Sismicità Indotta

È ormai di pubblico dominio la necessità di raggiongere zero emissioni per il 2050, in maniera tale da rispettare gli Accordi di Parigi e limitare l’aumento di temperatura sotto i 2.0 °C, idealmente 1.5 °C. Questo obiettivo sarà raggiunto solo se verranno intraprese più azioni contemporaneamente. Tra le azioni necessarie, l' International Energy Agency suggerisce che il sottosuolo possa contribuire dal 20 al 30 % alla riduzione totale delle emissioni di CO₂. Questo contributo è da imputare principalmente allo stoccaggio geologico del carbonio, ma anche all'energia geotermica e dallo stoccaggio di energia sotterranea. Quest'ultimo è particolarmente importante perché le rinnovabili non sempre producono energia nel momento in cui ce n’è bisogno e vanno quindi immagazzinate quando c'è in eccesso per poter utilizzare l’energia imagazzinata quando la domanda supera la produzione. Siccome le batterie non hanno una capacità sufficiente per assolvere a questa funzione, l'accumulo di energia in termini di idrogeno, l'accumulo di energia sotto forma di aria compressa (CAES) o l'accumulo di energia termica della falda acquifera (ATES), svolgerà un ruolo importante per l’immagazzinamento dell’energia in modo efficiente.

Induced seismicityLo svantaggio di queste geo-energie è che quando si iniettano o estraggono fluidi dal sottosuolo, si altera la pressione dei pori, la temperatura, lo stato di stress e la composizione geochimica delle formazioni geologiche, ciò può indurre sismicità se le fratture e/o le faglie vengono in questo modo destabilizzate. Le principali applicazioni geo-energetiche che possono indurre sismicità e, quindi, possono beneficiare delle scoperte di questo progetto sono descritte di seguito, inclusi i potenziali danni all'ambiente, agli animali o alle piante:

Energia geotermica

Questa è una fonte di energia rinnovabile che fornisce energia senza fluttuazioni giornaliere e stagionali ed è disponibile in tutto il mondo. I progetti di energia geotermica di solito iniettano ed estraggono acqua dalla stessa formazione geologica, creando un circuito chiuso in cui l'acqua pompata viene reiniettata. Pertanto, se il sistema non perde, non dovrebbero esserci danni all'ambiente, agli animali o alle piante. Il fluido circolante è solitamente acqua, ma con un'alta concentrazione di ioni disciolti perché l'elevata temperatura della formazione geologica favorisce la dissoluzione dei minerali. Questa alta concentrazione di ioni disciolti può portare alla precipitazione dei minerali quando pressione e temperatura diminuiscono nei pozzi di pompaggio vicino alla superficie, causando il ridimensionamento dei pozzi (ad es. Wanner et al., 2017). Questo problema evidenzia l'importanza della composizione geochimica dell'acqua circolante in termini di funzionamento e suggerisce che sarebbe opportuno porre in essere misure che impediscano al fluido circolante di raggiungere l'ambiente in caso di perdite lungo le tubazioni. In alternativa all'acqua, è stato suggerito di utilizzare l'anidride carbonica (CO₂) come fluido di lavoro per produrre energia geotermica (Brown, 2000; Randolph e Saar, 2011). Anche in questo caso la CO₂ pompata viene reiniettata nel sottosuolo, quindi non ci sono pericoli a meno che non ci siano perdite. Se si verifica una perdita di CO₂, questa non influisce sull'ambiente perché la CO₂ è già presente in atmosfera. Tuttavia, se la CO₂ si accumula nelle depressioni o nei sotterranei degli edifici, potrebbe essere fatale per l'uomo e per gli animali, perché potrebbero morire per asfissia. Pertanto, rilevatori di CO₂ dovrebbero essere posizionati in superficie lungo i tubi per rilevare eventuali perdite e agire rapidamente per fermarle.

