Il calore è una forma di energia e l’energia geotermica è, letteralmente, il calore contenuto all’interno della Terra che genera fenomeni geologici su scala planetaria.
Origini e Misurazioni del Calore Terrestre
La presenza di vulcani, sorgenti termali e altri fenomeni termici deve aver portato i nostri antenati a supporre che alcune parti dell’interno della Terra sono calde. Le prime misure con termometri sono state fatte probabilmente nel 1740 da De Gensanne, in una miniera vicino Belfort, in Francia (Buffon, 1778). Nel 1870, i moderni metodi scientifici sono stati utilizzati per studiare il regime termico della Terra (Bullard, 1965), ma è solo nel ventesimo secolo, con la scoperta del ruolo svolto dal calore radiogenico, che abbiamo potuto comprendere pienamente fenomeni come l’equilibrio del calore e la storia termica della Terra.
Teorie e modelli termici realistici non erano disponibili fino al 1980, quando è stato dimostrato che non c’era equilibrio tra il calore degli isotopi radioattivi presenti nell’interno della Terra ed il calore disperso nello spazio dalla Terra, e che il nostro pianeta si sta lentamente raffreddando.
Componenti del Flusso di Calore Terrestre
Per dare un’idea del fenomeno coinvolto e la sua scala, citeremo un bilancio termico di Stacey e Loper (1988), in cui è stimato il flusso totale di calore della Terra a 42 x 1012 W (conduzione, convezione e irraggiamento ). Di questa cifra:
- 8 x 1012 W provengono dalla crosta terrestre, che rappresenta solo il 2% del volume totale della Terra, ma è ricca di isotopi radioattivi.
- 32,3 x 1012 W derivano dal mantello, che rappresenta il 82% del totale il volume della Terra.
- 1,7 x 1012 W provengono dal nucleo, che costituisce il 16% del volume totale e non contiene isotopi radioattivi.
In stime più recenti, basato su un numero maggiore di dati, il flusso totale di calore dalla Terra è di circa 6% superiore a quella utilizzata da Stacey e Loper nel 1988. Anche così, il processo di raffreddamento è ancora molto lento. La temperatura del mantello è diminuito non più di 300 a 350 °C in 3 miliardi anni, ed ora è di circa 4000 °C alla base.
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È stato stimato che il contenuto di calore totale della Terra, calcolato assumendo una temperatura superficiale media di 15 ° C, è dell’ordine di 12,6 x 1024 MJ, e che la crosta è dell’ordine di 5,4 x 1021 MJ (Armstead, 1983). L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma solo una parte di essa può essere sfruttata.
Sfruttamento Storico e Moderno dell'Energia Geotermica
Nella prima parte del XIX secolo i fluidi geotermici erano già utilizzati per il loro contenuto energetico. Una piccola industria chimica fu istituita in quel periodo in Italia (nella zona oggi conosciuta come Larderello), per estrarre l’acido borico dalle acque calde che emergono o da pozzi di piccola profondità. L’acido borico era ottenuto facendo evaporare le acque calde ricche di boro in bollitori metallici, usando il legno proveniente da foreste vicine come combustibile.
Lo sfruttamento del vapore naturale per lo sfruttamento di energia meccanica è iniziato più o meno lo stesso periodo. Il vapore geotermico è stato utilizzato per sollevare liquidi in impianti a gas primitivi e più tardi nelle pompe volumetriche e centrifughe e verricelli, che sono stati tutti utilizzati per l’estrazione o nell’industria dell’acido borico. 1875 la fabbrica di Larderello detenne il monopolio in Europa per la produzione di acido borico.
Tra il 1910 e il 1940 il vapore a bassa pressione in questa parte della Toscana è stato messo in servizio per riscaldare edifici industriali, residenziali e serre. Intanto anche altri paesi iniziarono a sviluppare le loro risorse geotermiche su scala industriale. Nel 1892 il primo sistema di teleriscaldamento geotermico cominciò ad operare in Boise, Idaho (USA). Il successo di questo esperimento fù una chiara indicazione del valore industriale dell’energia geotermica e segnò l’inizio di una nuova forma di sfruttamento energetico. La produzione di elettricità a Larderello fu un successo commerciale. Nel 1942 la potenza geotermoelettrica installata raggiunse 127.650 kW e.
