Scavando nel Cuore della Terra: L’Ardesia Svelerà i Segreti del Geotermico?

Introduzione: Il Calore Nascosto Sotto i Nostri Piedi

Avete mai pensato a quanta energia pulita si nasconde proprio sotto i nostri piedi? Parlo dell’energia geotermica, il calore naturale della Terra. Un potenziale enorme, ma sfruttarlo non è sempre facile. Bisogna capire dove trivellare e, soprattutto, come le rocce sotterranee permettono all’acqua calda (o al vapore) di fluire. Recentemente, mi sono immerso in uno studio affascinante che cerca di svelare i segreti di un tipo di roccia particolare: l’ardesia. In particolare, ci siamo concentrati sulle formazioni di ardesia a Taiwan, considerate promettenti per futuri progetti geotermici. Ma la domanda chiave è: quanto è “permeabile” questa roccia? E come cambia questa permeabilità man mano che scendiamo in profondità? Seguitemi in questo viaggio nel sottosuolo!

L’Ardesia: Una Roccia Speciale con un “Carattere” a Strati

Prima di tutto, cos’è l’ardesia? Immaginate una vecchia roccia sedimentaria, come l’argillite, che è stata “cotta” e compressa dalle immense forze geologiche. Il risultato è una roccia metamorfica a grana fine, caratterizzata da una proprietà distintiva: la foliazione. Pensatela come una sorta di sfogliatura, piani deboli lungo i quali la roccia tende a dividersi. Questa foliazione non è solo una caratteristica visiva; influenza pesantemente come i fluidi, come l’acqua calda geotermica, possono muoversi al suo interno. A Taiwan, queste formazioni rocciose sono state oggetto di studio per decenni, e l’impianto geotermico di Chingshui ne è un esempio concreto. Ma capire esattamente come l’acqua si fa strada tra questi strati, specialmente in profondità, è ancora una sfida.

La Pressione Sotterranea: Un Nemico della Permeabilità?

Scendere in profondità significa affrontare una pressione crescente. Le rocce sovrastanti pesano enormemente, comprimendo tutto ciò che sta sotto. Questa pressione di confinamento ha un effetto diretto sulla permeabilità: tende a chiudere i piccoli pori e le fratture presenti nella roccia, rendendo più difficile il passaggio dei fluidi. È come strizzare una spugna: più stringi, meno acqua riesce a passare. Per l’ardesia, che già di per sé non è una roccia particolarmente porosa, questo effetto è cruciale. Inoltre, non c’è solo la roccia intatta; ci sono anche le fratture, crepe naturali o indotte (ad esempio con la fratturazione idraulica o HF) che possono agire come vere e proprie autostrade per l’acqua calda. Ma anche queste fratture risentono della pressione: la loro “apertura” effettiva, chiamata apertura idraulica (e), si riduce con la profondità. Il nostro obiettivo era proprio quantificare questa relazione tra profondità (e quindi pressione) e permeabilità, sia della roccia intatta che delle fratture.

Indagini in Laboratorio: Come Misuriamo il Flusso nel Profondo

Come si fa a misurare qualcosa che avviene a chilometri di profondità? Beh, portiamo la profondità in laboratorio! Abbiamo utilizzato campioni di ardesia prelevati da perforazioni nella formazione di Hungyeh a Taiwan. Questi campioni, cilindri di roccia di circa 25 mm di diametro, sono stati inseriti in un’apparecchiatura sofisticata chiamata sistema YOKO2. Questa macchina è capace di simulare le condizioni di pressione del sottosuolo, applicando una pressione di confinamento idrostatica fino a 60 MPa, che corrisponde a circa 3500 metri di profondità!
Abbiamo condotto due tipi di test:

• Misura della permeabilità (k) della roccia intatta (campioni senza fratture evidenti, orientati parallelamente alla foliazione).
• Misura dell’apertura idraulica (e) di singole fratture, sia naturali (NFF) che create artificialmente in laboratorio (ATF) lungo i piani di foliazione.

