Calcite e Stoccaggio Termico Sotterraneo: Una Danza Pericolosa per i Nostri Acquiferi?

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di affascinante e incredibilmente attuale: lo stoccaggio termico in acquifero ad alta temperatura, o più brevemente HT-ATES (High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage). Immaginate di poter immagazzinare il calore in eccesso, magari prodotto da fonti rinnovabili o da processi industriali, nel sottosuolo, per poi riutilizzarlo quando serve, ad esempio per riscaldare le nostre case in inverno. Fantastico, vero?

Questi sistemi sfruttano la capacità degli acquiferi profondi (le nostre riserve d’acqua sotterranee) di conservare energia termica. Hanno un potenziale enorme: grande capacità di stoccaggio, compatibilità con diverse fonti di energia pulita… insomma, una soluzione promettente per bilanciare le fluttuazioni tra domanda e offerta di energia.

Ma, come spesso accade quando interagiamo con sistemi naturali complessi, c’è un “ma”. E in questo caso, il “ma” si chiama calcite.

Il Grattacapo Geochimico: Quando la Calcite Fa i Capricci

Il cuore del sistema HT-ATES è un ciclo di iniezione ed estrazione di acqua. In estate, preleviamo acqua più fredda da un pozzo (il “pozzo freddo”), la riscaldiamo in superficie (a volte superando i 60°C, ecco perché “alta temperatura”) e la iniettiamo in un altro pozzo (il “pozzo caldo”). In inverno, invertiamo il flusso per recuperare il calore immagazzinato.

Semplice sulla carta, ma il sottosuolo è un ambiente chimicamente attivo. Quando cambiamo la temperatura dell’acqua che iniettiamo, alteriamo delicati equilibri chimici. La protagonista indiscussa di queste alterazioni, soprattutto negli acquiferi profondi, è proprio la calcite (carbonato di calcio, CaCO3), un minerale comunissimo nelle rocce.

Il problema? La solubilità della calcite dipende fortemente dalla temperatura:

• Al pozzo caldo: Quando iniettiamo acqua riscaldata, la calcite tende a diventare meno solubile. L’acqua, che magari era in equilibrio con la roccia alla temperatura originale, si ritrova improvvisamente “sovrasatura” di calcite. Risultato? La calcite precipita, formando incrostazioni solide.
• Al pozzo freddo: Quando, in inverno, estraiamo l’acqua calda e re-iniettiamo acqua più fredda (dopo averle sottratto calore), succede il contrario. L’acqua più fredda può sciogliere più calcite. Risultato? La calcite presente nella roccia può iniziare a dissolversi.

Questi processi di precipitazione e dissoluzione possono sembrare piccoli dettagli, ma hanno conseguenze enormi sulla permeabilità dell’acquifero, cioè sulla sua capacità di lasciar fluire l’acqua. La precipitazione vicino al pozzo caldo può letteralmente intasare i pori della roccia, rendendo sempre più difficile iniettare acqua (aumenta la pressione di pompaggio necessaria) e riducendo l’efficienza del sistema. La dissoluzione vicino al pozzo freddo, invece, potrebbe teoricamente aumentare la permeabilità, ma anche alterare la struttura della roccia.

Entra in Scena la Modellistica: Capire per Prevenire

Per studiare a fondo questo fenomeno, abbiamo utilizzato un sofisticato modello numerico che accoppia i processi termici, idraulici e geochimici (un modello THC, implementato nel software COMSOL Multiphysics™). È come avere un laboratorio virtuale dove possiamo simulare cosa succede laggiù, a centinaia di metri di profondità, quando giochiamo con temperature e composizione chimica dell’acqua.

Ci siamo concentrati proprio sul sistema della calcite, identificato da molti studi come il principale responsabile dei problemi di incrostazione nei sistemi HT-ATES. Abbiamo simulato cosa accade vicino ai pozzi, considerando diverse temperature di iniezione e, importantissimo, diversi valori di pH (acidità) dell’acqua.

Risultati dal “Laboratorio Virtuale”: Il Pozzo Caldo Sotto Lente

Le simulazioni per il pozzo caldo (dove iniettiamo acqua riscaldata, nel nostro caso a 363 K, circa 90°C) hanno confermato i sospetti:

• Precipitazione Concentrata: La calcite precipita rapidamente e si accumula proprio nelle immediate vicinanze del pozzo, in un raggio di circa 10 metri.
• Permeabilità KO: Questa precipitazione riduce significativamente la permeabilità dell’acquifero in quella zona.
• Pressione alle Stelle: Di conseguenza, per mantenere la stessa portata di iniezione, la pressione di pompaggio deve aumentare. Dopo dieci cicli di funzionamento simulati, la pressione richiesta era 1.5 volte quella di un caso senza reazioni chimiche!
• Il Ruolo Cruciale del pH: Abbiamo scoperto una relazione interessante: l’aumento della pressione di pompaggio segue una funzione parabolica rispetto al pH dell’acqua iniettata. Un pH più alto (acqua meno acida, magari per degassamento di CO2) peggiora drasticamente l’intasamento (pressione fino a 3.2 volte il riferimento!). Al contrario, un pH leggermente più basso (ottenuto tramite acidificazione controllata, ad esempio aggiungendo CO2) mitiga il problema. Questo conferma che trattare l’acqua per controllarne il pH è fondamentale!