Diversi paesi ben presto seguirono l’esempio dell’Italia. Nel 1919 i primi pozzi geotermici in Giappone furono perforati a Beppu, seguiti nel 1921 da pozzi trivellati a The Geysers, in California, USA.
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Tabella 1: Capacità Geotermica Installata per la Produzione di Elettricità (MW e)
| Anno | Capacità Installata (MW e) |
|---|---|
| 1995 | 6.833 |
| 2000 | 7.972 |
| 2003 | 8.402 |
L’utilizzo dell’energia geotermica nei paesi in via di sviluppo ha mostrato un trend interessante nel corso degli anni. Nei cinque anni tra il 1975 e il 1979 la capacità geotermica elettrica installata in questi paesi, aumentata da 75 a 462 E MW, entro la fine del successivo quinquennio (1984) questa cifra aveva raggiunto 1.495 MW e, mostrando un tasso di incremento durante questi due periodi di 500% e 223%, rispettivamente (Dickson e Fanelli, 1988). Nei successivi sedici anni, dal 1984 al 2000, c’è stato un ulteriore incremento di quasi il 150%.
Tabella 2: Usi Non Elettrici dell’Energia Geotermica nel Mondo (2000)
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Potenza termica installata (MW t) | 15.145 |
| Energia utilizzata (TJ / anno) | 190.699 |
Per quanto riguarda le applicazioni non elettriche dell’energia geotermica, dalla tabella 2 si nota che la potenza installata in tutto il mondo per l’anno 2000 è di 15.145 MW t) e l’energia utilizzata 190.699 TJ / anno. In quell’anno 58 paesi hanno segnalato usi diretti, rispetto al 28 nel 1995 e 24 nel 1985.
Gradiente Geotermico e Flusso di Calore Medio
Il gradiente geotermico dà la misura della temperatura con la profondità nella crosta terrestre. Sino alle profondità raggiungibili con perforazioni che utilizzano la tecnologia moderna, vale a dire più di 10.000m, il gradiente geotermico medio è di circa 2,5-3 ° C/100 m. Ad esempio, se la temperatura entro i primi metri sotto la superficie, che in media corrisponde alla temperatura media annua dell’aria esterna, è di 15 ° C, quindi si può ragionevolmente supporre che la temperatura sarà di circa 65 ° -75 ° C a 2000 m di profondità, 90 ° -105 ° C a 3000 m, e così via di seguito per alcune migliaia di metri.
Vi sono, tuttavia, vaste aree in cui il gradiente geotermico si discosta dal valore medio. Nelle zone in cui il basamento profondo ha subito un rapido affondamento e il bacino è pieno sedimenti giovani dal punto di vista geologico, il gradiente geotermico può essere inferiore a 1 ° C/100 m.
Il flusso di calore terrestre medio dei continenti e degli oceani è di 65 e 101 mWm-2, rispettivamente, che, arealmente ponderato, producono una media globale di 87 mWm-2 (Pollack et al., 1993).
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Calore Interno della Terra e Fenomeni Geologici
L’aumento della temperatura con la profondità, i vulcani, geyser, sorgenti termali, ecc, sono in un certo senso l’espressione visibile e tangibile del calore interno della Terra, ma questo calore è all’origine di altri fenomeni meno percettibili dagli uomo, ma di grandezza tale che la Terra è stata paragonata ad un enorme ‘motore termico’.
Il nostro pianeta è costituito da una crosta, che raggiunge uno spessore di circa 20-65 km nelle aree continentali e 5-6 km nelle aree oceaniche, un mantello, che è di circa 2900 km di spessore, e un nucleo, di circa 3470 km di raggio (vedi Figura 4). Le caratteristiche fisiche e chimiche della crosta, mantello e nucleo variano dalla superficie della Terra al suo centro.
L’involucro esterno della Terra, noto come litosfera, è costituito dalla crosta e lo strato superiore del manto. Uno spessore che va da meno di 80 km nelle aree oceaniche a più di 200 km nelle aree continentali, la litosfera si comporta come un corpo rigido. Sotto la litosfera è la zona nota come astenosfera, 200-300 km di spessore, con un comportamento ‘più plastico’.
