The evaluation of the thermal and mechanical nature of the lithosphere is the primary factor used to quantify the subsurface geothermal potential. Such studies call for a thorough understanding of the geological and tectonic forces acting on the local thermal, tension, and hydraulic regimes as well as associated counter-feedback mechanisms. In dynamic and complex tectonic settings, this strategy becomes even more relevant. In this sense, Sicily is an interesting case study due to its untapped geothermal potential trapped in a complicated geodynamic environment. The present-day geological configuration resulted from the collision between the African and European plates, which led to the coexistence of compressional phases, beginning with the Oligocene-Miocene clockwise rotation of Corsica-Sardinia and alternated extensional phases in the Tyrrhenian basin due to the southward progression of the Sicilian-Maghrebian chain towards areas of the internal foreland (Hyblean domain). In this thesis, a reconstruction of the present-day lithospheric state of Sicily to quantify its shallow and intermediate depth thermal regime has been firstly attempted. Starting from 3D lithospheric-scale gravity modelling the main geological units and their lithology-dependent rock properties, which we integrate into a 3D geological model consistent with available borehole and seismic datasets, have been defined. Then the constructed geological model with its lithology-dependent density, thermal conductivity and radiogenic heat production has been used to obtain the present-day conductive thermal field as a whole and for individual tectonic or geological units, thereby considering different boundary conditions. Finally, the modelling results have been validated against a shallow temperature dataset derived from hydrocarbon exploration wells. Secondly, using the extrapolated thermal conditions of the regional modelling step, the same workflow has been applied for a specific area of the south-eastern part of Sicily. In particular, a new gravimetric dataset allowed to reconstruct a 3D density model of the local domain and to develop the local high-resolution thermal field. The results indicate that the thermal regional field at depths shallower than 10 km is largely controlled by variability in sedimentary thickness in the foreland and the orogen, while deeper temperatures are primarily controlled by the distribution of the heat transferred from the mantle together with the radiogenic contribution of the shallow crystalline basement rocks and deeper crustal layers. The thermal modelling portrays a rather heterogeneous Moho heat flow, locally higher than 80 mW/m2, revealing a particular geodynamic setting with specific areas characterized by high-to-medium enthalpy geothermal potential. The proposed 3D model of Sicily thereby allows to constrain areas with important geothermal anomalies, such as the volcanic zones of the Aeolian Island Arc, the Etna area and the Sicily Channel Rift Zone, which could be suitable areas for the exploitation of medium-to-high enthalpy resources. The model also suggests that low-enthalpy resources are available over extended areas of the region, especially in the carbonate layers. Being the first effort in a complex Geological setting, the research provides a solid workflow that can be transferred to other areas of Italy, thereby fostering studies aimed at the quantification of potential geothermal resources. In order to make available the obtained thermal models, the implementation of interactive thematic maps reproducing the thermal steady-state field has been uploaded within a dedicated Web portal, providing a useful tool for the assessment of the geothermal condition of the investigated area. Although the efficiency of a shallow geothermal installation is chiefly based on geological properties, the total heat extracted from the subsoil also depends on the intrinsic thermal exchange characteristics of probes and grout materials. In this context, the industrial vocation of the research program has allowed to investigate applied aspects. Therefore, the development of Carbon Fiber mixed materials has improved the heat exchange and optimized the performance of an entire geothermal system. The project provides an innovative workflow usable in geothermal characterization, new interactive tools in the management of the geothermal resources, as well as more applied aspects such as the optimization of the components of geothermal systems exploiting low enthalpy. All these aspects make Sicily a potential pilot region for geothermal exploration studies in southern Italy, and they provide a useful tool for the optimization of the exploitation of this renewable resource as required by the ongoing energy transition.

