L'Energia Geotermica

L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia alternativa e rinnovabile, se valutata in tempi brevi. Si basa sui principi della geotermia ovvero sullo sfruttamento del calore naturale della Terra (gradiente geotermico) dovuto all'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all'interno della terra (nucleo, mantello e crosta terrestre). La prima utilizzazione dell'energia geotermica per la produzione di energia elettrica avvenne il 4 luglio 1904 in Italia per merito del principe Piero Ginori Conti che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello in Toscana preludio delle vere e proprie centrali geotermiche. Possibile e sfruttata anche la cogenerazione.

L’energia geotermica, inoltre, viene usata anche per la produzione di energia termica (calore e acqua calda).

L'energia geotermica costituisce oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia. Tuttavia, uno studio condotto dal Massachusetts Institute of Technology afferma che la potenziale energia geotermica contenuta sul nostro pianeta si aggira attorno ai 12.600.000 ZJ e che con le attuali tecnologie sarebbe possibile utilizzarne "solo" 2000 ZJ. Tuttavia, poiché il consumo mondiale di energia ammonta a un totale di 0,5 ZJ all'anno, con il solo geotermico, secondo lo studio del MIT, si potrebbe soddisfare il fabbisogno energico planetario con sola energia pulita per i prossimi 4000 anni rendendo quindi inutile qualsiasi altra fonte non rinnovabile attualmente utilizzata.

Principio geotermico

L'energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Infatti penetrando in profondità nella superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando mediamente di circa 30 °C per km nella crosta terrestre (30 °C/km e 80 °C/100 km rispettivamente nel mantello e nel nucleo, si tratta di valori medi, in alcune zone infatti, si possono trovare gradienti decine di volte inferiori o maggiori). I giacimenti di questa energia sono però dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo sfruttamento. Per estrarre e usare il calore imprigionato nella Terra, è necessario individuare le zone con anomalia termica positiva dove il calore terrestre è concentrato: il serbatoio o giacimento geotermico. Per ottenere un ottimale riscaldamento di case o serre viene messa in atto l'azione di fluidi a bassa temperatura; invece, per ottenere energia elettrica si fa uso di fluidi ad alte temperature.

Esistono diversi sistemi geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo i sistemi idrotermali, costituiti da formazioni rocciose permeabili in cui l'acqua piovana e dei fiumi si infiltra e viene scaldata da strati di rocce ad alta temperatura. Le temperature raggiunte variano dai 50-60 °C fino ad alcune centinaia di gradi. L'uso di quest'energia comporta vantaggi come l'inesauribilità a tempi brevi, se sfruttata in modo razionale, ed il minor inquinamento dell'ambiente circostante; un certo inquinamento non viene escluso per la possibile immissione nell'area di elementi tossici, come zolfo, mercurio e arsenico presenti nei fluidi geotermali, per questo motivo le aree geotermiche sono sottoposte a verifiche ambientali annuali.

Rivolto solamente ad una produzione di energia termica, è il sistema geotermico a bassa entalpia che sfruttando il naturale calore del terreno con l'ausilio di una pompa di calore riesce a produrre energia termica per l'acqua calda sanitaria e per il riscaldamento degli edifici.

In alcune particolari zone si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è più alta della media, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia.

La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra e il termalismo.

Per alimentare la produzione del vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità, una tecnica utile per mantenere costante il flusso del vapore. In questo modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine e produrre calore con continuità.

La geotermia resta comunque una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del riscaldamento geotermico.

In tal senso molto promettenti sembrano essere gli sviluppi relativi all'energia geomagmatica, che presenta una distribuzione territoriale molto estesa a motivo dell'assenza di utilizzo di acqua ma solo calore.

La radioattività naturale della terra è la causa dell'energia geotermica. Si valuta che il flusso totale di calore verso la superficie della terra sia di 16 TW, quindi poiché la terra ha un raggio medio di 6371 km, la potenza media prodotta per via geotermica è di 32 mW/m². Per confronto l'irraggiamento solare medio è, alle latitudini europee, di circa 200 W/m². La potenza è sensibilmente maggior vicino ai limiti delle fratture tettoniche dove la crosta è meno spessa. Inoltre la circolazione di acqua in profondità può aumentare ulteriormente la potenza termica per unità di superficie.