Il lentissimo movimento delle celle convettive (pochi centimetri all’anno) è provocato dal calore prodotto in continuazione dal decadimento degli elementi radioattivi e dal calore proveniente dalle parti più profonde della Terra. Nelle zone in cui la litosfera è più sottile, e soprattutto nelle aree oceaniche, la litosfera è spinta verso l’alto e fratturata dal materiale molto caldo e parzialmente fuso, che sale dall’astenosfera, in corrispondenza dei rami ascendenti delle celle convettive.
E ‘questo meccanismo che ha creato e crea ancora le creste che si estendono per oltre 60.000 km sotto gli oceani, emergendo in alcune zone (Azzorre, Islanda) e talvolta insinuandosi tra i continenti come nel Mar Rosso. Una frazione relativamente piccola di rocce fuse, che risale dall’astenosfera emerge dalla cresta delle dorsali e, a contatto con l’acqua marina, solidifica e forma nuova crosta oceanica.
La maggior parte del materiale che sale dalla astenosfera, tuttavia, si divide in due rami, che scorrono in direzioni opposte sotto la litosfera. La generazione continua di nuova crosta e la spinta di questi due rami in direzioni opposte ha causato le dorsali oceaniche ai cui lati delle creste si allontanano le zolle ad una velocità di pochi centimetri all’anno. Di conseguenza, la superficie dei fondali oceanici (la litosfera oceanica) tende ad aumentare.
Questi fenomeni portano ad una semplice osservazione: poiché non c’è evidenza di un aumento della superficie della Terra con il tempo, la formazione di nuova litosfera lungo le dorsali e l’espansione dei fondali oceanici devono essere accompagnati da una contrazione analoga della litosfera in altre parti del il mondo. Questo è davvero ciò che accade nelle zone di subduzione, le maggiori delle quali sono indicate delle grandi fosse oceaniche, come quelle che si estendono lungo il margine occidentale dell’Oceano Pacifico e la costa occidentale del Sud America.
Nelle zone di subduzione la litosfera si inflette verso il basso, si immerge sotto la litosfera adiacente e scende nelle zone profonde molto calde, dove è “digerita” dal mantello, e il ciclo ricomincia. Parte del materiale litosferico ritorna allo stato fuso e può risalire alla superficie attraverso fratture della crosta. Di conseguenza, archi magmatici con molti vulcani si formano parallele alle trincee, sul lato opposto a quello delle creste.
Laddove le fosse si trovano nell’oceano, come nel Pacifico occidentale, gli archi magmatici formano catene di isole vulcaniche, dove le fosse si trovano lungo i margini dei continenti, gli archi consistono in catene montuose con numerosi vulcani, come le Ande. I margini delle piastre corrispondono a zone deboli, densamente fratturati della crosta, caratterizzati da una intensa sismicità, da un gran numero di vulcani e, a causa della salita di materiali molto caldi verso la superficie, da un flusso elevato di calore terrestre.
Sistemi Geotermici: Componenti e Meccanismi
I sistemi geotermici possono formarsi in regioni con un normale o leggermente al di sopra gradiente geotermico, e specialmente nelle regioni prossime ai margini di placca dove i gradienti geotermici possono essere significativamente superiore al valore medio. Un sistema geotermico è costituito da tre elementi principali: una fonte di calore, un serbatoio e un fluido, che è il vettore che trasporta il calore.
La fonte di calore può essere:
- un’intrusione magmatica che ha raggiunto profondità relativamente basse (km 5-10)
- come in certi sistemi a bassa temperatura, a temperatura normale della Terra, che aumenta con la profondità.
Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore. Il serbatoio generalmente è compreso tra due livelli di rocce impermeabili ed è collegato alla superficie attraverso la quale le acque meteoriche possono sostituire anche parzialmente o sostituire i fluidi che risalgono dal serbatoio tramite fessure naturali o mediante pozzi. Il fluido geotermico è l’acqua, nella maggior parte dei casi meteorica in fase liquida o vapore, a seconda della sua temperatura e pressione.