Stoccaggio geologico del carbonio

Lo scopo di questa tecnologia è di immagazzinare in modo permanente grandi quantità di CO₂ in formazioni geologiche profonde per mitigare il cambiamento climatico. Se lo stoccaggio ha successo, la CO₂ rimarrà permanentemente nel sottosuolo. Tuttavia, esiste il rischio di fuoriuscita di una piccola porzione della CO₂ iniettata lungo pozzi, tramite faglie o attraverso il caprock. Le perdite di CO₂ lungo i pozzi possono essere rilevate monitorando regolarmente la concentrazione di CO₂ alla testa pozzo. Questo caso si è verificato nel progetto pilota di stoccaggio della CO₂ di In Salah, in Algeria, la perdita è stata immediatamente bonificata (Ringrose et al., 2009). D'altra parte, la perdita di CO₂ lungo il caprock o attraverso le faglie può portare a una perdita diffusiva che può essere più difficile da rilevare ed intervenire. Inoltre, la CO₂ non ha necessariamente bisogno di raggiungere il suolo per produrre danni all'ambiente, se la CO₂ raggiunge le falde acquifere d'acqua dolce, può inquinare le risorse idriche potabile a causandone l'acidificazione e il rilascio di metalli pesanti (Wang e Jaffe, 2004). In realtà ci si aspetta che la CO₂ non penetri i caprock a causa della alta pressione necessaria al fluido per penetrare lo strato roccioso. Pertanto, la probabilità di fuoriuscita di CO₂ attraverso i caprock, specialmente se sono spessi o in bacini sedimentari multistrato, è molto bassa (Birkholzer et al., 2009). Il dibattito è aperto sulla possibilità che la sismicità indotta possa aumentare la permeabilità della faglia, portando a perdite di CO₂ (Zoback e Gorelick, 2012a, 2012b, 2015; Juanes et al., 2012; Vilarrasa e Carrera, 2015a, 2015b). Poiché il basamento cristallino è sottoposto a sollecitazioni critiche, ma le rocce sedimentarie in cui è prevista l'iniezione di CO₂ di solito non lo è (Vilarrasa e Carrera, 2015), i terremoti indotti si concentrano principalmente nel basamento cristallino al di sotto delle formazioni previste per l’accumulo di CO₂, quindi l'aumento della permeabilità delle faglie si verifica al di sotto e non al di sopra della formazione del deposito (Verdon, 2014). Inoltre, le faglie nei bacini sedimentari sono altamente eterogenee perché attraversano più sequenze di acquifero-caprock. Questa eterogeneità ostacola il flusso di CO₂ verso l'alto nel caso in cui la CO₂ raggiunga una faglia (Rinaldi et al., 2014). Inogni caso il monitoraggio e l'interpretazione dei dati misurati devono essere eseguiti per il rilevamento tempestivo della perdita di CO₂ e la sua bonifica (Zeidouni e Pooladi-Darvish, 2012).

Accumulo di energia ad aria compressa [Compressed Air Energy Storage] (CAES)

Questa applicazione geoenergetica consiste nell'immettere aria ad alta pressione in una falda acquifera quando c'è un eccesso di produzione di energia da fonti rinnovabili, per poi successivamente pomparla e recuperare energia quando la domanda è superiore alla produzione da fonti rinnovabili. Poiché il fluido iniettato è aria, questa applicazione non presenta rischi per l'ambiente, gli animali o le piante. Tuttavia, l'acqua degli acquiferi in cui viene iniettata l'aria non dovrebbe avere nessun altra destinazione d’uso poiché l'ossigeno dell'aria iniettata può alterare la geochimica dell'acquifero.

Lo stoccaggio di gas naturale

Lo stoccaggio sotterraneo di gas [Underground Gas Storage] (UGS) viene eseguito regolarmente per ragioni strategiche al fine di garantire l'approvvigionamento di gas nei periodi di forte domanda. Quando c'è meno richiesta di gas, solitamente in estate, il gas viene stoccato e viene recuperato quando la domanda raggiunge i massimi. Il rischio di indurre sismicità in UGS è basso, poiché, salvo eccezioni (p.e. il caso Castor), i 640 siti UGS in tutto il mondo non hanno indotto sismicità avvertita. Tuttavia, occorre prestare attenzione nell'evitare perdite perché il metano è infiammabile.

