L’energia geotermica è, in senso stretto, il calore che si trova all’interno del nostro pianeta; normalmente però l’espressione “energia geotermica” viene utilizzata per riferirsi a quella parte del calore terrestre che viene (o potrebbe venire) estratto dalle sorgenti geotermiche che si trovano nel sottosuolo per potere essere sfruttato dall’uomo a scopi energetici.
Nel sottosuolo sono presenti delle falde circolanti, grazie all’attività magmatica tali falde vengono scaldate ed esse possono arrivare a manifestare periodicamente in superficie dei flussi di vapore e colonne di acqua calda (i cosiddetti geyser e le fumarole).
Il gradiente geotermico – Com’è noto, la temperatura all’interno della Terra aumenta all’aumentare della profondità. È necessario, parlando di energia geotermica, introdurre a questo punto il concetto di gradiente geotermico; esso viene definito come la variazione di temperatura all’incremento della profondità entro la crosta terrestre. Da migliaia di misurazioni effettuate si è visto che, mediamente, l’aumento di temperatura è pari a circa 30 °C ogni 1.000 m; l’espressione grado geotermico indica invece l’intervallo di profondità al quale corrisponde un incremento di temperatura pari a 1 °C. Il valore del gradiente geotermico indicato (30 °C ogni 1.000) non è fisso; in determinate zone può essere anche 10 volte superiore o anche decisamente minore; tali variazioni dipendono dalla diversa costituzione del sottosuolo; in zone in cui a breve profondità sono presenti camere magmatiche il valore è superiore, mentre in altre dove è presente un forte sprofondamento della croste è molto minore.
Origine del calore terrestre – L’origine del calore terrestre è essenzialmente di origine radiogenica, deriva cioè dal decadimento di isotopi radioattivi presenti nel cosiddetto mantello terrestre (uno degli involucri concentrici, compreso fra crosta terrestre e nucleo, che costituiscono il nostro pianeta) ovvero uranio, torio, potassio ecc.
Nell’immagine sottostante (fonte: scuolaroma.net) è possibile osservare lo schema del fenomeno dei geyser e delle fumarole.
Energia geotermica: una fonte di energia rinnovabile
L’energia geotermica può essere definita come un’energia che viene generata grazie a fonti di calore di origine geologica; rientra fra le diverse forme di energia rinnovabile* (energia da biomasse, energia eolica, energia marina, l’energia fotovoltaica ecc.), anche se, in alcuni particolari casi, la rigenerazione dei cosiddetti pozzi geotermici richiede tempi non minimali; in quest’ultimo caso si dovrebbe parlare di risorse energetiche limitate.
I giacimenti di energia geotermica (anche giacimenti – o serbatoi – geotermici) non sono tutti utilizzabili in quanto si trovano a profondità tali che è di fatto impossibile accedervi o comunque, economicamente parlando, non sarebbe conveniente farlo. È quindi necessario, al fine di sfruttare l’energia geotermica, individuare quelle zone alle quali è possibile accedere senza particolari problemi.
L’energia geotermica alla quale è possibile accedere viene sfruttata convogliando i vapori – che giungono dalle sorgenti geotermiche presenti nel sottosuolo – tramite alcune turbine in grado di produrre energia elettrica; il vapore può essere utilizzato per diversi scopi (coltivazioni in serra, terme, riscaldamento di edifici ecc.).
A seconda degli scopi ai quali è destinata l’energia geotermica si utilizzano fluidi a bassa temperatura (riscaldamento di edifici o di serre) oppure ad alta temperatura (produzione di energia elettrica). Molto frequentemente, allo scopo di alimentare la produzione di vapore acqueo e far lavorare le turbine al massimo regime si fa ricorso all’immissione di acqua fredda in profondità.
Sistemi geotermici
Secondo la definizione di Hochstein (1990), un sistema geotermico può essere definito nel seguente modo: “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)“.
La formazione di un sistema geotermico può avvenire sia in zone in cui il gradiente geotermico è considerato normale o leggermente più alto oppure (ed è il caso più frequente) in quelle zone che sono vicine ai margini delle cosiddette zolle crostali; in queste zone infatti il valore del gradiente geotermico può essere decisamente più elevato di quello medio. Nelle zone in cui il gradiente geotermico è normale o lievemente superiore, solitamente il sistema geotermico, a profondità che possono essere tecnicamente sfruttate, non supera i 100 ° C, mentre nelle zone in cui tale gradiente è decisamente superiore si ha un’estrema variabilità di temperature (da temperature “basse” a temperature oltre i 400 ° C.).
Esistono diverse modalità di suddivisione dei sistemi per l’energia geotermica; la più utilizzata è probabilmente quella che distingue fra sistemi geotermici ad acqua dominante e sistemi geotermici a vapore dominante.
I sistemi geotermici ad acqua dominante, i più diffusi a livello mondiale, sono sistemi la cui temperatura varia da <125 °C e >225 °C. A seconda della loro temperatura e della loro pressione possono produrre una miscela composta da acqua e vapore (generalmente vapore umido, ma in alcuni casi può trattarsi di vapore secco). In questi sistemi l’acqua liquida è la fase continua che controlla la pressione.
Nei sistemi a vapore dominante sono presenti acqua liquida e vapore; quest’ultimo è la fase continua e controlla la pressione. Si tratta di sistemi ad alte temperature e, generalmente, producono vapore secco o vapore surriscaldato. Sono sistemi geotermici molto rari (gli esempi più noti sono i sistemi di Larderello – in provincia di Pisa – e The Geysers in California).