Tipologia delle sorgenti geotermiche

Le sorgenti geotermiche si possono dividere in tre tipologie:

• sorgenti idrotermiche: la sorgente si trova a profondità non eccessive (1.000-2.000 m) e a seconda della pressione può essere classificata come sorgente geotermica a vapore o ad acqua dominante

• sorgenti geopressurizzate: la sorgente si trova a profondità maggiori (3.000-10.000 m) e l'acqua ivi contenuta è a pressioni elevate (1.000 atm) e ad una temperatura di 160 °C

• sorgenti petrotermiche: la sorgente si trova a profondità maggiori rispetto alle precedenti ed è composta da rocce calde (senza acqua). Circa il 85% delle risorse geotermiche sono di questo tipo ma sono anche di difficile sfruttamento proprio per l'assenza dell'acqua.

Vantaggi e svantaggi

Dal punto di vista della generazione di energia elettrica, la geotermia consente di trarre dalle forze naturali una grande quantità di energia rinnovabile e pulita. Queste centrali inoltre non comportano un danno all'ambiente, poiché considerate non inquinanti. Un ulteriore vantaggio è il possibile riciclaggio degli scarti, favorendo il risparmio. La trivellazione è il costo maggiore; nel 2005 l'energia geotermica costava fra i 50 e i 150 euro per MWh, ma pare che tale costo sia sceso a 50-100 euro per MWh nel 2010 e si prevede che scenderà a 40-80 euro per MWh nel 2020.

Anche per quanto riguarda la generazione di energia termica la geotermia (a bassa entalpia) presenta numerosi vantaggi: economia, ambiente, sicurezza, disponibilità e architettura.

La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche:

• Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall'idrogeno solforato. Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una centrale geotermica. Il problema è risolvibile mediante l'installazione di particolari impianti di abbattimento.

• L'impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature anti-estetiche. Un'immagine che non dista comunque da quella di molti altri siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente risolto unendo l'approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di un'architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico.

Le centrali geotermiche

Per lo sfruttamento del calore geotermico sono state create le centrali geotermiche. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo, liberamente oppure canalizzato tramite perforazione geologica in profondità, produce una forza tale da far muovere una turbina; l'energia meccanica della turbina viene infine trasformata in elettricità tramite un alternatore.

I sistemi geotermici possono essere a vapore dominante, quando l'alta temperatura determina la formazione di accumuli di vapore, o ad acqua dominante, se l'acqua rimane allo stato liquido. Nel primo caso l'energia geotermica può essere utilizzata per produrre energia elettrica, inviando il vapore, attraverso dei vapordotti, a una turbina collegata a un generatore di corrente. Se il fluido non raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l'acqua calda potrà essere utilizzata per la produzione di calore per esempio in impianti di teleriscaldamento.

Diffusione

Nel mondo

La geotermia è la fortuna energetica dell'Islanda, dove l'85% delle case è riscaldato con questa fonte energetica. La grande isola del nord Atlantico basa l'intera sua esistenza sul naturale equilibrio tra la presenza di acqua calda in profondità e l'atmosfera esterna sotto zero.

Il più grande complesso geotermico al mondo si trova in Italia sul Monte Amiata (l'impianto ha un potenziale di 1400 MW, sufficiente a soddisfare le richieste energetiche dell'area attorno ad essa), nel comune di Piancastagnaio. In Africa, il Kenya e l'Etiopia hanno costruito degli impianti per l'energia geotermica. In Etiopia l'Islanda ha calcolato che l'energia geotermica presente è di almeno 1000 MW. Si calcola che venti paesi al mondo abbiano progetti di sviluppo del geotermico. Anche Google ha investito nel geotermico di terza generazione, basato sulla trivellazione di profondità per raggiungere punti caldi della crosta anche da zone non naturalmente termali.

In Italia

Dall'inizio del Novecento l'Italia sfrutta il calore della Terra per produrre energia elettrica tramite la realizzazione di centrali elettriche geotermiche capaci di sfruttare la forza del vapore.

In Italia la produzione di energia elettrica dalla geotermia è fortemente concentrata in Toscana (Pisa, Siena e Grosseto).

