6.4 Energia geotermica - Treccani

6.4.1 Introduzione

L’energia geotermica è il calore contenuto nell’internodella Terra ed è all’origine di molti fenomeni geologici.Tuttavia, l’espressione energia geotermica è general-mente impiegata per indicare quella frazione del caloreterrestre che può, o potrebbe, essere estratto dal sotto-suolo e sfruttato dall’uomo. Le risorse geotermiche costi-tuiscono una importante forma di energia rinnovabile esostenibile, diffusa e utilizzata in molte regioni del mondo(Dickson e Fanelli, 2003).

I vulcani, i geyser, le sorgenti termali, le fumarole ealtri fenomeni superficiali di questo genere hanno cer-tamente fatto dedurre agli uomini dei millenni passatiche alcune parti dell’interno della Terra sono calde. Sol-tanto tra il 16° e il 17° secolo, tuttavia, quando furonoscavate le prime miniere, profonde qualche centinaio dimetri, ci si rese conto che la temperatura del sottosuoloaumenta con la profondità.

Le prime misurazioni con termometri sono state fatteprobabilmente nel 1740 da M. De Gensanne in una minie-ra vicino a Belfort, in Francia (de Buffon, 1778). A par-tire dal 1870 il regime termico della Terra è stato stu-diato con metodi scientifici moderni, ma soltanto nel 20°secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal calore radio-genico, è stato possibile comprendere pienamente feno-meni come il bilancio termico della Terra e ricostruirela storia termica del pianeta. Tutti i moderni modelli ter-mici della Terra, infatti, devono tenere conto dell’ener-gia prodotta in continuazione dal decadimento degli iso-topi radioattivi a lunga vita dell’uranio (238U, 235U), deltorio (232Th) e del potassio (40K) presenti nell’internodel globo terrestre (Lubimova, 1969). A quella radioge-nica si aggiungono, in proporzioni non esattamente defi-nite, altre fonti di energia, come il calore originale delpianeta, l’energia gravitazionale e la dissipazione del-l’energia cinetica delle maree. Teorie e modelli termicirealistici, tuttavia, non sono stati disponibili sino agli

anni Ottanta del 20° secolo, quando è stato dimostratoche non c’è equilibrio tra l’energia prodotta dal decadi-mento degli isotopi radioattivi presenti nell’interno dellaTerra e il calore disperso dalla sua superficie verso lospazio, e che il pianeta si sta lentamente raffreddando.

Un bilancio termico dovuto a Frank D. Stacey e DavidE. Loper, nel quale il flusso di calore totale dalla super-ficie terrestre è valutato 42�1012 W (conduzione, con-vezione e radiazione), quantifica il flusso di calore dalmantello, che costituisce l’82% del volume totale dellaTerra (fig. 1), in 10,3�1012 W (Stacey e Loper, 1988).Calcoli più recenti, basati su un numero maggiore di dati,hanno permesso di attribuire al flusso di calore superfi-ciale un valore del 6% più alto rispetto a quello cui fannoriferimento Stacey e Loper. Il raffreddamento del man-tello è, di conseguenza, leggermente maggiore di quel-lo valutato da questi ultimi. Il raffreddamento del pia-neta è, comunque, molto lento. La temperatura del man-tello, che alla sua base è di circa 4.000 °C, è diminuita,al più, di 300-350 °C in tre miliardi di anni. È stato sti-mato che l’energia termica totale contenuta nella Terra,assumendo una temperatura superficiale media di 15 °C,sia dell’ordine di 12,6�1024 MJ e che quella contenutanella crosta sia dell’ordine di 5,4�1021 MJ (Armstead,1983). L’energia termica della Terra è quindi enorme,ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Sinoa oggi, l’utilizzazione di questa energia è stata limitataa quelle aree nelle quali le condizioni geologiche per-mettono a un vettore (acqua in fase liquida o vapore) ditrasportare l’energia termica dalle formazioni caldeprofonde alla superficie o vicino a essa, dando originealle risorse geotermiche.

Breve storia della geotermiaL’utilizzazione del calore della Terra per scopi sem-

plici, come la cottura del cibo, si perde nel passato. NelNeolitico le acque calde naturali erano certamente usa-te per scopi curativi e magici. In periodo etrusco gli usi

595VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ

6.4

Energia geotermica

balneologici erano già ampiamente diffusi, come dimo-strano numerose testimonianze archeologiche. Succes-sivamente, nell’area di espansione della civiltà romana,i fluidi geotermici sono stati usati, oltre che in balneo-logia, per il riscaldamento di edifici termali e di abita-zioni dal 1° secolo a.C. sino alla decadenza dell’Impe-ro. Esempi di utilizzazione del calore geotermico sonopresenti anche nei secoli seguenti, in Italia e in vari paesidel mondo, sino alla Cina, ma in forma molto ridotta econ semplici tipologie. Si deve attendere il 19° secoloperché prenda avvio un vero e proprio sfruttamento del-l’energia geotermica su scala industriale (Ciardi e Catal-di, 2005).

In Italia, nei primi anni dell’Ottocento, nell’area chepoi ha preso il nome di Larderello (Toscana), era stataavviata una piccola industria chimica per estrarre l’aci-do borico dalle acque calde che sgorgavano naturalmentedal suolo o erano estratte da pozzi poco profondi (Nasi-ni, 1930). L’acido borico era ottenuto facendo evapora-re in bollitori metallici le acque calde ricche di boro,usando, come combustibile, il legname ricavato dai boschivicini. Nel 1827 Francesco Larderel, che nel 1818 avevaassunto la direzione dell’industria, ideò un sistema persfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processodi estrazione invece di bruciare il legname dei boschi,che si andavano esaurendo rapidamente.

Nello stesso periodo si cominciò anche a utilizzarel’energia meccanica del vapore naturale, che venne usato

per sollevare l’acqua in semplici sistemi a gas lift e, inseguito, per il funzionamento di pompe e argani impie-gati nelle operazioni di perforazione o nell’industria del-l’acido borico. L’industria chimica di Larderello deten-ne, tra il 1850 e il 1875, il monopolio della produzionedell’acido borico in Europa. Nella medesima area, tra il1910 e il 1940, ebbe inizio, ampliandosi progressiva-mente, l’utilizzazione del vapore geotermico a bassapressione per il riscaldamento di edifici residenziali eindustriali e di serre. Contemporaneamente, anche in altripaesi si sviluppava l’uso industriale dell’energia geoter-mica: nel 1892 a Boise (Idaho, Stati Uniti) era inaugu-rato il primo sistema di riscaldamento urbano; nel 1928l’Islanda, un altro paese all’avanguardia in Europa nel-l’utilizzazione di questa fonte energetica, cominciò asfruttare i fluidi geotermici, soprattutto acqua calda, peril riscaldamento di edifici.

Il primo tentativo di produrre elettricità dall’energiageotermica fu realizzato a Larderello il 4 luglio 1904,quando Piero Ginori Conti, subentrato alla famiglia Lar-derel nella proprietà dell’industria boracifera, avviò unmotore, azionato dal vapore geotermico, collegato a unadinamo. La riuscita dell’esperimento segnò l’inizio diuna importante forma di utilizzazione del calore terre-stre, che si sarebbe diffusa in tutto il mondo.