Per entrambe le misure, abbiamo usato il “metodo del decadimento dell’impulso” (pulse decay method). In pratica, si applica un piccolo impulso di pressione di gas (elio) a un’estremità del campione e si misura quanto velocemente questa pressione si dissipa attraverso la roccia o la frattura. Analizzando la curva di decadimento della pressione, possiamo calcolare la permeabilità (k) o l’apertura idraulica (e).

Abbiamo ripetuto queste misure a diversi livelli di pressione di confinamento, simulando così varie profondità. Per descrivere come la permeabilità della roccia intatta cambia con la pressione, abbiamo usato un modello matematico basato su una legge di potenza. Per l’apertura idraulica delle fratture, invece, abbiamo utilizzato una funzione esponenziale. Questi modelli ci permettono di estrapolare il comportamento della roccia a diverse profondità.

Roccia Intatta vs. Fratture: Chi Vince la Gara del Flusso?

I risultati sono stati illuminanti! La permeabilità della roccia intatta di ardesia, anche parallelamente alla foliazione (dove ci si aspetterebbe un flusso leggermente migliore), è risultata estremamente bassa, generalmente inferiore a 0.001 millidarcy (mD), e diminuiva significativamente all’aumentare della pressione di confinamento. In pratica, la matrice rocciosa dell’ardesia è quasi impermeabile alle profondità di interesse geotermico.
Le fratture, invece, raccontano una storia diversa. Anche se la loro apertura idraulica (e) diminuiva con la pressione (passando da circa 7.4 µm a 1.0 µm sotto 60 MPa di pressione), rimanevano comunque dei condotti preferenziali per il flusso. È interessante notare che non abbiamo trovato differenze enormi tra le fratture naturali lisce (con un basso coefficiente di rugosità JRC, circa 1) e quelle artificiali (con JRC leggermente più alto, fino a 8). Questo suggerisce che, per questo tipo di roccia e fratture, un modello unico potrebbe descrivere abbastanza bene il loro comportamento sotto stress.

Un Modello per Capire: L’Idea di Snow

Avere i dati di laboratorio è fondamentale, ma come li usiamo per stimare la permeabilità dell’intera formazione rocciosa, che è un mix di roccia intatta e fratture? Qui entra in gioco il modello di Snow (proposto nel lontano 1969 ma ancora utilissimo per la sua semplicità). Questo modello permette di calcolare la permeabilità verticale equivalente (k_v,eq) di una massa rocciosa fratturata, considerando l’apertura idraulica (e) delle fratture e la loro spaziatura (s), ovvero quanto sono distanti l’una dall’altra. Poiché abbiamo misurato come ‘e’ cambia con la pressione (e quindi con la profondità), e possiamo fare delle ipotesi sulla spaziatura ‘s’ (basandoci su dati geologici o sugli effetti attesi della fratturazione idraulica), possiamo usare il modello di Snow per costruire una relazione permeabilità-profondità per l’intera formazione. Abbiamo ipotizzato che le fratture più importanti siano quelle sub-verticali, parallele alla foliazione, perché è lungo questa direzione che probabilmente si muoverebbe il fluido geotermico verso pozzi orizzontali (una tecnica comune nei sistemi geotermici avanzati).

I Risultati sul Campo (Virtuale): Cosa Ci Dice il Modello?

Applicando il modello di Snow con i nostri dati sperimentali, abbiamo scoperto che la presenza di fratture aumenta drasticamente la permeabilità verticale equivalente rispetto alla sola roccia intatta. Assumendo una spaziatura media naturale delle fratture di 1 metro (un valore plausibile basato su studi precedenti a Taiwan), la k_v,eq risultava essere decine di volte superiore a quella della matrice rocciosa. Tuttavia, anche con questo aumento, i valori assoluti rimanevano piuttosto bassi, nell’ordine di 0.001-0.02 mD alle profondità tipiche per il geotermico. Questo ci dice che, in condizioni naturali, anche le formazioni di ardesia fratturate potrebbero non essere sufficientemente permeabili per uno sfruttamento efficiente.