I giacimenti naturali di vapore in Toscana producono ogni anno oltre 14,4 PJ di elettricità nelle sole centrali toscane di Larderello (Pisa) e di Montieri.

A Larderello si trova il primo impianto geotermico costruito al mondo: i primi esperimenti del Principe Piero Ginori-Conti risalgono al 1904 dove, per la prima volta, l'energia prodotta da quell'impianto permise di accendere cinque lampadine. Gli impianti di Larderello hanno un'origine datata ben prima della metà dell'Ottocento. I vapori provenienti dal sottosuolo erano una valida alternativa alle innovative macchine a vapore industriali dell'epoca e avevano il pregio di non utilizzare il costoso carbone per alimentare le caldaie. Questo era un vantaggio che non passò inosservato agli imprenditori toscani del primo Novecento.

La produzione di energia elettrica dalla geotermia è una tradizione toscana che arriva fino ai nostri giorni e che pone la regione Toscana ai primi posti dello sfruttamento dell'energia rinnovabile dalla geotermia. Non è un caso che proprio a Larderello si trovi un museo dedicato al vapore.

La geotermia a bassa entalpia

La geotermia a bassa entalpia sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore. Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso, presente negli edifici, viene dato al terreno. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore, motori che tutti noi conosciamo nella forma più diffusa rappresentata dai frigoriferi. Impianti di questo tipo non necessitano di condizioni ambientali particolari, infatti non sfruttano né le sorgenti naturali d'acqua calda, né le zone in cui il terreno ha temperature più alte della media a causa di un gradiente geotermico più elevato. Quello che questa tecnologia sfrutta è la temperatura costante che il terreno ha lungo tutto il corso dell'anno. Normalmente, già ad un metro di profondità, si riescono ad avere circa 10-15 °C. A questo punto si utilizza la pompa di calore che sfrutta la differenza di calore fra il terreno e l'esterno per assorbire calore dal terreno e renderlo disponibile per gli usi umani. Più questa differenza è alta migliore è il rendimento. La pompa di calore necessita di energia elettrica per funzionare, Template:In condizioni medie ogni 3 kWt resi disponibili si consuma 1 kWe. Per rendere l'impianto ambientalmente più compatibile ed energeticamente autosufficiente, si può abbinare ad un impianto fotovoltaico che produrrà l'energia necessaria per alimentare la pompa di calore. Lo stesso impianto può essere utilizzato per raffrescare gli edifici, facendo funzionare la pompa di calore al contrario, quindi assorbendo il calore dalla superficie e trasferendolo al sottosuolo. L'alternanza del funzionamento estate/inverno permette di non raffreddare sensibilmente la zolla di terreno in cui sono situate le sonde.
Uno dei primi impianti costruiti in Italia, che integra il geotermico con il fotovoltaico e il solare termico è stato realizzato a Porretta Terme, un piccolo Comune della Provincia di Bologna. A seguito di un finanziamento europeo il Centro CISA ha inaugurato nel marzo 2008 l'impianto che alimenta il locale Centro Civico - Centro Anziani di proprietà del Comune.

A Ferrara l’energia distribuita dalla rete di teleriscaldamento della città, nel 2011 è stata prodotta per il 42% dall'impianto geotermico ubicato in località Cassana, che sfrutta la presenza nel sottosuolo di una anomalia geotermica con acqua alla temperatura di circa 100 °C a profondità relativamente bassa, sfruttabile tramite pozzi appositamente perforati.

Sonde geotermiche

Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche: tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo. Le sonde possono essere di tre tipi:

• verticali
• orizzontali
• compatte

Nel primo caso la sonda scende nel terreno andando verso temperature più elevate e necessitando di macchinari particolari per il carotaggio del terreno; nel secondo caso è necessario un terreno sufficientemente pianeggiante nel quale i tubi vengono posati a seguito di un semplice scavo ad una profondità non elevata ma anche sul fondo di un lago artificiale o naturale sfruttando, in questo caso il calore dell'acqua. Nel terzo caso le sonde sono realizzate tramite strutture orizzontali o verticali annegate nel terreno a profondità variabili fra i 4 e gli 8 metri, scambiando calore tramite superfici elevate realizzate tramite apposite soluzioni strutturali.