., R. A. Pettitt, F. G. West, A. C. Eddy, J. P. Balagna, R. W. Charles; Status of the Los Alamos experiment to extract geothermal energy from hot dry rock. Geology 1977; 5 (4): 237–240. doi: https://doi.org/10.1130/0091-7613(1977)5<237:SOTLAE>2.0.CO;2

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