La produzione di elettricità a Larderello fu un suc-cesso commerciale, oltre che della tecnica. Nel 1916 lapotenza geotermoelettrica installata era già pari a 12.000

596 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

aste

nosf

era

6.370 km2.900 km

nucleo interno

nucleo esterno

crosta

mantello

lito

sfer

a

man

tell

ocr

ostafig. 1. Schema

della struttura interna della Terra: crosta, mantello e nucleo. A destra in alto, un dettaglio della crosta e della parte superiore del mantello.

kWe e nel 1942, prima delle distruzioni dovute agli even-ti bellici, aveva raggiunto 127.650 kWe. L’esempio ita-liano fu seguito da numerosi altri paesi. Nel 1919 fuperforato il primo pozzo geotermico in Giappone e, nel1921, negli Stati Uniti. Nel 1958 un primo impianto geo-termoelettrico entrò in esercizio in Nuova Zelanda, nel1959 in Messico, nel 1960 negli Stati Uniti e negli anniseguenti in molti altri paesi.

Utilizzazione attuale dell’energia geotermicaDopo la Seconda Guerra Mondiale, molti paesi furo-

no attratti dall’energia geotermica, considerandola com-petitiva rispetto ad altre forme di energia. Le nazioni cheutilizzano l’energia geotermica per la produzione di elet-tricità (energia geotermoelettrica) sono attualmente 24e sono elencate nella tab. 1, che mostra la potenza geo-termoelettrica installata nel mondo nel 2005 (8.934 MWe)e, per confronto, nel 1995 (6.833 MWe). Nei paesi in viadi sviluppo la potenza geotermoelettrica installata nel1995 era il 38% di quella mondiale, mentre nel 2005 èstata pari a circa il 48%. In questi paesi l’energia geo-termica può svolgere un ruolo significativo nel bilancioenergetico nazionale: nel 2002 l’elettricità prodotta darisorse geotermiche rappresentava il 27% dell’elettricitàtotale prodotta in El Salvador, il 22% nelle Filippine, il15% in Costa Rica, l’11% in Kenya.

I paesi che sfruttano le risorse geotermiche per usi nonelettrici (o usi diretti del calore geotermico) sono oggi oltre70. La potenza installata nel mondo in questo tipo di impian-ti ammontava nel 2005 a 28.269 MWt e l’energia utiliz-zata a 273.372 TJ/a. Gli usi non elettrici più diffusi nelmondo, come energia utilizzata, sono rappresentati per il32% dalle pompe di calore, per il 30% dagli usi balneo-logici (inclusi balneoterapia e riscaldamento di piscine),per il 20% dal riscaldamento di ambienti (di cui il 77% èrappresentato dal riscaldamento urbano), per il 7,5% dalriscaldamento di serre e di suoli coltivabili, per il 4% daprocessi industriali a caldo, per il 4% dall’acquacoltura eper circa il 2,5% da numerose forme di utilizzazioni mino-ri, come l’essiccamento di prodotti agricoli, la refrigera-zione, il decongelamento di strade (Lund et al., 2005).

6.4.2 Natura delle risorsegeotermiche

La Terra come motore termicoIl gradiente geotermico fornisce la misura dell’au-

mento della temperatura con la profondità. Sino al-le profondità raggiungibili con le moderne tecnichedi perforazione, il gradiente geotermico medio è2,5-3 °C/100 m. Di conseguenza, se la temperatura neiprimi metri sotto la superficie (che corrisponde, conbuona approssimazione, alla temperatura media an-nua dell’aria esterna) è 15 °C, si può prevedere che la

temperatura sia 65-75 °C a 2.000 m di profondità,90-105 °C a 3.000 m e via di seguito per alcune migliaiadi metri. Vi sono, tuttavia, vaste regioni nelle quali ilvalore del gradiente geotermico si allontana sensibil-mente da quello medio. Nei grandi bacini sedimentarigeologicamente giovani il gradiente geotermico puòessere inferiore a 1 °C/100 m, mentre può essere mag-giore della media in aree di sollevamento recente. Incerte aree geotermiche, il gradiente può raggiungerevalori dieci volte superiori alla norma. La differenza ditemperatura tra le zone profonde, più calde, e quelle


ENERGIA GEOTERMICA

tab. 1. Potenza geotermoelettrica (MWe) installatanel mondo nel 1995 (Huttrer, 2001) e nel 2005

(Bertani, 2005, con modifiche)

1995 2005

Australia 0,17 0,17

Austria – 1,25

Cina 28,78 28

Costa Rica 55 162,5

El Salvador 105 151

Etiopia – 7,3

Filippine 1.227 1.931

Francia (Guadalupa) 4,2 15

Germania – 0,23

Giappone 413,705 535

Guatemala – 33

Indonesia 309,75 797

Islanda 50 202

Italia 631,7 790,5

Kenya 45 129

Messico 753 953

Nicaragua 70 77,5

Nuova Zelanda 286 435

Papua-Nuova Guinea – 6

Portogallo (Azzorre) 5 16

Russia 11 79

Stati Uniti 2.816,7 2.564

Thailandia 0,3 0,3

Turchia 20,4 20,4

Totale 6.832,705 8.934,15

superficiali, più fredde, dà origine a un flusso di calo-re dall’interno verso l’esterno della Terra. Il flusso dicalore terrestre medio è 65 mWm�2 nelle aree conti-nentali e 101 mWm�2 nelle aree oceaniche, con unamedia ponderale globale pari a 87 mWm�2 (Pollack etal., 1993). Questi valori sono basati su 24.774 misura-zioni eseguite in 20.201 siti, che coprono circa il 62%della superficie terrestre. Il flusso di calore delle areenon coperte da misurazioni è stato stimato tenendo contodella distribuzione delle unità geologiche.

L’aumento della temperatura con la profondità, i vul-cani, i geyser, le fumarole, le sorgenti calde sono mani-festazioni tangibili e visibili del calore interno del pia-neta; questa energia termica è all’origine di fenomenimeno percettibili e tuttavia di tale grandezza che la Terraè stata paragonata a un enorme motore termico. Tali feno-meni, che sono inquadrabili nella teoria della tettonicadelle placche, che ha rivoluzionato le conoscenze geo-logiche del pianeta, risultano anche connessi con le risor-se geotermiche.

La struttura della Terra consiste di una crosta, conspessore variabile da circa 20-65 km nelle aree conti-nentali a 5-6 km in quelle oceaniche, di un mantello,spesso approssimativamente 2.900 km, e di un nucleo,che ha un raggio di circa 3.470 km (v. ancora fig. 1). Leproprietà fisiche e chimiche di crosta, mantello e nucleosono variabili. L’involucro esterno del globo, che pren-de il nome di litosfera e si comporta come un corpo rigi-do, è formato dalla crosta e dalla parte più esterna delmantello e ha uno spessore che va da meno di 80 kmnelle aree oceaniche a più di 200 km in quelle conti-nentali. Sotto la litosfera si trova l’astenosfera, formatadalla parte superiore del mantello, che ha un comporta-mento meno rigido o più plastico. In altre parole, su scalageologica, ove i tempi si misurano in milioni di anni, l’a-stenosfera si comporta in modo simile a quello di un flui-do molto viscoso.

Le differenze di temperatura tra le diverse parti del-l’astenosfera danno luogo a moti convettivi che forma-no vere e proprie celle di convezione. Il loro lentissimomovimento è sostenuto dal calore prodotto dal decadi-mento degli isotopi radioattivi e da quello che provienedalle parti profonde. Enormi volumi di materiale profon-do, più caldo e meno denso dei materiali sovrastanti,risalgono verso la superficie, mentre il materiale piùsuperficiale, più freddo e più denso, tende a scendere perriscaldarsi e risalire di nuovo.