La convezione si verifica a causa del riscaldamento e la conseguente espansione termica del fluido in un campo gravitazionale; il calore, che viene alimentato alla base del sistema di circolazione, è la reazione che alimenta il sistema. Il fenomeno della convezione, per sua natura, tende ad aumentare la temperatura nella parte superiore di un sistema e a diminuirlo nella parte inferiore (White, 1973).
Il fenomeno che abbiamo appena descritto può sembrare semplice, ma la ricostruzione di un buon modello di un sistema geotermico reale non è affatto facile da realizzare. Si richiede abilità in molte discipline e di una vasta esperienza, soprattutto quando si tratta di sistemi ad alta temperatura.
Di tutti gli elementi di un sistema geotermico, la fonte di calore è l’unica che deve essere naturale. Se esistono le condizioni favorevoli, gli altri due elementi potrebbero essere artificiali. Ad esempio, i fluidi geotermici estratti dal serbatoio per alimentare la turbina in un impianto geotermico potrebbero, dopo il loro utilizzo, essere iniettati nel serbatoio attraverso pozzi di iniezione specifici. In questo modo la ricarica naturale del serbatoio è integrata dalla ricarica artificiale.
Ricarica artificiale attraverso pozzi di iniezione può anche contribuire a ricostituire e mantenere i campi geotermici ‘vecchi o’ esauriti ‘. Per esempio, a The Geysers in California, USA, uno dei più grandi campi geotermici del mondo, la produzione ha cominciato a ridursi drasticamente alla fine degli anni ‘80 a causa della mancanza di liquidi. Il primo progetto di questo tipo, progetto di riciclaggio dei Geyser Sud-Est degli effluenti, è stato lanciato nel 1997, per il trasporto di acque reflue trattate per 48 km al campo geotermico. Questo progetto ha portato alla riattivazione di un numero di impianti che erano stati abbandonati a causa di una mancanza di fluidi.
Nei cosiddetti Hot Dry Rock (HDR) i progetti, che sono stati sperimentati per la prima volta a Los Alamos, New Mexico, USA, nel 1970, sia il fluido che il serbatoio sono artificiali. Acqua ad alta pressione viene pompata attraverso un pozzo appositamente perforato in un corpo profondo di roccia calda compatta, provocando la sua fratturazione idraulica. L’acqua penetra e circola nelle fratture prodotte artificialmente ed estrae il calore dalle rocce all’intorno, che funzionano come un serbatoio naturale. Il progetto di Los Alamos è stato il precursore per altri progetti simili in Australia, Francia, Germania, Giappone e Regno Unito.
Il Flusso di Calore Terrestre: Dettagli e Cause
Il flusso di calore terrestre (la quantità di calore emessa in un’unità di tempo per ogni unità di superficie) è molto basso: 0.06 W per m2. Tuttavia, l’energia totale emessa in un anno dal flusso di calore è notevole.
Il calore è dovuto al fatto che tra i materiali interni della Terra sono presenti isotopi radioattivi (isotopo=atomo che presenta lo stesso numero di protoni ed elettroni ma diverso numero di neutroni). L’energia emessa dagli isotopi radioattivi si trasforma nel calore che fluisce dalla superficie della terra.
Scendendo lungo il raggio della Terra la temperatura aumenta di 1° ogni 33 m: se continuasse così fino al centro della terra, esso avrebbe una temperatura di gran lunga superiore a quella di Curie, il punto in cui le sostanze non sono più magnetiche (768°C): ma se il nucleo esterno contiene ferro che permette al pianeta di comportarsi da magnete, allora il nucleo esterno deve avere una temperatura inferiore a questa. Nel nocciolo si calcola invece che la temperatura è di circa 4300°C.
L'Origine del Calore Interno della Terra
L'esistenza di un'energia termica all'interno della Terra è un fatto certo e ben conosciuto. Vulcani, sorgenti termali, soffioni, geyser e le elevate temperature presenti nelle miniere e nei pozzi documentano in modo inequivocabile la presenza di un calore interno.