La quantificazione del potenziale geotermico del sottosuolo si basa principalmente sulla valutazione della condizione termica e meccanica della litosfera. Tali indagini sui regimi termici richiedono una conoscenza dettagliata delle caratteristiche geologiche e dei loro meccanismi di funzionamento. Questo approccio diventa ancora più rilevante in contesti geodinamici complessi e attivi. A questo proposito, la regione Sicilia, che si trova nel Mediterraneo centro-occidentale, rappresenta un caso studio eccezionale per il suo potenziale geotermico quasi inesplorato. In questo lavoro di tesi si tenta di ricostruire lo stato litosferico della Sicilia per quantificarne il regime termico di bassa e media profondità. Partendo da una modellazione che coinvolge tutto il territorio siciliano, attraverso una modellazione gravimetrica, sono state definite le principali unità geologiche e le loro proprietà dipendenti dalla litologia, al fine di definire un modello geologico 3D coerente con i dataset geofisici disponibili. Il modello geologico così ottenuto è stato quindi oggetto di una fase relativa alla computazione dell'attuale campo termico conduttivo in stato stazionario. Attraverso l’implementazione delle proprietà fisiche quali conducibilità termica e produzione di calore radiogenico per singole unità litologiche, è stato possibile modellare e ottenere la temperatura in ogni punto del dominio di studio. Inoltre, al fine di individuare le migliori soluzioni è stato possibile analizzare parallelamente 3 modelli che assumono differenti condizioni al contorno. Infine, i risultati ottenuti dalla modellazione termica sono stati validati attraverso il confronto con un set di dati misurati di temperatura, derivato da set di dati pubblici ricavati nell’ambito dall'esplorazione di idrocarburi in Sicilia. In secondo luogo, utilizzando le condizioni termiche estrapolate dalla fase di preventiva modellazione su scala regionale, lo stesso flusso di lavoro è stato applicato per una specifica area della Sicilia sud-orientale. In particolare, un nuovo dataset gravimetrico acquisito ha consentito di dettagliare maggiormente il modello geologico di partenza e di calcolare il campo termico ad esso associato a più alta risoluzione. I risultati ottenuti indicano che il campo regionale termico a profondità inferiori a 10 km è in gran parte controllato dalla variabilità dello spessore delle coperture sedimentarie dell’avanpaese e dell’orogene, mentre le condizioni di temperatura al di sotto dei 10 km sembrano essere controllate principalmente dal contributo mantellico e dal contributo radiogeno delle rocce di basamento cristallino. Dall’analisi degli outputs della modellazione termica viene registrato un flusso di calore alla Moho piuttosto eterogeneo; è infatti possibile constatare localmente un flusso di calore superiore a 80 mW/m2, rivelando un particolare contesto geodinamico con aree specifiche caratterizzate da un potenziale geotermico di medio-alta entalpia. Il modello termico della Sicilia consente quindi di vincolare aree con importanti anomalie geotermiche, come le zone vulcaniche dell'Arco delle Isole Eolie, l'area etnea e la Rift Zone del Canale di Sicilia, aree che risultano quindi idonee allo sfruttamento risorse geotermiche di medio-alta entalpia. La modellazione termica sia su scala locale suggerisce anche che risorse geotermiche a bassa entalpia sono disponibili su diverse aree del dominio di studio, avvalorando l’ipotesi che vuole le unità carbonatiche il maggiore reservoir geotermico della regione. Tutti questi aspetti fanno della Sicilia una regione pilota in Italia, per gli studi che riguardano l’esplorazione e lo sfruttamento della risorsa geotermica. Applicato ad un complesso contesto geologico come quello della Sicilia, lo studio fornisce un solido flusso di lavoro che può essere trasferito ad altre zone d'Italia, incentivando così studi volti alla quantificazione delle potenziali risorse geotermiche e al loro sfruttamento. A tal proposito, attraverso lo sviluppo di un portale web dedicato, è stato possibile implementare i valori di temperatura, che riproducono lo stato termico della regione, fornendo uno strumento interattivo utile alla valutazione della condizione geotermica regionale e locale, nonché essenziale nella pianificazione dello sfruttamento della risorsa. La vocazione industriale del progetto di ricerca ha permesso, inoltre, di indagare gli aspetti più applicativi dello sfruttamento dell’energia geotermica, tra questi il miglioramento dell’efficientamento energetico degli impianti e la distribuzione di strumenti utili per l’incentivazione dello sfruttamento delle temperature di sottosuolo. A tal proposito, mediante un caso studio relativo allo sfruttamento delle risorse geotermiche superficiali è stato possibile verificare e ottimizzare il funzionamento di un impianto che sfrutta, attraverso diverse configurazioni, le condizioni termiche studiate. Inoltre, è stato possibile individuare e sviluppare alcune configurazioni nuove per le sonde e le malte di riempimento di un impianto geotermico. Migliorando, attraverso l’aggiunta di materiali non convenzionali, le caratteristiche di scambio termico e l’ottimizzazione della resa dell’intero sistema. Infine, l’intero progetto si pone di attenzionare la risorsa geotermica e indicare un workflow innovativo per la caratterizzazione di essa, nonché uno strumento essenziale nella gestione e sfruttamento della risorsa rinnovabile, come richiesto dalla sempre più attuale transizione energetica.

La Sicilia come regione pilota per la micro-zonazione del potenziale geotermico di bassa entalpia / Floridia, Giovanni. - (2023 Apr 20).