E al Pozzo Freddo? Tutto Tranquillo (o Quasi)

Passando al pozzo freddo (dove re-iniettiamo acqua raffreddata, a temperature tra 283 K e 313 K, cioè 10-40°C), lo scenario cambia:

• Dissoluzione Diffusa: Qui la calcite si scioglie. L’area interessata dalla dissoluzione è più ampia (fino a 70 metri dal pozzo) rispetto all’area di precipitazione del pozzo caldo.
• Effetti sulla Permeabilità Minimi: Sebbene la calcite si sciolga, l’impatto sulla permeabilità complessiva e sulla pressione di pompaggio è risultato essere molto piccolo.
• Correlazione Lineare con la Temperatura: La velocità di dissoluzione e la (piccola) riduzione della pressione di pompaggio sono risultate linearmente correlate alla temperatura di iniezione: più calda è l’acqua (entro questo range freddo), maggiore è la dissoluzione e la lieve riduzione di pressione.

In sintesi, il rischio di danni significativi o problemi operativi legati alla calcite al pozzo freddo sembra essere basso. Il vero campo di battaglia è il pozzo caldo.

La Complicazione dell’Eterogeneità: Il Mondo Reale non è Uniforme

Finora abbiamo immaginato un acquifero omogeneo, una sorta di spugna uniforme. Ma la realtà geologica è molto più complessa. Gli acquiferi sono eterogenei, con zone a permeabilità diversa che influenzano il modo in cui l’acqua e il calore si muovono.

Abbiamo quindi simulato anche scenari con acquiferi eterogenei, usando diverse “scale” di eterogeneità (definite dalla “lunghezza di correlazione”). Cosa abbiamo scoperto?

• Flussi Complessi: L’eterogeneità rende i percorsi dell’acqua e la distribuzione del calore molto più irregolari e tortuosi rispetto al caso omogeneo.
• Precipitazione Sempre Vicina: Nonostante la complessità dei flussi, la precipitazione di calcite al pozzo caldo avviene ancora prevalentemente molto vicino al pozzo stesso (entro i soliti 10 metri). La velocità della reazione è tale che la calcite precipita prima che l’acqua si allontani molto, indipendentemente dalle “strade” preferenziali create dall’eterogeneità.
• Impatto sulla Pressione Modificato: Qui la cosa si fa interessante. Nei cicli successivi, la pressione di pompaggio al pozzo caldo aumenta anche nei casi eterogenei a causa dell’accumulo di calcite. Tuttavia, l’entità di questo aumento dipende dalla scala dell’eterogeneità: è maggiore per acquiferi con eterogeneità a scala più grande (lunghezza di correlazione maggiore). Ma, confrontando con il caso omogeneo, l’aumento di pressione nei casi eterogenei è risultato generalmente minore. Sembra quasi che l’eterogeneità, pur complicando i flussi, possa in parte “mitigare” l’impatto dell’intasamento rispetto a un blocco uniforme.
• Efficienza Termica: L’eterogeneità influisce leggermente anche sull’efficienza del recupero di calore. In generale, un’eterogeneità a scala maggiore porta a un’efficienza leggermente più alta. La precipitazione di calcite riduce leggermente l’efficienza (meno dell’1% nei nostri casi), soprattutto dopo molti cicli operativi.

Cosa Portiamo a Casa?

Questo viaggio nel sottosuolo, tra calore, acqua e minerali, ci lascia alcune lezioni importanti per chi progetta e gestisce sistemi HT-ATES:

1. Il rischio di intasamento da precipitazione di calcite al pozzo caldo è reale e significativo. Può compromettere seriamente le prestazioni e la durata del sistema.
2. La gestione del pH dell’acqua iniettata è cruciale. L’acidificazione controllata (es. aggiunta di CO2) è una strategia chiave per prevenire o mitigare la precipitazione. Abbiamo persino derivato delle funzioni (parabolica per il pozzo caldo, lineare per il freddo) che correlano le variazioni di pressione a pH e temperatura, utili per stimare gli effetti.
3. I problemi al pozzo freddo legati alla dissoluzione della calcite sembrano essere trascurabili dal punto di vista operativo.
4. L’eterogeneità dell’acquifero complica le cose ma non cambia la sostanza del problema al pozzo caldo, anche se può leggermente attenuare l’aumento della pressione di pompaggio rispetto a un caso ideale omogeneo.

Il nostro modello ci ha aiutato a quantificare questi rischi e a capire meglio le leve su cui agire. Certo, la ricerca continua: i prossimi passi potrebbero includere nel modello anche le fasi gassose (come CO2 o metano presenti nel sottosuolo) e altre reazioni minerali. Ma già così, abbiamo uno strumento in più per rendere lo stoccaggio termico sotterraneo una tecnologia sempre più sicura ed efficiente. Una sfida complessa, ma fondamentale per il nostro futuro energetico!

Fonte: Springer