Le cause che hanno prodotto alla formazione del calore attualmente presente all'interno della terra sono molteplici. Gran parte di esso deriva dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nelle rocce, in particolare quelle acide della crosta terrestre, che contengono uranio, torio e potassio, con tempo di dimezzamento molto lungo, e sarebbero responsabili del 40% delle emissioni termiche della superficie.
Gli elementi radioattivi avrebbero determinato inoltre la fusione dei metalli, in particolare del ferro. Quest'ultimo spostandosi verso il centro della Terra a causa della gravità, avrebbe liberato grandi quantità di energia gravitazionale sotto forma di calore, alzando ulteriormente la temperatura. Infine, va aggiunto il calore primordiale della Terra, che si aggirerebbe attorno ai 1000°C, dovuto alla pressione prodotta dalla compattazione delle particelle e dal loro attrito.
Il Gradiente e il Grado Geotermico
Il gradiente geotermico è l'aumento della temperatura, espressa in gradi centigradi, ogni 100 metri di profondità. Ha un valore medio di 2 - 3°C/100 metri, ma può variare anche notevolmente da località a località, con punte di 0,6°C/100 m e 14°C/100 m, a causa di particolari fenomeni geologici.
Il grado geotermico è il numero di metri che bisogna scendere sotto la superficie terrestre per avere l'aumento di 1°C. Il grado geotermico è in media circa 39 m. Applicando questo valore all'intero raggio terrestre, otterremmo una temperatura al centro della Terra di oltre 190000°C, ma una tale situazione provocherebbe la fusione del nostro pianeta, per cui questo valore deve avere validità solo per la superficie.
Sappiamo, infatti, dalla sismologia che le onde trasversali, che non si trasmettono sui fluidi, attraversano tutto il mantello, vengono bloccate nel nucleo esterno per ricomparire nel nucleo interno; perciò si può dedurre, in base alla composizione mineralogica, che la temperatura del centro della Terra non può superare i 5000°C. A tale temperatura, le rocce dovrebbero fondere ma, a causa dell'elevatissima pressione, ciò non avviene.
Attraverso i dati forniti dalle onde sismiche e dai valori della pressione, è stato calcolato l'andamento delle temperature all'interno della Terra, descritto da una curva chiamata geoterma. Osservando l'andamento nel grafico, si può vedere che:
- la litosfera ha una temperatura inferiore a quella di fusione e perciò è rigida;
- l'astenosfera si presenta plastica perché vicina al punto di fusione;
- la restante parte del mantello è solida, con la curva di fusione sopra la geoterma;
- il nucleo esterno ha, invece, una temperatura superiore a quella di fusione e perciò è fluido;
- il nucleo interno ha la geoterma nuovamente sotto il punto di fusione e quindi è allo stato solido.
Il Flusso di Calore: Dettagli e Distribuzione
Il flusso di calore è la quantità di energia termica che si allontana dalla Terra per unità di area nell'unità di tempo. L'unità di misura è l'HFU (Heat Flow Unit), equivalente a 42 milliwatt per metro quadro (42 mW/m2).
Nei continenti, costituiti in prevalenza da rocce magmatiche acide, ricche di isotopi radioattivi, il flusso medio di calore è di 1,5 HFU. Il valore è inferiore nelle zone interne, geologicamente stabili, che presentano una crosta spessa, e maggiore nelle aree attive, dove la crosta è più sottile. L'Italia, geologicamente giovane, ha un flusso di calore superiore alla media, in particolare nelle aree vulcaniche della Toscana e del Lazio.
Negli oceani il flusso di calore è diverso a seconda delle aree e, a parte nelle dorsali, è appena inferiore a quello dei continenti. Nei bacini oceanici è circa 1,3 HFU, mentre è inferiore a 1 HFU nelle fosse; lungo le dorsali il flusso è maggiore di 2 HFU. Poiché le rocce basiche contengono pochi minerali radioattivi, i valori dovrebbero essere nettamente inferiori a quelli dei contenenti, invece la differenza è molto lieve. Il motivo non è chiaro; si suppone che il flusso di calore degli oceani sia aumentato a causa delle correnti convettive del mantello che fanno risalire materiale caldo lungo le dorsali, e perché la crosta oceanica è molto più sottile di quella continentale.
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