Energia Geotermica: Cos’è, Come Funziona e Come si Produce

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 del pianeta Terra (gradiente geotermico) dovuto all’energia termica rilasciata dai processi di decadimento nucleare naturale degli elementi radioattivi quali l’uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all’interno della Terra (nucleo, mantello e crosta terrestre).

Come funziona l’energia geotermica?

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.

Storia e utilizzo

Le sorgenti calde sono state utilizzate per la balneazione almeno fin dal Paleolitico. Il centro termale più antico conosciuto è una piscina in pietra in Cina sulla montagna Lisan costruita durante la dinastia Qin nel III secolo a.C., nello stesso luogo in cui il palazzo Huaqing Chi fu poi costruito. Nel primo secolo d.C., i Romani conquistarono Aquae Sulis, ora Bath, nel Somerset in Inghilterra e utilizzarono le sue sorgenti calde per alimentare i bagni pubblici e il riscaldamento a pavimento. I costi di ammissione per questi bagni rappresentano probabilmente il primo utilizzo commerciale dell’energia geotermica. Il sistema più antico di riscaldamento geotermico per un quartiere è stato installato a Chaudes-Aigues, Francia ed è divenuto operativo nel XIV secolo. Il primo sfruttamento industriale è iniziato nel 1827 con l’uso del vapore di un geyser per estrarre l’acido borico da un vulcano di fango, presso Larderello, in Italia.

Nel1892,il primo sistema di teleriscaldamento statunitense a Boise, Idaho fu alimentato direttamente da energia geotermica ed è stato copiato a Klamath Falls, Oregon nel 1900.

Un profondo pozzo geotermico è stato usato per riscaldare le serre in Boise nel 1926 e geyser sono stati utilizzati per riscaldare le serre in Islanda e in Toscana circa nello stesso periodo.

Charlie Lieb sviluppò il primo scambiatore di calore in fondo ad un pozzo nel 1930 per riscaldare la propria casa. Il vapore e l’acqua calda dal geyser iniziarono ad essere utilizzati per il riscaldamento domestico in Islanda a partire dal 1943.Capacità elettrica geotermica mondiale. La linea rossa superiore è la capacità installata, la linea verde inferiore misura la produzione.

PRIMO GENERATORE GEOTERMICO

Nel XX secolo, la domanda di energia elettrica ha portato a considerare la geotermia come fonte di generazione. Il principe Piero Ginori Conti sperimentò il primo generatore geotermico il 4 luglio 1904, presso lo stesso campo di Larderello dove era iniziata l’estrazione degli acidi da geotermia.

Questo esperimento portò all’accensione di cinque lampadine. Più tardi, nel 1911, in quel posto il primo impianto geotermico commerciale del mondo è stato costruito. Fino al 1958 questo è stato il primo impianto di produzione industriale al mondo di energia elettrica geotermica, fino a quando la Nuova Zelanda ne costruì uno nel 1958. Nel 2012 essa ha prodotto circa 594 megawattora.

Lord Kelvin inventò la pompa di calore nel 1852 e Heinrich Zoelly brevettò, nel 1912, l’idea di usarla per estrarre calore dalla terra. Ma ciò non è stato realizzato fino alla fine del 1940 quando la pompa di calore geotermica è stata prodotta con successo.

La prima era probabilmente un sistema di 2,2 kW a scambio diretto fatto in casa di Robert C. Webber, ma le fonti non concordano il momento esatto della sua invenzione. J. Donald Kroeker progettò la prima pompa di calore geotermica commerciale per riscaldare l’edificio del Commonwealth (Portland, Oregon).

Il professor Carl Nielsen, dell’Ohio State University, ha realizzato la prima versione residenziale ad anello aperto nella sua casa nel 1948. La tecnologia è diventata popolare in Svezia, a seguito della crisi petrolifera del 1973, ed è cresciuta lentamente in tutto il mondo da allora. Lo sviluppo del tubo di polibutilene, avvenuto nel 1979, aumentò notevolmente la redditività della pompa di calore.

