L’Energia Geotermica o la Geotermia (dal Greco antico “geo”, terra, e “thermos”, calore) è, nella sua definizione più vasta, il calore naturale della Terra. Una quantità immensa di energia termica è generata e conservata nel nucleo, nel mantello e nella crosta terrestri. Alla base della crosta continentale, si suppone che le temperature varino tra i 200 e i 1000°C; al centro della Terra esse si stima siano nell’intervallo di 3500-4000°C.
Il calore è trasferito dall’interno verso la superficie prevalentemente per conduzione, determinando un aumento di temperatura dall’esterno verso l’interno della Terra di circa 25-30°C al Km. La quantità totale di calore contenuto nel nostro pianeta è calcolata essere di 12.6 x 10 alla 24 MJ mentre quello nella crosta terrestre è stimato sui 5,4 x 10 alla 21 MJ.
Il calore interno si manifesta in superficie in siti limitati, come vulcani, geysers, fumarole e sorgenti calde. Esso, tuttavia, ha dimensioni tali da essere la causa di fenomeni di scala planetaria, quali il movimento delle placche crostali. E' infatti il calore interno della terra che provoca nell'astenosfera i moti dei materiali fusi o semifusi che "trascinano" le placche litosferiche; queste placche si spostano in continuazione e reciprocamente, collidono, si formano e sono "digerite".
Cos'è l'Energia Geotermica?
L'energia geotermica è una fonte di energia rinnovabile che sfrutta il calore naturalmente presente nella crosta terrestre per produrre elettricità o calore. Questo calore aumenta progressivamente con la profondità, secondo il cosiddetto gradiente geotermico, che in media è di circa 3°C ogni 100 metri. Ma come è possibile recuperare il calore dalla Terra? I vulcani, i gyser e le sorgenti di acqua calda ne sono un esempio.
La temperatura del suolo aumenta man mano che si scende in profondità, registrando un incremento di 3 gradi centigradi ogni 100 metri: le acque sotterranee, a contatto con rocce ad alte temperature, si trasformano in vapore. L'energia geotermica è una fonte affidabile e stabile da cui è possibile ricavare una quantità di energia costante nel tempo e rispetto alle altre fonti rinnovabili si caratterizza per un'occupazione del suolo più contenuta.
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Tipologie di Sistemi Geotermici
Un sistema geotermico (ad acqua o vapore dominante) può essere definito schematicamente come "un sistema acqueo convettivo, che, in uno spazio confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica al luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)". Un sistema geotermico è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio ed il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore.
- Sistemi ad acqua dominante: In questi sistemi l'acqua liquida è la fase continua, che controlla la pressione nel serbatoio geotermico. Questi sistemi geotermici, la cui temperatura può andare da ‹125°C a ›225°C, sono i più diffusi nel mondo. Essi possono produrre, in funzione dalla loro temperatura e pressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco.
- Sistemi a vapore dominante: Nel serbatoio di questi sistemi normalmente coesistono acqua liquida e vapore, che è la fase continua che controlla la pressione. Sono sistemi ad alta temperatura, che normalmente producono vapore secco o surriscaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono piuttosto rari; i più conosciuti sono Larderello in Italia e The Geysers in California.
- Sistemi geopressurizzati: che possono formarsi nei grandi bacini sedimentari (p.e. il Golfo del Messico) a profondità di 3-7 km. I sistemi geopressurizzati sono sistemi chiusi, privi di alimentazione, nei quali il fluido si trova a pressione litostatica; costituiscono una categoria a sé stante. Potrebbero produrre energia termica e idraulica (acqua calda in pressione) e gas metano. Questa risorsa è stata studiata in modo approfondito, ma, sino ad oggi, non è seguito uno sfruttamento industriale.