Nelle zone dove è più sottile, e soprattutto nelle areeoceaniche, la litosfera è spinta verso l’alto e fratturata dalmateriale parzialmente fuso, che risale dall’astenosferain corrispondenza dei rami ascendenti delle celle convet-tive. È questo meccanismo che ha formato, e tuttora forma,le dorsali, che si estendono per oltre 60.000 km sotto glioceani, emergendo in alcune zone (Islanda) e talvolta insi-nuandosi tra i continenti, come nel Mar Rosso. Una fra-zione relativamente piccola di materiale fuso emerge dallacresta delle dorsali, solidifica e forma nuova crosta ocea-nica. La maggior parte del materiale che risale dall’aste-nosfera si divide in due rami, che scorrono in direzioniopposte sotto la litosfera. La continua formazione di nuovacrosta e l’effetto di trascinamento dovuto ai flussi chescorrono in direzioni opposte fanno in modo che i fon-dali oceanici, posti sui due lati delle dorsali, si allontani-no l’uno dall’altro. Di conseguenza, la superficie dei fon-dali oceanici (la litosfera oceanica) tenderebbe ad aumen-tare se non ci fosse una compensazione dovuta a unariduzione (o assorbimento) della litosfera, di pari entità,in altre parti del pianeta. In effetti, questo avviene nellezone di subduzione, come quelle presenti lungo i margi-ni dell’Oceano Pacifico, dove la litosfera si immerge sottola litosfera adiacente e scende nelle zone profonde e moltocalde, dove è assimilata dal mantello. Durante la discesa(Press e Siever, 1997), parte del materiale litosferico vieneparzialmente fuso e può risalire alla superficie attraverso



placca oceanica

crosta oceanicastratovulcano

astenosfe

raastenosfera

fossa oceanica

arco insulare

fossa oceanica

dorsalemedio-oceanica

zona disubduzione fossa

tettonica

placca continentale

crosta continentale

litosfera

fig. 2. Sezione schematica, che mostra la dinamica della tettonica delle placche.

fratture della litosfera (fig. 2), formando vulcani sui mar-gini continentali (come nelle Ande) o negli archi di isole(come in Giappone e nelle Isole Aleutine).

Le dorsali, le faglie e le zone di subduzione rappre-sentano i limiti delle placche litosferiche, di cui sei digrandi dimensioni e numerose altre più piccole. I mar-gini delle placche corrispondono a zone di fragilità e diintensa fratturazione della crosta, caratterizzate da un’e-levata sismicità, dalla presenza di vulcani e, a causa dellarisalita di materiali fusi molto caldi verso la superficie,da un flusso di calore terrestre elevato. Esiste quindi unastretta relazione tra la tettonica delle placche e la distri-buzione nel mondo delle risorse geotermiche (Somma-ruga e Zan, 1995) soprattutto quelle ad alta temperatu-ra, che sono generalmente ubicate in corrispondenza deimargini delle placche stesse (figg. 3 e 4).

Sistemi geotermiciUn sistema geotermico può essere definito schema-

ticamente come un «sistema acqueo convettivo che, inuno spazio confinato della parte superiore della crostaterrestre, trasporta calore da una sorgente termica alluogo, generalmente la superficie libera, dove il calorestesso è assorbito (disperso o utilizzato)» (Hochstein,1990). Esso è formato da tre elementi (fig. 5): la sorgentedi calore, il serbatoio e il fluido, che è il mezzo che tra-sporta il calore. La sorgente di calore può essere una

intrusione magmatica a temperatura molto alta (�600°C), che si è posizionata a profondità relativamente pic-cola (5-10 km), oppure, come in alcuni sistemi a bassatemperatura, il normale calore della Terra. Il serbatoio èun complesso di rocce calde permeabili nel quale i flui-di possono circolare assorbendo calore; generalmente èricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone diricarica superficiali, dalle quali le acque meteoriche pos-sono infiltrarsi e reintegrare, totalmente o parzialmen-te, i fluidi perduti attraverso vie naturali (per esempiosorgenti o fumarole) o estratti mediante pozzi. Il fluidogeotermico, nella maggior parte dei casi, è acqua meteo-rica in fase liquida o vapore, in funzione della sua tem-peratura e pressione. Questo fluido spesso trascina consé sostanze chimiche e gas, come CO2, H2S e altri.

Le leggi che regolano la convezione dei fluidi sonoalla base del meccanismo dei sistemi geotermici. La fig. 6descrive questo meccanismo, prendendo a esempio unsistema idrotermale a media temperatura. La convezio-ne si attiva in seguito al riscaldamento e alla conseguenteespansione termica del fluido in un campo gravitaziona-le; il flusso di calore alla base del sistema di circolazio-ne è l’energia che alimenta e muove il sistema. Il fluidocaldo e di minor densità tende a salire e a essere sosti-tuito dal fluido più freddo e di densità maggiore, prove-niente dai margini del sistema. La convezione, per suanatura, tende a far aumentare la temperatura delle parti


ENERGIA GEOTERMICA

1 2 3 4

placcapacifica

placcapacificaplacca

africanaplacca

filippina

placcanord americana

placca eurasiatica

placcaindiana

placca antartica placca antartica

placca australiana

placca diNazca

placca diCocos

GuadalupaGuatemalaNicaraguaCosta Rica

El SalvadorEtiopia

AustriaItalia

TurchiaAzzorre

Islanda

Germania

Russia

CinaGiappone

Filippine

Indonesia

Australia

NuovaZelanda

PapuaNuova Guinea

Kenya

USA

placcasud americana

Messico

Tailandia

fig. 3. Placche tettoniche, dorsali, zone di subduzione, fratture crostali e paesi che producono energia elettrica di origine geotermica. 1, dorsali interrotte da fratture trasversali (faglie trasformi); 2, zone di subduzione, nelle quali la litosfera si immerge nell’astenosfera; 3, fosse tettoniche; 4, grandi fratture crostali.



Geysers

Casa Diablo

Coso

Salton Sea

East Mesa

Roosevelt

Beowawe

SteamboatDixie Valley

StillwaterSodaLake

Brady

Heber

Cerro Prieto

Las Tres Virgenes

Los HumerosM E S S I C O

AMERICA CENTRALE

GIAPPONE

AFRICA ORIENTALE

FILIPPINEINDONESIA

NUOVA ZELANDA

USA

ISLANDA

EUROPA MERIDIONALE.

U S A

GUATEMALA

NICARAGUA

COSTA RICA

E T I O P I AF I L I P P I N E

I S L A N D A

I TA L I A

AUSTRIA

T U R C H I A

N U O VAZ E L A N D A

G I A P P O N E

I N D O N E S I A

K E N YA

EL SALVADOR

Los Azufres

Zunil Amatitlan

AhuachapànBerlin

San JacintoMomotombo

Miravalles

Aluto-Langano

Olkaria

Lahendong

Mt. Apo

Tongonan

Palinpinon

Sibayak

DiengKamojang

Ngawha

Kawerau

OhaakiRotokawa

Mori

Sumikawa Matsukawa

KakkondaUenotai

Onikobe

Yanaizu

TakigamiOtake

HatchobaruOgiri

MokaiWairakei

Nesjavellir

Krafla

Svartsengi

SalakW. Windu

Darajat

TiwiMak-BanBac-Man

Monte Amiata

Kizildere

Travale

Larderello

Altheim

fig. 4. Principali aree geotermiche, con indicati i campi che producono energia geotermoelettrica.