Possiamo Dare una Spinta? La Fratturazione Idraulica (HF)

E se provassimo a migliorare la situazione con la tecnologia? La fratturazione idraulica (HF), spesso associata all’estrazione di petrolio e gas, può essere usata anche nel geotermico (in questo caso si parla di Sistemi Geotermici Avanzati o EGS) per creare nuove fratture o riaprire quelle esistenti, aumentando così la permeabilità. Abbiamo simulato uno scenario di questo tipo: ipotizzando di applicare l’HF a una profondità tra 1500 e 1700 metri, creando fratture molto più ravvicinate (spaziatura s = 0.2 metri) e mantenendo una certa pressione di iniezione (10 MPa sopra la pressione idrostatica naturale) per tenerle aperte.
Il risultato? La permeabilità equivalente media (k_v,eq) aumentava, raggiungendo valori tra 2.3 x 10^-2 e 3.0 x 10^-2 mD. Un miglioramento notevole rispetto alle condizioni naturali, ma… probabilmente ancora al limite o leggermente al di sotto di quanto considerato economicamente vantaggioso per la produzione di energia geotermica su larga scala. C’è anche da considerare un margine di incertezza di almeno un ordine di grandezza in queste stime.

Oltre i Numeri: Strategie per un Geotermico Efficace nell’Ardesia

Cosa ci insegna tutto questo? Che sfruttare l’energia geotermica nelle formazioni di ardesia è possibile, ma richiede un approccio mirato e intelligente.

• Migliorare l’HF: Non basta fratturare, bisogna farlo bene, creando una rete di fratture più densa e assicurandosi che rimangano aperte (magari con l’uso di “proppants”, materiali che puntellano le fratture).
• Cercare le “Zone Calde” Naturali: Invece di creare fratture ovunque, potrebbe essere più efficace identificare e mirare a zone di frattura naturali già esistenti e particolarmente dense, o faglie che potrebbero avere una permeabilità intrinsecamente maggiore.
• Identificare le Fratture Aperte: Bisogna cercare quelle fratture che sono naturalmente più aperte, spesso orientate perpendicolarmente alla direzione di minima compressione della roccia.
• Pozzi Orizzontali Strategici: L’orientamento dei pozzi di estrazione e iniezione è fondamentale. Pozzi orizzontali perforati perpendicolarmente alle principali famiglie di fratture aperte potrebbero massimizzare il recupero di calore.

Il nostro studio, pur con le sue semplificazioni (abbiamo considerato solo un set di fratture parallele alla foliazione), fornisce un metodo semplice e fattibile per ottenere una stima preliminare della relazione permeabilità-profondità in queste formazioni complesse, ancor prima di costose indagini in situ. È un primo passo cruciale per valutare la fattibilità di un progetto geotermico.

Conclusioni: Un Passo Avanti nella Comprensione

L’ardesia, con la sua struttura complessa e la sua risposta alla pressione profonda, rappresenta una sfida affascinante per l’energia geotermica. Il nostro lavoro ha permesso di quantificare meglio come la sua permeabilità cambia con la profondità e quanto sia cruciale il ruolo delle fratture. Abbiamo visto che, sebbene la roccia intatta sia quasi un muro invalicabile, le fratture offrono delle vie di passaggio, ma la loro efficacia diminuisce con la profondità e potrebbe non essere sufficiente senza un “aiuto” tecnologico come l’HF. E anche con l’HF, i risultati potrebbero essere al limite. La chiave sembra essere la combinazione di tecniche di stimolazione avanzate e un’accurata selezione del sito, mirando alle zone naturalmente più promettenti. La strada per sbloccare tutto il potenziale geotermico dell’ardesia è ancora in salita, ma studi come questo ci forniscono mappe e strumenti preziosi per affrontarla.

Fonte: Springer