99500 - GEOTERMIA E STOCCAGGI DI ENERGIA NEL SOTTOSUOLO M

Conoscenze e abilità da conseguire

L'insegnamento è finalizzato a fornire agli studenti le conoscenze necessarie per utilizzare la modellazione numerica come strumento per una corretta gestione sostenibile dei serbatoi di fluidi del sottosuolo (fluidi geotermici, acquiferi e giacimenti di idrocarburi). In quest’ottica, oltre allo sviluppo degli indispensabili strumenti matematici e informatici, saranno anche affrontati i concetti di base relativi allo stoccaggio di fluidi in serbatoio (CO2 e Idrogeno). Parte integrante delle competenze acquisite dallo studente saranno orientate alla gestione ed elaborazione dei dati relativi ai parametri e alle variabili petrofisiche, termodinamiche, termofisiche e fluidodinamiche che caratterizzano i fluidi dei sistemi serbatoio del sottosuolo in regime multifase. L’applicazione pratica mediante l’utilizzo di un simulatore su un caso studio specifico è parte fondamentale dell’insegnamento, per sviluppare le abilità pratiche connesse alle nozioni teoriche sviluppate durante il corso.

Contenuti

Prerequisiti
All'allievo che accede a questo insegnamento è richiesto di conoscere e saper adeguatamente utilizzare le nozioni matematiche di base del calcolo infinitesimale e del calcolo numerico. Tutte le lezioni saranno tenute in Italiano, è quindi necessaria la comprensione della lingua italiana per poter seguire con profitto il corso e utilizzare il materiale didattico fornito dal docente.

Programma
Il programma è suddiviso in due parti. La prima pone le basi teoriche e sviluppa i concetti del corso, mentre la seconda li applica attraverso attività di laboratorio informatico dove si realizza una simulazione numerica di un caso studio relativo ad iniezione e produzione in un reservoir.

Parte 1
Cenni alle tecnologie CCS (Carbon Capture, Storage) e ai relativi sistemi del sottosuolo (falde acquifere, giacimenti di idrocarburi esauriti, ecc.). Stoccaggio sotterraneo di energia (gas naturale, gas naturale liquefatto, idrogeno e aria compressa). Energia geotermica (alta e media entalpia) e prospettive di stoccaggio del calore nel sottosuolo.
Introduzione ai concetti di sistema e modello: definizioni generali, relazioni, parametri e variabili. Classificazione dei sistemi e dei modelli. Introduzione generale allo studio del comportamento dinamico di giacimenti (geotermici, acquiferi e di idrocarburi) mediante simulazione numerica. La simulazione: simulazione forward e backward per la calibrazione del modello: history matching. Analisi di sensitività. Simulazione stato naturale. Applicazione alle georisorse: modello geologico (concettuale) e modello numerico. Principali proprietà petrofiche: porosità , bagnabilità, permeabilità assoluta e relativa. Principali proprietà dei fluidi di strato. Comportamento termodinamico dei fluidi: diagramma di stato e di Andrews, Legge di Henry e di Raoult. La legge di Darcy per flusso multifase. Principali proprietà termofisiche dei mezzi porosi. L'equazione di bilancio di massa. Equazione di trasporto del calore: bilancio energetico per sistemi aperti. Modello matematico di un giacimento: equazione per il flusso monofase in un mezzo poroso di un fluido debolmente comprimibile. Classificazione dei modelli matematici dei giacimenti mediante la geometria e il numero delle fasi mobili. Modello per il flusso di gas. Modello per flusso bi e trifase senza scambio di massa tra le fasi. Modello black-oil per giacimenti di olio medio-pesante. Modello di flusso multifase composizionale. La modellistica per specifici sistemi non-isotermi con flusso multifase e multicomponente in mezzi porosi e porosi-fratturati. Concetti di base relativi alla tecnica di discretizzazione alle differenze finite (FD) per l'integrazione numerica delle equazioni differenziali alle derivate parziali. Elementi di convergenza, consistenza e stabilità dello schema FD. Cenni alla tecnica IFDM. Errori di troncamento. Griglie strutturate e non strutturate. Griglie full voronoi 3D. Livello di implicità nella simulazione con modelli multifase: pressione implicita saturazione esplicita (IMPES), metodo sequenziale (SEQ), metodo totalmente implicito (SIMULTANEOUS). Soluzione di sistemi di equazioni lineari: metodi diretti (metodo di Gauss, metodo della fattorizzazione, metodo di Thomas), metodi iterativi (Jacobi, Gauss-Siedel, PSOR, LSOR). Cenni alle strategie operative per la simulazione dei reservoir.

Parte 2
Esercitazioni in laboratorio informatico mediante simulazioni numeriche del comportamento di reservoir. Struttura del file di input gestito a Card/keyword. Analisi del file di output anche finalizzata ad una semplice attività di ingegneria di serbatoio. Simulazione numerica di un caso studio relativo all'iniezioine e produzione di fluidi in un reservoir, mediante software freeware multifase e relativi tools di pre- e post-processing.

Testi/Bibliografia

Dispense fornite dal docente.

Metodi didattici

Le lezioni saranno di tipo tradizionale con dimostrazioni svolte alla lavagna e con esercitazioni riguardanti gli argomenti trattati durante le lezioni.
Relativamente alle attività di simulazione numerica svolte nel laboratorio informatico, lo studente è tenuto a realizzare una relazione che sarà oggetto di discussione in fase d'esame.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La modalità di verifica dell'apprendimento si attuerà attraverso un colloquio orale per valutare le capacità critiche e metodologiche maturate dallo studente, il quale sarà invitato a confrontarsi con le tematiche affrontate durante il corso. Particolarmente valutata sarà la capacità di sapersi muovere anche all'interno delle fonti e del materiale bibliografico al fine di individuare in essi le informazioni utili che gli permettano di illustrare gli aspetti propri dell'Ingegneria di serbatoio. Il raggiungimento da parte dello studente di una visione organica dei temi affrontati a lezione congiunta alla loro utilizzazione critica, la dimostrazione del possesso di una padronanza espressiva e di linguaggio specifico saranno valutati con voti di eccellenza. La conoscenza per lo più meccanica e/o mnemonica della materia, capacità di sintesi e di analisi non articolate e/o un linguaggio corretto ma non sempre appropriato porteranno a valutazioni discrete; lacune formative e/o linguaggio inappropriato – seppur in un contesto di conoscenze minimali del materiale d'esame - condurranno a voti che non supereranno la sufficienza. Lacune formative, linguaggio inappropriato, mancanza di orientamento all'interno dei materiali bibliografici offerti durante il corso non potranno che essere valutati negativamente.

Strumenti a supporto della didattica

Proiettore. Lavagna. Personal Computer. Microsoft Teams. Software di simulazione forniti dal docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Villiam Bortolotti