ENERGIA GEOTERMICA

pozzogeotermico

copertura impermeabile(conduzione)

roccia impermeabile(conduzione)

flusso di calore(conduzione)

intrusionemagmatica

serbatoio(convezione)

sorgentecalda osoffione

acquefredde

meteoriche

area di ricarica

fluidicaldi

fig. 5. Rappresentazione schematica di un sistema geotermico.

prof

ondi

tà (

pied

i � 1

.000

)

prof

ondi

tà (

km)

20

1

7

15

10

0 0

temperatura (°F)

temperatura (°C)

10 °C in superficie

inizio ebollizione

acqu

a ca

lda

bass

a de

nsità

alta

den

sità

acqu

a fr

edda

rocce pocopermeabili

permeabilirocce

cristalline

calorecalore

magma

rocce

0

0 600200 400

inizio ebollizioneA

AE

ED

D

B

B

C

CF

F

G

G

curva 1

curva2

400 800 1.200

sorgentecalda

o soffione

2

3

4

5

6

5

fig. 6. Modello di sistema geotermico. La curva 1 è la curva di ebollizione dell’acqua; la curva 2 mostra l’andamento della temperatura del fluido lungo il suo percorso dal punto di ingresso A a quello di uscita E (White, 1973).

alte del sistema, mentre la temperatura delle parti infe-riori diminuisce (White, 1973).

La sorgente di calore è l’unico dei tre elementi di unsistema geotermico che deve essere naturale, gli altri dueelementi possono essere artificiali. Per esempio, i fluidiscaricati da una centrale geotermoelettrica, dopo che neè stata sfruttata l’energia termica, possono essere immes-si di nuovo nel serbatoio da cui erano stati estratti, attra-verso appositi pozzi di reiniezione. In questo modo l’a-limentazione meteorica naturale del serbatoio è integra-ta dalla ricarica artificiale. Da diversi anni, inoltre, lareiniezione dei fluidi sfruttati è adottata per ridurre dra-sticamente l’impatto ambientale degli impianti geoter-mici. La ricarica artificiale può essere anche un mezzoper riattivare campi geotermici vecchi o esauriti; un esem-pio è offerto dal campo geotermico di The Geysers(California). In questo campo, uno dei più grandi delmondo, la produzione cominciò a diminuire rapidamenteintorno alla fine degli anni Ottanta per scarsità di fluidinel serbatoio, causata da un eccessivo sfruttamento. Persuperare il grave inconveniente, è stato messo in operaun sistema di condotte di circa 60 km in grado di tra-sportare verso The Geysers 820 l/s di acqua per ricari-care il serbatoio. Questo progetto ha permesso di riatti-vare alcune centrali elettriche che erano state abbando-nate a causa della scarsità di fluidi.

Nel Progetto Rocce Calde Secche (HDR, Hot DryRock Project), avviato a Los Alamos (Stati Uniti) neiprimi anni Settanta, sia il fluido, sia il serbatoio sonoartificiali. Attraverso un pozzo perforato appositamen-te, acqua ad alta pressione viene pompata in una forma-zione di roccia calda compatta, provocando la sua frat-turazione idraulica. L’acqua penetra e circola nelle frat-ture prodotte artificialmente ed estrae l’energia termicadalle rocce all’intorno, che funzionano come un serba-toio naturale. Il serbatoio viene poi raggiunto da un secon-do pozzo usato per estrarne l’acqua, che ha assorbitocalore. Questo sistema, quindi, è formato da un pozzousato per la fratturazione idraulica, attraverso il qualeacqua fredda è iniettata nel serbatoio artificiale, e da unpozzo per l’estrazione dell’acqua calda (fig. 7). L’interosistema, comprendente anche l’impianto di utilizzazio-ne in superficie, forma un circuito chiuso, evitando ognicontatto tra il fluido e l’ambiente esterno (Proceedings[…], 1987). Il progetto HDR di Los Alamos, sospesodopo alcuni anni di esperimenti, ha aperto la strada adaltri progetti, che hanno ricevuto nuovo impulso in segui-to al riconoscimento che molte rocce profonde posseg-gono un certo grado di fratturazione naturale e che lemetodologie e le tecnologie applicate devono essere stret-tamente correlate alle condizioni geologiche locali. Pro-getti HDR sono stati sviluppati, con vicende alterne lega-te alla disponibilità di finanziamenti, in Australia, Fran-cia, Germania, Giappone e Regno Unito e, in qualchecaso, si avviano verso la fase operativa.

Classificazione delle risorse geotermicheIl più comune criterio di classificazione delle risor-

se geotermiche si basa sull’entalpia dei fluidi che tra-sferiscono l’energia termica dalle rocce calde profondealla superficie. L’entalpia, che è tanto più elevata quan-to maggiore è la temperatura, è usata per esprimere ilcontenuto termico dei fluidi e dà un’idea approssimati-va del loro valore. Le risorse sono classificate a bassa,media o alta entalpia (temperatura) secondo criteri chesi basano sul contenuto di energia dei fluidi e sulle loroforme potenziali di utilizzazione. Risorse a bassa ental-pia sono pertanto quelle con temperatura minore di 90°C, limite inferiore per produrre elettricità con impian-ti a ciclo binario, risorse a media entalpia quelle con tem-peratura tra 90 e 150 °C e risorse ad alta entalpia quellecon temperatura superiore a 150 °C, limite inferiore perprodurre elettricità con impianti convenzionali.

Frequentemente viene fatta una suddivisione tra siste-mi geotermici ad acqua dominante e sistemi geotermicia vapore dominante o a vapore secco (White, 1973). Neisistemi ad acqua dominante, l’acqua liquida è la fasecontinua, che controlla la pressione nel serbatoio; può



fig. 7. Rappresentazione schematica di un sistema geotermico artificiale (Progetto Rocce Calde Secche).

essere presente vapore, in forma di bolle. I sistemi adacqua dominante, la cui temperatura può andare da menodi 125 a più di 225 °C, sono i più diffusi nel mondo.Essi possono produrre, in funzione della loro tempera-tura e pressione, acqua calda, una miscela di acqua evapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco.Nei sistemi a vapore dominante di solito coesistono nelserbatoio acqua liquida e vapore, che è la fase continuae controlla la pressione. Sono sistemi ad alta tempera-tura e normalmente producono vapore secco o surri-scaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono piut-tosto rari; i più noti sono Larderello in Italia e The Gey-sers in California.

Un’altra suddivisione dei sistemi geotermici, in dina-mici e statici, è basata sullo stato di equilibrio del ser-batoio (Nicholson, 1993), che tiene conto della circo-lazione dei fluidi e dello scambio termico. Nei sistemidinamici l’acqua ricarica in continuazione il serbatoio,si riscalda ed è poi scaricata in superficie o nel sotto-suolo in formazioni rocciose permeabili. Il calore è tra-smesso al sistema per conduzione e per effetto dellacircolazione dei fluidi e comprende sistemi ad alta(T�150 °C) e a medio-bassa temperatura (T�150 °C).Nei sistemi statici la ricarica del serbatoio è molto ridot-ta o nulla e lo scambio termico avviene soltanto per con-duzione; essi comprendono i sistemi a bassa temperatu-ra e quelli geopressurizzati. Questi ultimi possono for-marsi nei grandi bacini sedimentari (per esempio, il Golfodel Messico) a profondità di 3-7 km. I serbatoi geopres-surizati sono formati da rocce sedimentarie permeabili,inglobate entro strati impermeabili a bassa conducibi-lità. Essi contengono acqua calda pressurizzata, che èrimasta intrappolata al momento della deposizione deisedimenti, la cui pressione è vicina a quella litostatica,superando largamente la pressione idrostatica; possonocontenere anche quantità significative di metano. I siste-mi geopressurizzati potrebbero produrre energia termi-ca e idraulica (acqua calda ad alta pressione) e gas meta-no, ma, sino a oggi, ancora non hanno dato luogo a unosfruttamento industriale.