Applicazioni dell'Energia Geotermica
L’applicazione della geotermia è stata però limitata a zone prossime a bordi di placche tettoniche o in aree vicine ai cosiddetti “hot sposts” (punti caldi). Oggi si è progressivamente caratterizzata da nuovi sviluppi tecnologici, che hanno permesso di ampliare enormemente le potenzialità di utilizzo, in alcuni casi in modo indipendente dal territorio geografico, soprattutto per sistemi di riscaldamento degli edifici (pompe di calore geotermiche). Circa settanta paesi nel mondo utilizzano 270 PJ all’anno di riscaldamento con geotermia. Più di una metà di questa energia è utilizzata per riscaldamento domestico e un terzo per piscine.
Nell’utilizzo diretto dell’energia geotermica si sfrutta il calore direttamente prodotto dal sottosuolo, attraverso i processi di cogenerazione geotermica (generazione congiunta di elettricità e calore) oppure l’acqua proveniente da aree dove il terreno è caldo (zone vulcaniche o termali). Si tratta in questo secondo caso di geotermia superficiale (“shallow”), presente in diverse parti del mondo, dall’Ovest degli Stati Uniti, all’Islanda, al Giappone, alla stessa Italia e altri “hot spots”.
In queste aree acqua o vapore possono essere deviati da sorgenti naturali calde e portate direttamente in termosifoni, sistemi radianti oppure scambiatori di calore. La temperatura del terreno, già a pochi metri di profondità, si mantiene grossomodo costante durante l’arco dell’anno: è, questa, una caratteristica comune a qualsiasi località del Pianeta, fortemente correlata all’azione della radiazione solare sulla crosta terrestre, che la trattiene e immagazzina sotto forma di energia pulita e rinnovabile.
Pompe di Calore Geotermiche
Questa forma di geotermia sfrutta il calore costante del sottosuolo (circa 10-15°C già a 1 metro di profondità), attraverso pompe di calore geotermiche. Le pompe di calore geotermiche sono altamente efficienti: per ogni 1 kW di energia elettrica consumata, producono in media 3 kW termici. Ideata da Lord Kelvin nel 1852 la tecnologia della pompa di calore trova il suo sviluppo dagli anni ’50 del secolo scorso, soprattutto negli Stati Uniti e in Svezia.
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La pompa di calore è una macchina che utilizza l’energia dell’aria, del suolo o dell’acqua di falda e la converte in energia termica. La scelta di una pompa di calore dipende dalle caratteristiche climatiche del luogo dove viene installata, dalle caratteristiche tipologiche dell’edificio e dalle condizioni di impiego.
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Oltre al riscaldamento invernale e alla fornitura di acqua calda a uso sanitario, invertendo il ciclo garantisce anche il raffrescamento degli ambienti.
Tipologie di Pompe di Calore
Esistono diverse tipologie di pompe di calore il cui funzionamento si basa sui medesimi principi. Le pompe di calore si dividono, innanzitutto, in due categorie principali:
- Pompe di calore monovalenti: ossia indipendenti da altri generatori di calore;
- Pompe di calore bivalenti: che vanno ad integrarsi con altri generatori di calore, particolarmente adatte per quelle aree soggette ad un consistente abbassamento delle temperature.
In funzione, invece, del fluido con cui scambiano calore, le pompe di calore possono essere classificate in 4 principali tipologie, indicando per prima la sorgente fredda (evaporatore) e per secondo il pozzo caldo (condensatore):
- Pompa di calore aria-acqua: svolge sia la funzione di riscaldamento che quella di raffrescamento. Funziona generando calore attraverso lo scambio di calore con l’aria esterna e impiegandolo in un ciclo per trasferire calore da un fluido più freddo a uno più caldo, ovvero l’acqua sanitaria o quella dell’impianto di riscaldamento;
- Pompa di calore aria-aria: è composta da almeno due unità (di cui una esterna) e dotate di split e sistema di canalizzazione dell’aria. Sono esempi di pompe di calore aria-aria i condizionatori;
- Pompa di calore acqua-acqua: utilizza l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda, in entrambe le circostanze lo scambio termico all’evaporatore e al condensatore avviene tra il fluido refrigerante e l’acqua.