PRIMA CENTRALE GEOTERMICA ELETRICA NEGLI STATI UNITI

Nel 1960, la Pacific Gas and Electric mise in funzione la prima centrale geotermica elettrica di successo negli Stati Uniti, presso The Geysers in California. La turbina originale è durata per più di 30 anni e produceva 11 MW di potenza netta.

La centrale a ciclo binario è stata presentata per la prima volta nel 1967 in Unione Sovietica e successivamente fu introdotta negli Stati Uniti nel 1981. Questa tecnologia permette la generazione di energia elettrica da fonti a temperatura molto più bassa rispetto al passato. Nel 2006, un impianto a ciclo binario in Chena Hot Springs, Alaska, è divenuto operativo per la produzione di energia elettrica da una bassa temperatura del fluido record di 57 °C.

Esistono tre tipologie differenti di sorgenti di energia geotermica e sono:

Le sorgenti geotermiche si possono dividere in tre tipi:

  • idrotermiche: la sorgente si trova a profondità non eccessive (1000–2000 m) e a seconda della pressione può essere classificata come sorgente geotermica a vapore o ad acqua dominante
  • geopressurizzate: la sorgente si trova a profondità maggiori (3000–10000 m) e l’acqua ivi contenuta è a pressioni elevate (1000 atm) e ad una temperatura di 160 °C
  • petrotermiche: la sorgente si trova a profondità maggiori rispetto alle precedenti ed è composta da rocce calde (senza acqua). Circa l’85% delle risorse geotermiche sono di questo tipo ma sono anche di difficile sfruttamento proprio per l’assenza dell’acqua.

Come funziona un impianto geotermico?

Innanzitutto bisogna distinguere tra impianti geotermici a bassa entalpia e centrali geotermiche.

La centrale geotermica solitamente sfrutta fonti di calore in profondità portate in superficie (geyser) o tramite trivellazione. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo ha abbastanza energia da alimentare una turbina che tramite la trasformazione da energia meccanica ad energia elettrica di un alternatore permette di alimentare la rete elettrica.

Solitamente viene utilizzato uno scambiatore di calore per non far circolare all’interno del sistema la stessa acqua che è a contatto con rocce e possibili agenti corrosivi, per non compromettere lo stato della turbina.

Solitamente vengono utilizzate pompe e compressori per spingere l’acqua fredda in profondità e garantire un flusso costante. A seconda della temperatura della fonte i sistemi possono essere a vapore o acqua dominanti. Nel primo caso è possibile alimentare una turbina. Nel secondo l’acqua calda viene utilizzata esclusivamente nel teleriscaldamento.

IMPIANTI A BASSA ENTALPIA

Gli impianti a bassa entalpia sono utilizzati come sistema di climatizzazione degli edifici sfruttando lo scambio termico con il sottosuolo superficiale per mezzo di una pompa di calore.

Poiché il calore nel sottosuolo proviene in gran parte dall’interno della Terra, la geotermia a bassa entalpia è classificata come fonte di energia rinnovabile, nonostante la pompa di calore consumi di per sé energia elettrica, solitamente prodotta a partire da altre fonti di energia.

Questi impianti dunque non generano energia elettrica ma sfruttano semplicemente la temperatura costante che il sottosuolo superficiale tende ad avere (tra i 16 e i 18 gradi) che rispetto all’aria esterna è più calda d’inverno e più fresca d’estate.

Rinnovabilità ed effetti sull’ambiente

L’elettricità da fonti geotermiche è considerata rinnovabile poiché il calore estratto localmente è minimo rispetto al calore contenuto e generato dall’intero pianeta, quindi non penalizzante a livello di equilibrio e sostenibilità. La terra ha un contenuto di energia termica stimato di circa 1031 Joules (3×10^15 TW/h). Per dare un idea della grandezza, circa 100 miliardi di volte il consumo di energia annuo mondiale.

Un 20% di questo calore è da imputare al fenomeno di accrescimento, mentre il restante è legato al decadimento di componenti radioattive storicamente e naturalmente presenti all’interno del mantello e del nucleo. I flussi termici naturali non sono in completo equilibrio, e il pianeta si sta raffreddando (in tempi da distribuire su differenti ere geologiche).