Rinnovabilità e sostenibilitàL’energia geotermica è generalmente definita rinno-

vabile e sostenibile. Il termine rinnovabile si riferisce auna proprietà della sorgente di energia, mentre il termi-ne sostenibile descrive come la risorsa è utilizzata.

La ricarica di energia è il fattore critico della rinno-vabilità di una risorsa geotermica. Quando si sfrutta unsistema geotermico naturale, la ricarica energetica avvie-ne attraverso l’apporto al sistema di fluidi caldi con-temporaneamente (o in tempi comparabili) allo sfrutta-mento. Questo permette di classificare l’energia geoter-mica come risorsa energetica rinnovabile. Nel caso dellerocce calde secche e di certi acquiferi caldi in bacini sedi-mentari (geopressurizzati), la ricarica energetica avviene

solo per conduzione termica; a causa della lentezza diquesto processo, le rocce calde secche e alcuni serbatoisedimentari dovrebbero essere considerati risorse ener-getiche limitate (Stefansson, 2000).

L’uso sostenibile di una risorsa dipende dalla suaquantità iniziale, dalla velocità con cui si rigenera e daquella con cui si consuma. Ovviamente, l’utilizzazionepuò essere sostenuta per tutto il tempo che si vuole, pur-ché la risorsa si rigeneri a una velocità pari o superiorea quella con cui viene sfruttata. La locuzione «svilupposostenibile» è usata dalla Commissione Mondiale perl’Ambiente e lo Sviluppo per descrivere lo sviluppo che«soddisfa le necessità della presente generazione senzacompromettere le necessità delle generazioni future». Inquesto quadro, lo sviluppo sostenibile non richiede chetutte le risorse energetiche debbano essere usate in modocompletamente sostenibile ma, più semplicemente, chea una data risorsa, che si esaurisce, se ne possa sostitui-re un’altra in grado di far fronte alle necessità delle gene-razioni future. Ne segue che un particolare campo geo-termico non deve necessariamente essere sfruttato inmodo sostenibile. I programmi per realizzare la sosteni-bilità dell’energia geotermica dovrebbero tendere a rag-giungere, e poi sostenere, un certo livello di produzio-ne, a scala nazionale o regionale, sia nel settore elettri-co sia in quello dell’uso diretto del calore, per un datoperiodo, per esempio 300 anni, mettendo in produzionenuovi sistemi geotermici man mano che altri si esauri-scono (Wright, 1998).

6.4.3 Esplorazione geotermica

I principali obiettivi dell’esplorazione geotermica sono:a) identificare le aree con risorse geotermiche, valutar-ne le dimensioni, determinarne il tipo e localizzare leeventuali zone produttive; b) determinare il contenutotermico dei fluidi presenti nel serbatoio; c) identificarele caratteristiche della risorsa potenzialmente negativeper l’ambiente; d ) verificare i parametri che potrebberocreare problemi durante lo sfruttamento. Per raggiunge-re questi obiettivi sono disponibili numerosi metodi etecnologie, molti dei quali di uso comune e ampiamen-te sperimentati.

Metodi di esplorazioneGli studi geologici e idrogeologici sono il punto di

partenza di ogni programma di esplorazione. Il loroscopo principale è quello di definire con dettaglio laposizione e l’estensione delle aree da investigare e disuggerire i metodi di esplorazione più adatti. Essi hannouna grande importanza per tutte le fasi successive dellaricerca geotermica, sino alla localizzazione dei pozziesplorativi e di produzione. Inoltre forniscono le infor-mazioni di base sia per interpretare i dati forniti dagli


ENERGIA GEOTERMICA

altri metodi di esplorazione, sia per costruire un model-lo realistico del sistema geotermico e valutare il poten-ziale della risorsa.

La prospezione geochimica (che include la geochi-mica isotopica) permette di stabilire se un sistema geo-termico è ad acqua o a vapore dominante, di prevederela temperatura minima del serbatoio, di determinare lecaratteristiche chimiche del fluido profondo e di indivi-duare l’origine dell’acqua di ricarica. Può fornire inol-tre utili informazioni sui problemi che potrebbero veri-ficarsi nella fase di reiniezione e durante l’utilizzazio-ne, come fenomeni di corrosione e incrostazione nei tubie negli impianti, sull’impatto sull’ambiente e sul mododi evitare o ridurre questi problemi. La prospezione geo-chimica comporta il campionamento e l’analisi chimicae/o isotopica delle acque e delle manifestazioni geoter-miche (sorgenti termali, fumarole, ecc.) che si trovanonell’area in studio (Gandino et al., 1985a; Krauskopf eBird, 1995).

La prospezione geofisica ha lo scopo di ottenere indi-rettamente, dalla superficie o da intervalli di profonditàvicini alla superficie, i parametri fisici delle formazio-ni geologiche profonde. Questi parametri fisici com-prendono la temperatura (prospezione termica), la con-ducibilità elettrica (prospezioni elettrica ed elettroma-gnetica), la velocità di propagazione delle onde elastiche(prospezione sismica), la densità (prospezione gravime-trica) e la suscettibilità magnetica (prospezione magne-tica). Alcuni metodi, come quelli sismici, gravimetrici emagnetici, che sono di uso normale nella ricerca di idro-carburi, possono fornire molte informazioni su forma,dimensioni, profondità e altre importanti caratteristichedelle strutture geologiche profonde potenzialmente rap-presentative di un serbatoio geotermico; tuttavia tali meto-di danno scarse indicazioni sulla presenza di fluidi all’in-terno di queste strutture, che costituiscono l’obiettivodella ricerca geotermica. Informazioni di questo tipo sipossono ottenere dalle prospezioni elettriche e magne-totelluriche, che sono tra le più utilizzate nella prospe-zione geotermica. I metodi termici (misure dirette di tem-peratura, determinazione del gradiente geotermico e delflusso di calore terrestre) possono dare con buona appros-simazione la temperatura della parte superiore del ser-batoio geotermico (Gandino et al., 1985b; Zan et al.,1990; Parasnis, 1997).

La perforazione dei pozzi esplorativi è la fase fina-le di ogni programma di esplorazione ed è il solo meto-do che permette di definire con certezza le caratteristi-che di un serbatoio geotermico e di valutarne il poten-ziale. I dati forniti dai sondaggi esplorativi hanno lo scopodi verificare le ipotesi e i modelli elaborati con i risul-tati dell’esplorazione di superficie. Essi inoltre devonoconfermare che il serbatoio è produttivo e contiene flui-di in quantità adeguata e con caratteristiche adatte all’u-tilizzazione prevista.

6.4.4 Utilizzazionedelle risorse geotermiche

La produzione di elettricità è la forma di utilizzazioneprincipale e più importante delle risorse geotermiche adalta temperatura (�150 °C). Le risorse a temperaturamedio-bassa (�150 °C) sono adatte, oltre che alla genera-zione di elettricità con impianti a ciclo binario, a una mol-teplicità di altri usi, che vanno dal riscaldamento di am-bienti alla refrigerazione, agli usi agricoli, all’acquacol-tura, all’impiego nei processi industriali a caldo (fig. 8).