La Sicilia come regione pilota per la micro-zonazione del potenziale geotermico di bassa entalpia

FLORIDIA, GIOVANNI
2023-04-20

Abstract

The evaluation of the thermal and mechanical nature of the lithosphere is the primary factor used to quantify the subsurface geothermal potential. Such studies call for a thorough understanding of the geological and tectonic forces acting on the local thermal, tension, and hydraulic regimes as well as associated counter-feedback mechanisms. In dynamic and complex tectonic settings, this strategy becomes even more relevant. In this sense, Sicily is an interesting case study due to its untapped geothermal potential trapped in a complicated geodynamic environment. The present-day geological configuration resulted from the collision between the African and European plates, which led to the coexistence of compressional phases, beginning with the Oligocene-Miocene clockwise rotation of Corsica-Sardinia and alternated extensional phases in the Tyrrhenian basin due to the southward progression of the Sicilian-Maghrebian chain towards areas of the internal foreland (Hyblean domain). In this thesis, a reconstruction of the present-day lithospheric state of Sicily to quantify its shallow and intermediate depth thermal regime has been firstly attempted. Starting from 3D lithospheric-scale gravity modelling the main geological units and their lithology-dependent rock properties, which we integrate into a 3D geological model consistent with available borehole and seismic datasets, have been defined. Then the constructed geological model with its lithology-dependent density, thermal conductivity and radiogenic heat production has been used to obtain the present-day conductive thermal field as a whole and for individual tectonic or geological units, thereby considering different boundary conditions. Finally, the modelling results have been validated against a shallow temperature dataset derived from hydrocarbon exploration wells. Secondly, using the extrapolated thermal conditions of the regional modelling step, the same workflow has been applied for a specific area of the south-eastern part of Sicily. In particular, a new gravimetric dataset allowed to reconstruct a 3D density model of the local domain and to develop the local high-resolution thermal field. The results indicate that the thermal regional field at depths shallower than 10 km is largely controlled by variability in sedimentary thickness in the foreland and the orogen, while deeper temperatures are primarily controlled by the distribution of the heat transferred from the mantle together with the radiogenic contribution of the shallow crystalline basement rocks and deeper crustal layers. The thermal modelling portrays a rather heterogeneous Moho heat flow, locally higher than 80 mW/m2, revealing a particular geodynamic setting with specific areas characterized by high-to-medium enthalpy geothermal potential. The proposed 3D model of Sicily thereby allows to constrain areas with important geothermal anomalies, such as the volcanic zones of the Aeolian Island Arc, the Etna area and the Sicily Channel Rift Zone, which could be suitable areas for the exploitation of medium-to-high enthalpy resources. The model also suggests that low-enthalpy resources are available over extended areas of the region, especially in the carbonate layers. Being the first effort in a complex Geological setting, the research provides a solid workflow that can be transferred to other areas of Italy, thereby fostering studies aimed at the quantification of potential geothermal resources. In order to make available the obtained thermal models, the implementation of interactive thematic maps reproducing the thermal steady-state field has been uploaded within a dedicated Web portal, providing a useful tool for the assessment of the geothermal condition of the investigated area. Although the efficiency of a shallow geothermal installation is chiefly based on geological properties, the total heat extracted from the subsoil also depends on the intrinsic thermal exchange characteristics of probes and grout materials. In this context, the industrial vocation of the research program has allowed to investigate applied aspects. Therefore, the development of Carbon Fiber mixed materials has improved the heat exchange and optimized the performance of an entire geothermal system. The project provides an innovative workflow usable in geothermal characterization, new interactive tools in the management of the geothermal resources, as well as more applied aspects such as the optimization of the components of geothermal systems exploiting low enthalpy. All these aspects make Sicily a potential pilot region for geothermal exploration studies in southern Italy, and they provide a useful tool for the optimization of the exploitation of this renewable resource as required by the ongoing energy transition.