- Pompa di calore terra-acqua (pompa di calore geotermica): riscalda l’acqua servendosi del calore presente nel terreno, catturandolo tramite una sonda geotermica. Questo tipo di macchina ha un elevato risparmio energetico, specie se unita a sistemi di riscaldamento a bassa temperatura. Di contro, richiede molta attenzione nella sua manutenzione.
L'Energia Geotermica in Italia
L’Italia è stata un Paese pioniere nell’uso dell’energia geotermica: a Larderello, nel 1904, fu condotto il primo esperimento al mondo di produzione di elettricità dal calore del sottosuolo. Il primo impianto geotermoelettrico fu poi avviato nel 1913. Nel campo geotermico Larderello-Travale/Radicondoli, il serbatoio profondo è a vapore dominante, con pressioni fino a 20 MPa e temperature tra 300 e 350°C a circa 3.000 metri di profondità.
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La geotermia in Italia è molto diffusa e secondo i dati del 2019 rappresenta il 2% e del 5% del fabbisogno energetico complessivo e il 5% circa per quanto riguarda le sole fonti rinnovabili; si stima inoltre che ogni anno il nostro paese produca 6 terawattora di energia geotermica. Nel nostro Paese le zone ad alta geotermia si trovano in Toscana: si tratta del triangolo Larderello-Travale-Radicondoli e del Monte Amiata. A Larderello si trova il più grande impianto geotermico di tutta Europa; oltre che in Toscana le centrali geotermiche in Italia sono dislocate tra Campania, Veneto, Emilia-Romagna, Sicilia e Friuli-Venezia-Giulia.
Oltre allo storico impianto di Larderello, va sicuramente evidenziato l’interessante progetto per l’area dei Campi Flegrei, a Ovest di Napoli, il CFDDP (Campi Flegrei Deep Drilling Project), che ha il doppio obiettivo di studiare i meccanismi che generano il vulcanismo più catastrofico del Pianeta, mitigando l’altissimo rischio vulcanico di quest’area, e di sviluppare nuove tecnologie per lo sfruttamento dell’energia geotermica.
Vantaggi e Svantaggi dell'Energia Geotermica
Fonte di energia verde e rinnovabile per eccellenza, l'energia geotermica è un'energia alternativa e pulita a cui fanno da cornice non trascurabili vantaggi. La produzione di energia è continua, indipendentemente dalle temperature esterne, dalle condizioni meteorologiche e dall'alternanza giorno-notte. Tra le energie rinnovabili, quella geotermica è la fonte che riesce a produrre la maggiore quantità di elettricità e può essere sfruttata anche per produrre riscaldamento. Gli impianti geotermici sono silenziosi, non creano problemi acustici e non emettono anidride carbonica e polveri sottili.
Gli scarti di produzione vengono rimessi in circolo grazie al riciclo del vapore prodotto e l'assenza di processi di combustione riduce al minimo la necessità di interventi di manutenzione sugli impianti. Un impianto geotermico domestico può sia riscaldare che raffreddare l'abitazione riducendo le spese in bollette e con costi di manutenzione irrisori rispetto a un impianto tradizionale.
Gli svantaggi delle pompe di calore sono legati essenzialmente ai costi di installazione, che comunque possono essere recuperati usufruendo degli incentivi fiscali, e all’ingombro. Più che di svantaggi bisogna parlare di accorgimenti nella scelta dei modelli.
Tabella: Capacità Geotermica Installata nei Principali Paesi (MW)
| Paese | Capacità (MW) |
|---|---|
| Stati Uniti | 3.900 |
| Indonesia | N/A |
| Filippine | N/A |
| Turchia | N/A |
| Nuova Zelanda | N/A |
| Kenya | N/A |
| Italia | 916 |