Produzione di energia elettricaL’energia elettrica è prodotta in impianti convenzio-

nali o a ciclo binario, secondo le caratteristiche delle ri-sorse geotermiche disponibili.

Gli impianti convenzionali richiedono fluidi con unatemperatura di almeno 150 °C e sono disponibili nel tipoa contropressione (con scarico diretto nell’atmosfera) ea condensazione.

Gli impianti a contropressione sono più semplici emeno costosi. Il vapore, proveniente direttamente daipozzi, se questi producono vapore secco, oppure doposeparazione della parte liquida, se i pozzi produconovapore umido, passa attraverso la turbina ed è poi scari-cato nell’atmosfera (fig. 9). Con questo tipo di impiantoil consumo di vapore è 15-25 kilogrammi per kilowatto-ra prodotto e, alla stessa pressione di ingresso in turbi-na, è circa il doppio di quello di un impianto a conden-sazione. Gli impianti a contropressione, tuttavia, sonomolto utili come impianti pilota, come impianti tempo-ranei collegati a pozzi isolati di portata modesta e perprodurre elettricità da pozzi sperimentali durante lo svi-luppo di un campo geotermico. Essi sono utilizzati anchequando il vapore ha un contenuto elevato di gas non con-densabili (�15% in peso). Le unità a contropressionepossono essere costruite e installate molto rapidamentee messe in servizio 13-14 mesi dopo la data dell’ordineo poco più. Questi impianti sono generalmente di pic-cole dimensioni (2,5-5 MWe).

Le unità a condensazione (fig. 10) richiedono un mag-gior numero di impianti ausiliari (condensatori, com-pressori, torri di refrigerazione), sono più complesse diquelle a contropressione e la loro costruzione e l’instal-lazione, anche per le maggiori dimensioni, richiedonoun tempo almeno doppio. Il consumo specifico delleunità a condensazione è, tuttavia, circa la metà di quel-le a contropressione (6-10 kilogrammi di vapore perkilowattora prodotto). Sono molto diffusi impianti a con-densazione della potenza di 55-60 MWe e recentementesono state costruite e installate anche unità da 110 MWe.

I notevoli progressi realizzati negli ultimi decenninella tecnologia dei cicli binari hanno reso possibile pro-durre elettricità sfruttando fluidi geotermici a tempera-tura medio-bassa e acque calde di scarico emesse dai



separatori nei campi geotermici ad acqua dominante. Gliimpianti binari utilizzano un fluido secondario di lavo-ro, di solito organico (come n-pentano), che ha un bassopunto di ebollizione e un’elevata pressione di vapore abassa temperatura rispetto al vapore acqueo. Il fluidosecondario lavora in un ciclo Rankine convenzionale: inuno scambiatore di calore il fluido geotermico cede calo-re al fluido secondario che si riscalda e poi vaporizza; ilvapore prodotto aziona una normale turbina a flussoassiale collegata a un generatore. Il vapore viene suc-cessivamente raffreddato e torna allo stato liquido, per-mettendo al ciclo di ricominciare (fig. 11). Scegliendoopportunamente il fluido secondario, è possibile costrui-re impianti binari che sfruttano fluidi geotermici contemperature comprese tra 90 e 170 °C. Il limite supe-riore è imposto dalla stabilità termica dei fluidi organicidi lavoro, il limite inferiore da fattori tecnico-economici:


ENERGIA GEOTERMICA

evaporazione di soluzioni molto concentraterefrigerazione con impianti ad assorbimento ad ammoniacalisciviazione nell'industria della carta

acqua pesante con il processo dell’H2Sessiccazione di diatomite

vapo

re s

atur

oac

qua

essiccazione di alimenti itticiessiccazione di legname

allumina con il processo Bayer

essiccazione rapida di prodotti agricoliinscatolamento di prodotti alimentari

evaporazione nella raffinazione dello zuccheroestrazione di sali per evaporazione e cristallizzazione

produzione di acqua dolce per distillazioneeffetti multipli dell’evaporazione, concentrazione di soluzioni saline

essiccazione e stagionatura di pannelli di aggregato cementizio

essiccazione di materiali organici, alghe, erba, verdure, ecc.lavaggio e asciugatura della lana

disidratazione dello stoccafissooperazioni veloci di scongelamento

riscaldamento di ambientiriscaldamento di serre (riscaldamento dell’aria ambiente)

refrigerazione (limite minimo di temperatura)

allevamento di animaliriscaldamento di serre (riscaldamento dell’aria e del terreno)

coltivazione di funghiusi balneologici

riscaldamento del terreno

acquacoltura

uso per piscine, processi di biodegradazione e fermentazione acqua tiepida per le attività minerarie durante tutto l’anno nei climi freddiscongelamento

180

°C

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

20

30

fig. 8. Diagramma di Lindal, che mostra i possibili usi non elettricidei fluidi geotermici a diverse temperature(Lindal, 1973).

turbo-alternatore

vaporeacqua

pozzo direiniezione

pozzo diproduzione

vapore scariconell’atmosfera

separatore

acqua

fig. 9. Rappresentazione schematica di un impianto a contropressione per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico.

al di sotto di questa temperatura, gli scambiatori di calo-re dovrebbero avere una dimensione talmente grande darendere il progetto non economico. Gli impianti binarioperano in circuiti chiusi: né i fluidi di lavoro, né i flui-di geotermici vengono a contatto con l’esterno. Essi sonodi solito costruiti in unità modulari, di potenza compre-sa tra poche centinaia di kilowatt e alcuni megawatt, chepossono essere collegate l’una con l’altra in modo daformare impianti della potenza di qualche decina dimegawatt. Il loro costo dipende da numerosi fattori, masoprattutto dalla temperatura del fluido geotermico dispo-nibile, che determina le dimensioni della turbina, degliscambiatori di calore e del sistema di raffreddamento.La dimensione totale dell’impianto influisce poco sulcosto specifico, dal momento che più unità modularistandard possono essere collegate in serie per avere lapotenza desiderata (ORMAT, 1989; DiPippo, 2004).

Negli anni Novanta è stato sviluppato un nuovo siste-ma binario, il ciclo Kalina, che utilizza come fluido dilavoro una miscela di acqua e ammoniaca. Durante ilciclo, il fluido di lavoro è fatto espandere, in condizioni

di surriscaldamento, attraverso una turbina ad alta pres-sione e poi riscaldato, prima di essere immesso in unaturbina a bassa pressione. Dopo la seconda espansione,il vapore saturo passa attraverso un recuperatore di calo-re e infine condensa in un condensatore raffreddato adacqua. Gli impianti a ciclo Kalina sembrano avere unrendimento superiore a quello degli impianti binari a flui-do organico ma, rispetto a questi, presentano una mag-giore complessità costruttiva e di funzionamento (DiPip-po, 2004).

Un impianto convenzionale e un impianto binariopossono essere accoppiati in una centrale a ciclo com-binato per massimizzare il rendimento complessivo. Inun sistema di questo genere il fluido geotermico pro-dotto da un serbatoio ad acqua dominante è inviato a unimpianto convenzionale del tipo a flash singolo, doveavviene la separazione tra il vapore, che alimenta la tur-bina dell’impianto, e l’acqua calda, che va allo scam-biatore di calore dell’impianto a ciclo binario prima diessere reiniettata nel serbatoio. Nelle centrali a cicloibrido il fluido geotermico a medio-bassa temperatura



turbo-alternatore torre di raffreddamento

vaporeacqua

pompa dell’acquadi raffreddamento

pozzo direiniezione

pozzo direiniezione

pozzo diproduzione

condensatore

vapore

separatore

acqua

fig. 10. Rappresentazioneschematica di un impianto a condensazione per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico; in blu, il circuito di raffreddamento.

turbo-alternatore

torre di raffreddamento

pompa dell’acquadi raffreddamento

pompa dialimentazione

scambiatoredi calore

pozzo direiniezione

pozzo diproduzione

condensatore

fig. 11. Rappresentazioneschematica di un impianto a ciclo binario per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico; in verde, il circuito del fluido secondario; in blu, il circuito di raffreddamento.