20-apr-2023
La quantificazione del potenziale geotermico del sottosuolo si basa principalmente sulla valutazione della condizione termica e meccanica della litosfera. Tali indagini sui regimi termici richiedono una conoscenza dettagliata delle caratteristiche geologiche e dei loro meccanismi di funzionamento. Questo approccio diventa ancora più rilevante in contesti geodinamici complessi e attivi. A questo proposito, la regione Sicilia, che si trova nel Mediterraneo centro-occidentale, rappresenta un caso studio eccezionale per il suo potenziale geotermico quasi inesplorato. In questo lavoro di tesi si tenta di ricostruire lo stato litosferico della Sicilia per quantificarne il regime termico di bassa e media profondità. Partendo da una modellazione che coinvolge tutto il territorio siciliano, attraverso una modellazione gravimetrica, sono state definite le principali unità geologiche e le loro proprietà dipendenti dalla litologia, al fine di definire un modello geologico 3D coerente con i dataset geofisici disponibili. Il modello geologico così ottenuto è stato quindi oggetto di una fase relativa alla computazione dell'attuale campo termico conduttivo in stato stazionario. Attraverso l’implementazione delle proprietà fisiche quali conducibilità termica e produzione di calore radiogenico per singole unità litologiche, è stato possibile modellare e ottenere la temperatura in ogni punto del dominio di studio. Inoltre, al fine di individuare le migliori soluzioni è stato possibile analizzare parallelamente 3 modelli che assumono differenti condizioni al contorno. Infine, i risultati ottenuti dalla modellazione termica sono stati validati attraverso il confronto con un set di dati misurati di temperatura, derivato da set di dati pubblici ricavati nell’ambito dall'esplorazione di idrocarburi in Sicilia. In secondo luogo, utilizzando le condizioni termiche estrapolate dalla fase di preventiva modellazione su scala regionale, lo stesso flusso di lavoro è stato applicato per una specifica area della Sicilia sud-orientale. In particolare, un nuovo dataset gravimetrico acquisito ha consentito di dettagliare maggiormente il modello geologico di partenza e di calcolare il campo termico ad esso associato a più alta risoluzione. I risultati ottenuti indicano che il campo regionale termico a profondità inferiori a 10 km è in gran parte controllato dalla variabilità dello spessore delle coperture sedimentarie dell’avanpaese e dell’orogene, mentre le condizioni di temperatura al di sotto dei 10 km sembrano essere controllate principalmente dal contributo mantellico e dal contributo radiogeno delle rocce di basamento cristallino. Dall’analisi degli outputs della modellazione termica viene registrato un flusso di calore alla Moho piuttosto eterogeneo; è infatti possibile constatare localmente un flusso di calore superiore a 80 mW/m2, rivelando un particolare contesto geodinamico con aree specifiche caratterizzate da un potenziale geotermico di medio-alta entalpia. Il modello termico della Sicilia consente quindi di vincolare aree con importanti anomalie geotermiche, come le zone vulcaniche dell'Arco delle Isole Eolie, l'area etnea e la Rift Zone del Canale di Sicilia, aree che risultano quindi idonee allo sfruttamento risorse geotermiche di medio-alta entalpia. La modellazione termica sia su scala locale suggerisce anche che risorse geotermiche a bassa entalpia sono disponibili su diverse aree del dominio di studio, avvalorando l’ipotesi che vuole le unità carbonatiche il maggiore reservoir geotermico della regione. Tutti questi aspetti fanno della Sicilia una regione pilota in Italia, per gli studi che riguardano l’esplorazione e lo sfruttamento della risorsa geotermica. Applicato ad un complesso contesto geologico come quello della Sicilia, lo studio fornisce un solido flusso di lavoro che può essere trasferito ad altre zone d'Italia, incentivando così studi volti alla quantificazione delle potenziali risorse geotermiche e al loro sfruttamento. A tal proposito, attraverso lo sviluppo di un portale web dedicato, è stato possibile implementare i valori di temperatura, che riproducono lo stato termico della regione, fornendo uno strumento interattivo utile alla valutazione della condizione geotermica regionale e locale, nonché essenziale nella pianificazione dello sfruttamento della risorsa. La vocazione industriale del progetto di ricerca ha permesso, inoltre, di indagare gli aspetti più applicativi dello sfruttamento dell’energia geotermica, tra questi il miglioramento dell’efficientamento energetico degli impianti e la distribuzione di strumenti utili per l’incentivazione dello sfruttamento delle temperature di sottosuolo. A tal proposito, mediante un caso studio relativo allo sfruttamento delle risorse geotermiche superficiali è stato possibile verificare e ottimizzare il funzionamento di un impianto che sfrutta, attraverso diverse configurazioni, le condizioni termiche studiate. Inoltre, è stato possibile individuare e sviluppare alcune configurazioni nuove per le sonde e le malte di riempimento di un impianto geotermico. Migliorando, attraverso l’aggiunta di materiali non convenzionali, le caratteristiche di scambio termico e l’ottimizzazione della resa dell’intero sistema. Infine, l’intero progetto si pone di attenzionare la risorsa geotermica e indicare un workflow innovativo per la caratterizzazione di essa, nonché uno strumento essenziale nella gestione e sfruttamento della risorsa rinnovabile, come richiesto dalla sempre più attuale transizione energetica.
Gravity modelling, Thermal modelling, Geothermal exploration, Sicilian Geothermal Web-portal, Shallow geothermal system, Heat exchange, End of waste
Modellazione gravimetrica, Modellazione termica, Esplorazione geotermica, Portale web geotermia Sicilia, Sistemi geotermici superficiali, Scambio termico, End of waste
La Sicilia come regione pilota per la micro-zonazione del potenziale geotermico di bassa entalpia / Floridia, Giovanni. - (2023 Apr 20).
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