L’energia geotermica è una forma di energia rinnovabile disponibile con continuità. Con questo termine si intende sia la fonte energetica che l’energia prodotta con le tecnologie geotermiche.
Riguardo la fonte energetica va detto che per quanto geotermia significhi letteralmente “il calore (termia) contenuto nell’interno della Terra (geo)”, una energia termica enorme che ha origine da processi geologici e planetari, l’espressione “energia geotermica” è spesso impiegata per indicare quella porzione di calore, racchiuso al di sotto della superficie terrestre, che è accessibile all’uomo e che può, o potrebbe, essere estratta dal sottosuolo per essere utilizzata a vari scopi.
L’energia geotermica è anche l’energia termica o elettrica prodotta mediante numerose tecnologie, che permettono di utilizzare il calore terrestre trasformandolo nelle forme di energia necessarie.
Grazie a queste tecnologie è possibile estrarre energia dalle risorse geotermiche sotterranee, o utilizzare il sottosuolo come una enorme batteria di accumulo energetico. Esse sono impiegate per produrre energia sotto forma di elettricità, calore per applicazioni industriali, agricoli e termali, e climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) degli ambiente.
Per maggiori dettagli rispetto a quanto qui brevemente esposto, leggere il documento disponibile a questo link.
Origine
Il nostro pianeta si sta lentamente raffreddando; la quantità di calore primordiale in esso contenuta è ancora enorme (12,6 x 1024 MJ) e si muove dalle profondità della Terra verso la sua superfice, dove viene dissipato nell’ambiente. Al flusso di calore primordiale si aggiunge quello del calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell’uranio, del torio e del potassio, presenti in molte rocce e materiali che costituiscono la crosta terrestre. Pur con estrema variabilità da luogo a luogo, in funzione delle caratteristiche geologiche, il calore fluisce ininterrottamente; si stima che il flusso di calore medio emesso in aree continentali sia di 57 mW/m2 (milliwatt a metro quadro di superficie), mentre in aree oceaniche il flusso è molto più elevato, circa 99 mW/m2. Il calore sotterraneo è comunque molto disperso, e se ne può utilizzare solo una piccola parte, laddove è possibile recuperarlo in una forma concentrata.
Le risorse geotermiche
Il continuo rilascio di calore fa si che, in generale, la temperatura diminuisca spostandosi dall’interno della Terra verso la sua superficie. Abituati a guardare le cose da un punto di vista umano, noi diciamo che la temperatura terrestre aumenta con la profondità, secondo il cosiddetto gradiente geotermico, la variazione di temperatura con la profondità (in °C/km ovvero gradi centigradi per chilometro). Come il flusso, anche il gradiente varia da luogo a luogo – con valori massimi nelle zone vulcaniche – e in media, in zone continentali, è pari a 30 °C/km.
In principio, quindi, basta accedere a sufficiente profondità per ottenere la temperatura voluta. Come abbiamo già detto, però, il calore nel sottosuolo è molto disperso, e per concentrarlo e trasportarlo in superficie occorre che un vettore, ovvero l’acqua che circola nelle rocce e si equilibra termicamente con esse, venga prelevato e portato in superficie. La risorsa geotermica più utilizzata al mondo è il cosiddetto sistema geotermico idrotermale, schematicamente composto da tre parametri: una sorgente di calore (il calore sotterraneo, ancor meglio quando elevato dalla presenza di un corpo magmatico rovente), un “serbatoio” (una o più formazioni rocciose permeabili per fratturazione) ed il fluido naturale sotterraneo, ovvero acqua meteorica che penetra nel sottosuolo. I migliori sistemi hanno anche una copertura isolante sopra il serbatoio, che rallenta la dispersione di calore e fluido verso la superficie.
Laddove l’acqua o la fratturazione nel serbatoio non fossero sufficienti a concentrare efficacemente il calore sotterraneo, esistono tecniche che permettono di modificare questi parametri, ed in gergo il sistema geotermico prende il nome di EGS, Enhanced o Engineered Geothermal System, che in italiano si tradurrebbe come sistema geotermico potenziato o ingegnerizzato. Si utilizza però il termine inglese, anche perché in Italia non sono presenti progetti EGS.
L’utilizzo di fluidi molto caldi da profondità usualmente elevate viene spesso collegato a termini quali “risorse di alta e media entalpia”, “risorse nazionali” e “tecnologie deep geothermal (geotermia profonda)”.
Il terreno come batteria di accumulo termico
Un’altra caratteristica dello stato termico del sottosuolo, oltre alla presenza del flusso-gradiente geotermico, è la stabilità termica. Il terreno infatti, grazie alla sua elevata inerzia termica, già a moderata profondità risente solo marginalmente delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali della temperatura dell’aria ambiente. Il concetto è quello delle cantine, fresche nelle estati più torride, e sempre fresche ma mai ghiacciate in inverno, anche sotto la neve.