Poiché la sismicità indotta è solitamente associata alla fratturazione idraulica, nel seguito sono dedicate alcune righe per spiegare questa applicazione geoingegneristica:

Tecniche di fratturazione idraulica [Hydraulic fracture]

L’hydraulic fracture consiste nell'iniettare un fluido ad alta pressione per fratturare la roccia. Il fluido viene iniettato ad una pressione così elevata che la tensione efficace minore eguaglia la resistenza a trazione della roccia, ciò genera una frattura per trazione perpendicolare alla direzione della tensione efficace minore. Pertanto, la fratturazione idraulica viene eseguita per migliorare la permeabilità di rocce poco permeabili. Questa tecnologia può essere utilizzata per migliorare l’efficienza dell'energia geotermica, ma la sua applicazione più nota è lo sfuttamento degli shale gas. Il fluido iniettato è solitamente acqua, ma è stato anche proposto di utilizzare CO₂ (Middleton et al., 2015). Nell'industria di produzione di shale gas solitamente all’acqua vengono aggiunti degli additivi, che possono essere pericolosi per l'ambiente, al fine di migliorare la fratturazione. Oltre a questi additivi, il riflusso che si verifica dopo la fratturazione idraulica diventa radioattivo dopo essere stato a contatto con i radionuclidi presenti nello scisto che viene fratturato idraulicamente. Pertanto, il riflusso delle operazioni di fratturazione idraulica deve essere gestito con estrema cura. Per quanto riguarda la sismicità indotta, la fratturazione idraulica genera eventi microsismici di magnitudo così bassa da non essere avvertibili sulla superficie del terreno. In rari casi, le fratture idrauliche generate intersecano una faglia, pressurizzandola e portando alla sua riattivazione e al verificarsi di un terremoto avvertito in superficie. Ma la sismicità avvertita non è direttamente indotta dalla fratturazione idraulica. Tuttavia, va evidenziato che i rischi ambientali legati alla composizione chimica del ristagno e il rischio di sismicità indotta sono completamente diversi. Infatti, anche se i rischi associati alla sismicità indotta sono bassi nella fratturazione idraulica, i rischi ambientali relativi a tali operazioni dovrebbero essere valutati in loco in modo specifico per decidere sulla fattibilità di tali progetti.

 

 

BIBLIOGRAFIA

Birkholzer, J. T., Zhou, Q., & Tsang, C. F. (2009). Large-scale impact of CO₂ storage in deep saline aquifers: A sensitivity study on pressure response in stratified systems. International Journal of Greenhouse Gas Control, 3(2), 181-194.

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Middleton, R. S., Carey, J. W., Currier, R. P., Hyman, J. D., Kang, Q., Karra, S., Jimenez-Martinez, J., Porter, M. L., & Viswanathan, H. S. (2015). Shale gas and non-aqueous fracturing fluids: Opportunities and challenges for supercritical CO₂. Applied Energy, 147, 500-509.

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Rinaldi, A. P., Jeanne, P., Rutqvist, J., Cappa, F., & Guglielmi, Y. (2014). Effects of fault‐zone architecture on earthquake magnitude and gas leakage related to CO₂ injection in a multi‐layered sedimentary system. Greenhouse Gases: Science and Technology, 4(1), 99-120.

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Wanner, C., Eichinger, F., Jahrfeld, T., & Diamond, L. W. (2017). Causes of abundant calcite scaling in geothermal wells in the Bavarian Molasse Basin, Southern Germany. Geothermics, 70, 324-338.

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Zoback, M. D., & Gorelick, S. M. (2012b). Reply to Juanes et al.: Evidence that earthquake triggering could render long-term carbon storage unsuccessful in many regions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(52), E3624-E3624.

Zoback, M. D., & Gorelick, S. M. (2015). To prevent earthquake triggering, pressure changes due to CO₂ injection need to be limited. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(33), E4510-E4510.