È dimostrato che l’estrazione umana è una frazione talmente minuta della naturale decrescita della temperatura che non accelera questo processo, ed è sicuramente un metodo di generazione di energia più pulito rispetto a numerosi altri.

Questa fonte di energia è sostenibile anche in quanto rispetta completamente gli ecosistemi presenti sul pianeta terra. In nessun modo lo sfruttamento di energia geotermica mette a rischio la possibilità dell’uomo di avere a disposizione la stessa quantità di risorsa geotermica attualmente disponibile (se usata correttamente e con i giusti accorgimenti).

ESAURIMENTO FONTE ENERGIA A LIVELLO LOCALE

L’estrazione tuttavia deve essere strettamente monitorata per evitare un esaurimento a livello locale, malgrado la sostenibilità a livello globale. Durante il corso di alcuni decenni le temperature locali di talune sorgenti possono sperimentare un decadimento, con una conseguente perdita di efficienza. Il sito naturalmente raggiunge un nuovo equilibrio talvolta a temperature più basse.

Tre dei più vecchi siti di estrazione (Lardello (ITA), Wairakei (NZE) e The Geysers (USA)) hanno sperimentato questo leggero fenomeno di esaurimento. Viene attribuito all’estrazione di acqua e calore in maniera sproporzionata rispetto a quanto venissero rifornite al sistema.

Queste tecniche si sono rivelate utili e fondate nelle tre zone già citate che diventano dunque un esempio di sostenibilità geotermica a lungo termine. Lardello è ormai operativa da più di un secolo (dal 1913), ed è un esempio mondiale di cui dovremmo andare molto fieri.

Nel caso di necessità, la trivellazione di ulteriori pozzi può rivelarsi utile e funzionale all’aumento di produzione di energia geotermica, a patto che venga correttamente valutata la sostenibilità del sistema.

I sistemi di estrazione Neozelandesi sono un esempio di “abuso” in quanto si riporta che per aumentare la produzione siano stati aggiunti, durante gli anni novanta, alcuni sistemi a isopentano, ma i dati non siano stati resi disponibili.

Si pensa che queste trivellazioni eccessive abbiano rischiato di esaurire le fonti locali, che però ora sono state recuperate e lavorano a massima efficienza.

Dalla terra non fuoriesce esclusivamente acqua calda ma anche composti in forma gassosa. Alcuni di questi gas sono potenzialmente pericolosi per l’ambiente e contengono diossido di carbonio (CO2), solfuro di idrogeno (H2S)metano (CH4), e ammoniaca (NH3). Questi agenti inquinanti contribuiscono a fenomeni come il riscaldamento globale e delle piogge acide.

Comparati però con una centrale a combustibili fossili il paragone è del tutto irrilevante: una centrale geotermica emette in media 122 kg di CO2 per MWh. Il carbone bituminoso (il più pulito) ne emette circa 95 ogni kWh: quindi circa mille volte in più.

MODERNI IMPIANTI DI ESTRAZIONE

Comunque tutti i moderni impianti di estrazione hanno sistemi di misurazione e controllo delle emissioni di gas pericolosi e detti sistemi contribuiscono anche a ridurre queste ultime.

L’acqua che viene estratta dalle fonti geotermiche essa stessa potrebbe avere dissolta al suo interno tracce di elementi tossici come mercurio, arsenico, boro e antimonio. Questi elementi precipitano con il raffreddamento dell’acqua e possono causare danni ambientali se rilasciati.

L’acqua  non deve essere utilizzata nei processi perchè potrebbe rappresentare un problema, ma le moderne tecniche scambiano calore senza il contatto di fluidi dei due sistemi (fluidi “geotermici” e fluidi utilizzati per sfruttarne il potere termico)

Quando l’acqua fredda viene riportata all’interno della terra per stimolare la produzione, gli stessi agenti chimici tornano in profondità senza rischiare di recare danni all’ambiente.

Criticità degli impianti di energia geotermica

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. 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 ed è sceso 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.

CRITICHE ALLE SORGENTI GEOTERMICHE

Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall’idrogeno solforato, se questo è presente come traccia nei fluidi.

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.

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