Grazie alle tecnologiegeotermiche, il terreno viene utilizzato come se fosse un immenso serbatoio termico, recuperando dal sottosuolo il calore necessario per il riscaldamento invernale – quando il terreno si trova a temperature relativamente più calde dell’aria esterna – o viceversa cedendo al terreno il calore e raffrescando gli ambienti durante l’estate – quando la temperatura del terreno è più bassa di quella dell’aria.
Le tecnologie che utilizzano la geotermia in questa modalità vengono spesso collegate a termini quali “risorse di bassa entalpia”, “piccole utilizzazioni locali” e “shallow geothermal (geotermia superficiale)”.
Impieghi
Il fluido prelevato dal sottosuolo viene impiegato in una varietà di applicazioni, a partire da quello termale e balneologico, molto comune in Italia, per riscaldare ambienti, serre e in processi industriali, e in alcuni casi per produrre energia elettrica, in funzione della temperatura del fluido disponibile.
La produzione di elettricità da impianti geotermici consiste nella conversione del calore di un fluido in energia elettrica attraverso l’utilizzo di turbogeneratori, nei quali un fluido in fase vapore fornisce la forza necessaria per muovere le palettature di una turbina facendola ruotare, quindi generando energia meccanica che viene poi trasformata in energia elettrica da un generatore. Il vapore fornito alle turbine può derivare direttamente dai fluidi sotterranei – quando sono in parte o totalmente vaporizzati (tecnologie a contropressione, condensazione e flash) – oppure da fluidi diversi, secondari – riscaldati fino allo stato gassoso con il calore proveniente dai fluidi geotermici mediante uno scambiatore di calore (tecnologie binarie). L’idea di produrre elettricità con i vapori geotermici è nata a Larderello, in Toscana, all’inizio del 1900. Da allora e da quel luogo, la produzione geotermoelettrica si è allargata a molte zone del mondo, ed in Italia è aumentata progressivamente, interrotta solo durante la seconda guerra mondiale a causa del bombardamento degli impianti.
Perché la produzione elettrica risulti economica occorre che il calore geotermico sia sufficientemente concentrato, e quindi che i fluidi prodotti mediante uno o più pozzi abbiano temperature e flussi elevati. Dopo l’utilizzo, il fluido geotermico viene reiniettato nel sottosuolo.
La produzione del calore
L’ uso diretto del calore geotermico comprende una gran varietà applicazioni. Le più frequenti sono il riscaldamento di serre e delle vasche per l’allevamento di pesci e specie acquatiche; in aree fredde sono frequenti anche sistemi per sciogliere il ghiaccio delle strade e delle piste negli aeroporti.
La climatizzazione
L’applicazione più importante di produzione di calore geotermico è quella dedicata al riscaldamento e raffrescamento degli ambienti, ovvero alla climatizzazione. Nei singoli edifici viene effettuata mediante le pompe di calore geotermiche, ovvero pompe di calore simili a quelle dei comuni climatizzatori ad aria adattate però a scambiare il calore con il terreno, ottimizzando così l’efficienza energetica dell’impianto. Il prelievo e reimmissione di calore nel terreno avviene tramite sonde geotermiche, ovvero tubazioni infisse sotto la superficie terrestre a profondità dell’ordine di decine o al massimo poche centinaia di metri. Si possono utilizzare i cosiddetti “sistemi aperti” – che utilizzano l’acqua di falda pompata in superficie e restituita al sottosuolo mediante pozzi – e i “sistemi chiusi” basati sul principio del “geoscambio” – che prevedono l’accoppiamento con il terreno attraverso un sistema di tubazioni chiuse (le sonde di geoscambio) al cui interno scorre il fluido termovettore (solitamente acqua), che scambia calore alle pareti dei tubi. La pompa di calore permette di modulare la temperatura naturale del fluido in funzione della richiesta energetica dell’edificio da climatizzare. Nei casi in cui la temperatura del fluido sia già alla temperatura richiesta, la pompa di calore non è più necessaria, e si parla di riscaldamento o raffrescamento diretto (rispettivamente free heating e free cooling).
Per riscaldare gruppi di edifici, quartieri o intere città si utilizza invece il teleriscaldamento geotermico, un sistema in cui il calore prodotto da un impianto centralizzato viene distribuito alle utenze finali attraverso una rete di distribuzione. Il fluido distribuito alle utenze viene riscaldato tramite uno scambiatore di calore, che trasferisce il calore del fluido geotermico, prelevato con uno o più pozzi. Qualora non si raggiunga la temperatura richiesta dall’impianto, quest’ultima viene innalzata con pompe di calore.
Una risorsa energetica versatile
Grazie alla varietà delle tecnologie e applicazioni geotermiche, è possibile produzione elettricità e calore (co-produzione) o progettare usi “in cascata”, integrando tecnologie che utilizzano temperature progressivamente più basse. La geotermia è una risorsa molto flessibile, in quanto permette di produrre energia con continuità, 24 ore su 24, o, con molte tecnologie, di modulare l’energia prodotta adattandola alla richiesta energetica.
Il basso impatto ambientale, la rinnovabilità, l’affidabilità e la flessibilità fanno dell’energia geotermica un pilastro della transizione energetica globale.
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