(�150 °C) è utilizzato per preriscaldare, attraverso unoscambiatore di calore, un altro fluido (di solito acqua),che è poi vaporizzato con il calore fornito da combusti-bili fossili o biomasse.

Utilizzazione diretta del caloreL’utilizzazione diretta del calore dei fluidi geotermi-

ci è la forma di sfruttamento dell’energia geotermica piùantica, più diversificata e più comune. La balneologia,il riscaldamento urbano e di ambienti, gli usi agricoli,l’acquacoltura e alcuni impieghi in processi industrialisono le utilizzazioni meglio conosciute, ma le pompe dicalore sono la forma d’uso più diffusa. Oltre queste, visono numerose altre applicazioni del calore geotermico,talvolta inusuali, che vanno dal riscaldamento del mantostradale per evitare la formazione di ghiaccio al tratta-mento di tessuti, e così via.

Il riscaldamento di ambienti e il riscaldamento urba-no hanno avuto un grande sviluppo in Islanda, dove nel2004 sono stati operativi sistemi di riscaldamento geo-termico per una potenza di 1.350 MWt; questa formad’uso è comunque molto diffusa anche in altri paesi euro-pei, negli Stati Uniti, in Cina, in Giappone, ecc. I siste-mi di riscaldamento sono quelli convenzionali (radiato-ri, pannelli radianti, ecc.). I fluidi caldi geotermici sonousati direttamente, se non contengono sostanze corrosi-ve o incrostanti, oppure riscaldano un fluido secondarioattraverso scambiatori di calore. Il riscaldamento geo-termico di quartieri abitativi richiede un investimento dicapitali ingente. I costi maggiori sono quelli iniziali deipozzi di produzione e di reiniezione, quelli degli impian-ti ausiliari, della rete di distribuzione e degli impiantiintegrativi per i periodi di picco. In confronto ai sistemiconvenzionali, però, i costi operativi sono apprezzabil-mente più bassi e derivano dall’energia per il pompag-gio, dalla manutenzione, dal sistema di controllo e dalladirezione tecnica e commerciale. Un fattore critico nelvalutare il costo di un sistema di riscaldamento geoter-mico è la densità del carico termico, vale a dire il rap-porto tra la domanda di energia termica e la superficieservita dal sistema. Un’elevata densità del carico termi-co favorisce la fattibilità economica di un progetto diriscaldamento, perché la rete di distribuzione è costosa.In regioni dove il clima lo permette, sono realizzabilivantaggi economici combinando i sistemi di riscalda-mento e raffreddamento degli ambienti. Il fattore di cari-co di un sistema geotermico combinato riscaldamen-to/raffreddamento è più alto del fattore di carico di unsistema di solo riscaldamento e, di conseguenza, il prez-zo unitario dell’energia diminuisce (Gudmundsson, 1988).

Il raffreddamento di ambienti è realizzabile quandoimpianti ad assorbimento possono essere adattati al fun-zionamento con i fluidi geotermici disponibili local-mente. Questi impianti dispongono di una tecnologia bencollaudata e sono reperibili sul mercato senza difficoltà.

Essi funzionano seguendo un ciclo che sfrutta il caloreinvece dell’elettricità come sorgente di energia. Il raf-freddamento è ottenuto utilizzando due fluidi: un refri-gerante, che circola, evapora (assorbendo calore) e con-densa (cedendo calore), e un fluido secondario o assor-bente. Per usi a temperatura superiore a 0 °C (soprattuttocondizionamento di ambienti e processi industriali), ilciclo utilizza bromuro di litio come assorbente e acquacome refrigerante. Per usi a temperatura inferiore a 0 °C,si adotta un ciclo con l’ammoniaca come refrigerante el’acqua come assorbente. I fluidi geotermici possono for-nire l’energia termica necessaria al funzionamento diquesti impianti, il cui rendimento, però, diminuisce contemperature dei fluidi inferiori a 105 °C.

Il condizionamento di ambienti (riscaldamento e raf-freddamento) con l’energia geotermica si è diffuso note-volmente a partire dagli anni Ottanta, a seguito dell’in-troduzione nel mercato e della diffusione delle pompedi calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibi-li permettono di estrarre e utilizzare economicamentel’energia termica contenuta in corpi a bassa temperatu-ra, come terreno, acquiferi poco profondi, masse d’ac-qua superficiali, ecc. (Sanner et al., 2003; fig. 12). Siste-mi con pompe di calore connesse al suolo o a masse d’ac-qua con temperatura compresa tra 5 e 30 °C sonoattualmente presenti in 33 paesi e, nel 2005, la potenzatermica totale installata era di 15.384 MWt.


ENERGIA GEOTERMICA

serbatoiodell’acqua

calda

scambiatoredi calore in pozzo

elementi riscaldantisotto il pavimento

pompa dicalore

fig. 12. Esempio di sistema di riscaldamento domestico con pompa di calore connessa al terreno (Sanner et al., 2003).

Gli usi agricoli dei fluidi geotermici riguardanosoprattutto il controllo della temperatura di crescitadelle piante e comprendono le coltivazioni a cielo aper-to e il riscaldamento di serre. L’acqua geotermica puòessere usata nelle coltivazioni a cielo aperto per irri-gare, in assenza di elementi chimici dannosi per le pian-te, e/o riscaldare il terreno mediante circolazione diacqua calda in condutture interrate. Nelle coltivazionia cielo aperto, il controllo della temperatura può con-sentire di prevenire i danni derivanti dalle basse tem-perature ambientali, di estendere la stagione di colti-vazione, di aumentare la crescita delle piante incre-mentando la produzione e di sterilizzare il terreno(Barbier e Fanelli, 1977).

L’utilizzazione più comune dell’energia geotermi-ca in agricoltura è, comunque, il riscaldamento di serre,che è stato sviluppato su larga scala in molti paesi. Lacoltivazione di fiori e ortaggi fuori stagione o in climidiversi da quelli originari può essere realizzata con unavasta gamma di tecnologie. Sono disponibili moltesoluzioni per avere ottime condizioni di crescita, basa-te sulla miglior temperatura di sviluppo di ciascunapianta, sulla quantità di luce, sulla concentrazione diCO2 nell’ambiente della serra, sull’umidità del terre-no e dell’aria, sul movimento dell’aria. Il manteni-mento della temperatura ottimale nella serra si ottie-ne controllando la dispersione del calore verso l’e-sterno e riscaldando l’interno. Per il riscaldamento visono sistemi a circolazione forzata d’aria con scam-biatori di calore e a circolazione d’acqua calda in variecombinazioni. L’uso dell’energia geotermica per ilriscaldamento può ridurre significativamente i costioperativi, che in alcuni casi rappresentano il 35% del

costo dei prodotti (verdure, fiori, piante da apparta-mento, piantine da sviluppo).

La qualità e la quantità di alcuni animali da fattoriae alcune specie acquatiche, così come per i vegetali, pos-sono migliorare se sono cresciuti in ambienti a tempe-ratura controllata (fig. 13). In molti casi le acque geo-termiche possono essere sfruttate convenientementecombinando l’allevamento di animali con il riscalda-mento di serre. Poiché l’energia richiesta per riscaldareun impianto di allevamento è pari a circa il 50% di quel-la necessaria a una serra della stessa superficie, è pos-sibile costruire un sistema a cascata nel quale i fluidigeotermici, dopo aver ceduto parte del loro calore allaserra, rilasciano il calore restante a una struttura adia-cente dedicata all’allevamento. L’allevamento a tempe-ratura controllata migliora le condizioni sanitarie deglianimali; inoltre, i fluidi caldi possono essere utilizzatiper pulire, sterilizzare e deumidificare gli ambienti eper trattare i rifiuti.

L’acquacoltura, vale a dire l’allevamento controlla-to di forme di vita acquatiche, si è diffusa a livello mon-diale in seguito al notevole ampliamento del mercatoittico. Il controllo della temperatura di crescita per lespecie acquatiche è molto più importante che per quel-le terrestri (v. ancora fig. 13): mantenendo artificial-mente una temperatura ottimale, è possibile allevarespecie esotiche, aumentare la produzione e, in qualchecaso, raddoppiare il ciclo riproduttivo. Le specie alle-vate più diffusamente sono: anguilla, branzino, carpa,muggine, pesce gatto, salmone, storione, tilapia, arago-sta, gambero, granchio, mitilo e ostrica. L’acquacolturainclude anche l’allevamento di rettili (alligatori e cocco-drilli), sia come attrazione turistica, sia per il pellame.



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temperatura (°C)

pesce gatto (aumento di peso)

pollame (aumento di peso)

maiali (aumento di peso)

gamberi (crescita)

latte di mucca(produzione)

galline da uova (produzione)fig. 13. Effetti dellavariazione di temperaturasulla crescita e la produzione animale(Beall e Samuels, 1971).

Un alligatore allevato a una temperatura costante intor-no a 30 °C raggiunge una lunghezza di circa 2 m in treanni, contro 1,2 m in condizioni naturali. L’allevamentodelle specie acquatiche generalmente richiede una tem-peratura compresa tra 20 e 30 °C. Le dimensioni degliimpianti sono condizionate dalla temperatura della risor-sa geotermica disponibile, dalla temperatura che deveessere mantenuta nella vasca di allevamento e dalle per-dite di calore di quest’ultima.

Tutto l’intervallo di temperatura dei fluidi geotermi-ci, vapore o acqua, può essere sfruttato in processi indu-striali. Le diverse possibili forme di utilizzazione com-prendono trattamenti a caldo, evaporazione, essiccamento,distillazione, sterilizzazione, lavaggio, decongelamentoed estrazione di sostanze chimiche (v. ancora fig. 8).

Tra le applicazioni dirette dell’energia geotermicasono generalmente compresi gli usi balneologici, vale adire lo sfruttamento delle acque calde in stabilimenti ter-mali e piscine, ampiamente diffuso nel mondo.

6.4.5 Effetti ambientali

L’entità degli effetti sull’ambiente prodotti dallo sfrutta-mento dell’energia geotermica dipende dalla tipologiadell’utilizzazione (Brown e Webster-Brown, 2003). L’usodiretto del calore (usi non elettrici) causa generalmenteun impatto ambientale modesto (tab. 2). La produzionedi elettricità con impianti a ciclo binario produce effetti

simili a quelli degli usi diretti. L’impatto sull’ambienteè potenzialmente maggiore nel caso di centrali elettri-che convenzionali, specialmente per ciò che riguarda laqualità dell’aria, ma può essere, in ogni caso, mantenu-to entro limiti tollerabili.

Il primo effetto avvertibile sull’ambiente è quelloprodotto dalle operazioni di perforazione dei pozzi d’e-splorazione e di produzione, che possono modificare lamorfologia dell’area e disturbare l’ecosistema; inoltrel’improvvisa fuoriuscita di fluidi (liquidi o gassosi) puòinquinare per breve tempo le acque superficiali e l’at-mosfera circostanti. L’installazione delle tubazioni peril trasporto dei fluidi geotermici e la costruzione degliimpianti di utilizzazione, che costituiscono la fase disviluppo successiva alla perforazione, sono anch’esseoperazioni che possono avere un impatto sulla vita ani-male e vegetale e sugli aspetti paesaggistici. L’emis-sione in atmosfera di fluidi geotermici da impianti indu-striali può avere un impatto ambientale in quanto pos-sono contenere principalmente biossido di carbonio(CO2), solfuro di idrogeno (H2S), ammoniaca (NH3),metano (CH4) e sostanze chimiche disciolte le cui con-centrazioni aumentano con la temperatura. L’emissio-ne di acque di scarico è un’altra fonte potenziale diinquinamento. Tali acque, potendo contenere sostanzechimiche disciolte, come cloruro di sodio (NaCl), boro(B), fluoruri, arsenico (Ar) e mercurio (Hg), sono pos-sibile causa di inquinamento se disperse. Pertanto devo-no essere o trattate o reiniettate nel serbatoio (o entram-be le cose). Alcuni fluidi geotermici, come quelli uti-lizzati in Islanda per il riscaldamento, sono privi diinquinanti chimici, ma si tratta di casi molto rari. Leacque di scarico degli impianti geotermici hanno, inol-tre, una temperatura generalmente superiore a quelladell’ambiente circostante e costituiscono potenzialiinquinanti termici.

L’inquinamento atmosferico può essere un problemaquando si produce elettricità con impianti convenziona-li, a causa dei gas (H2S, CO2 e altri) che possono esserepresenti, in quantità variabile, nei fluidi geotermici. Sipossono adottare, in ogni caso, sistemi efficaci per ridur-re l’emissione di questi gas. La quantità di biossido dicarbonio rilasciata dagli impianti geotermici è, comun-que, inferiore a quella emessa dagli impianti alimentatida combustibili fossili: 13-380 g/kWh di elettricità pro-dotta nelle centrali geotermiche, in confronto con 1.042g/kWh nelle centrali a carbone, 906 g/kWh nelle cen-trali a olio combustibile e 453 g/kWh nelle centrali a gasnaturale (Fridleifsson, 2001).

L’estrazione di grandi quantità di fluido dal serbatoiogeotermico può in alcuni casi generare fenomeni di sub-sidenza, vale a dire il graduale abbassamento della super-ficie del suolo. Questo fenomeno può essere prevenutoo ridotto attraverso processi di reiniezione dei fluidi discarico nel serbatoio geotermico.


ENERGIA GEOTERMICA

tab. 2. Potenziale impatto sull’ambiente degli usidiretti dell’energia geotermica (Lunis e Breckenridge,

1991). B, basso; M, moderato; E, elevato

Impatto Probabilità Intensità

Inquinamento atmosferico B M

Inquinamento delle acque superficiali

M M

Inquinamento delle acque sotterranee

B M

Subsidenza B B-M

Inquinamento acustico E B-M

Esplosione di pozzi B B-M

Danni all’ambiente culturale o archeologico

B-M M-E

Problemi socio-economici B B

Inquinamento chimico o termico

B M-E

Produzione di residui solidi M M-E

Bibliografia citata

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Mario FanelliPiero Manetti

Mary Hana DicksonConsiglio Nazionale delle RicercheIstituto di Geoscienze e Georisorse

Pisa, Italia

Leonardo ZanSnamprogetti

Fano, Pesaro e Urbino, Italia



6.4 Energia geotermica - Treccani

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