È opportuna una breve spiegazione di tre locuzioni utilizzate in precedenza: vapore secco, vapore umido e vapore surriscaldato. Semplifichiamo il tutto utilizzando un esempio pratico: supponiamo di riscaldare un recipiente contenente acqua liquida (mantenendolo a una pressione costante di un’atmosfera); non appena l’acqua inizia a bollire inizierà a formarsi del vapore e quindi, trascorso un certo periodo di tempo, nel recipiente coesisteranno acqua in forma liquida e acqua sotto forma di vapore; questo vapore viene detto vapore umido; se continuiamo a riscaldare il recipiente, il liquido finirà per evaporare totalmente e nel recipiente si troverà ovviamente soltanto vapore; questo è vapore secco; sia il vapore liquido che il vapore secco sono forme di vapore saturo. Continuando ad aumentare la temperatura (e mantenendo sempre costante la pressione) otterremo il cosiddetto vapore surriscaldato. Fenomeni del genere, anche se a temperature diverse, si verificano anche nel sottosuolo, tant’è che si parla di “pentola della natura”.
Un’altra suddivisione utilizzata frequentemente è quella che fa riferimento allo stato di equilibrio del serbatoio geotermico.
In base a tale criterio si parla di sistemi geotermici dinamici e sistemi geotermici statici. Nei primi l’acqua ricarica continuamente il serbatoio geotermico, aumenta di temperatura e poi passa in superficie o si disperde nel sottosuolo. Fanno parte di questa categoria sia sistemi ad alta che sistemi a bassa temperatura.
Nei sistemi geotermici statici, la ricarica dei serbatoi è minimale o addirittura nulla. Fanno parte di questa categoria sistemi a bassa temperatura e i cosiddetti sistemi geotermici geopressurizzati; questi ultimi sono sistemi in cui l’acqua è rinchiusa in serbatoi sottoposti a una pressione maggiore di quella idrostatica; molti studi sono in corso su questi sistemi, ma, a tutt’oggi, non vi è la possibilità di sfruttarli industrialmente.
Energia geotermica: le centrali
Per lo sfruttamento dell’energia geotermica vengono generalmente utilizzate le cosiddette centrali geotermiche. I flussi di vapore che provengono dal sottosuolo (sia liberamente sia tramite canalizzazioni ottenute da perforazioni geologiche) producono un’energia che consente di muovere una turbina, si ha quindi una produzione di energia meccanica che può essere trasformata in energia elettrica attraverso un alternatore. Come già accennato nel paragrafo precedente, se il fluido che proviene dai sistemi geotermici non raggiunge una temperatura particolarmente elevata è possibile utilizzare l’acqua calda per produrre energia termica anziché elettrica (il tipico esempio sono gli impianti di teleriscaldamento).
Per sfruttare al meglio un sistema geotermico è necessario garantirne la rinnovabilità; nel caso delle fonti di energia geotermica si tratta di sostituire quei liquidi che vengono sottratti al sistema per essere utilizzati; deve essere quindi presente una zona di alimentazione esterna; in alcuni casi tale alimentazione è garantita dall’acqua piovana, mentre in altri casi la ricarica del sistema è affidata alla cosiddetta reiniezione.
Nell’immagine sottostante (fonte: digilander.libero.it) è possibile osservare lo schema di funzionamento di una centrale geotermica.
Sono diverse le nazioni che sfruttano l’energia geotermica; fra i Paesi che utilizzano maggiormente questo tipo di energia vi sono gli USA, le Filippine, il Messico, l’Indonesia, l’Italia, il Giappone, l’Islanda, la Nuova Zelanda, il Kenya, El Salvador e Costa Rica.
L’Italia è stata pioniera nella produzione di energia elettrica tramite sfruttamento di energia geotermica; la prima esperienza mondiale in questo senso infatti risale al 1905, a Larderello, grazie al principe Piero Ginori-Conti. Si stima che Larderello produca circa il 10% dell’energia geotermica di tutto il mondo (circa 4.800 GWh annui). Nel nostro Paese, oltre alle centrali di Larderello, sono presenti centrali geotermoeletttriche anche nelle province di Grosseto, di Viterbo, di Vicenza, di Mantova ecc.
In Europa non sono molte le centrali geotermoelettriche, esse infatti sono presenti soltanto in Italia, Turchia, Grecia, Islanda, Russia, Francia e Portogallo, mentre per quanto riguarda lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia (anche, seppur impropriamente, energia geotermica domestica o geotermia domestica) i Paesi europei interessati sono più numerosi; la cosiddetta geotermia a bassa entalpia è una tecnologia che consente di riscaldare o raffreddare un ambiente attraverso lo sfruttamento della differenza di temperatura che si registra tra gli strati più superficiali della crosta terrestre e l’ambiente esterno.
Vantaggi e svantaggi dell’energia geotermica
Come tutte le fonti di energia, anche l’energia geotermica ha vantaggi e svantaggi.
Tra i vantaggi si deve registrare la virtuale inesauribilità delle fonti.
Un altro vantaggio è rappresentato dal fatto che l’energia geotermica consente di produrre notevoli quantitativi di energia elettrica, energia che è facilmente trasportabile.
Si deve inoltre registrare il fatto che non è necessario utilizzare combustibili fossili e ciò comporta tra l’altro una minore necessità di importare questi ultimi dall’estero. Un altro vantaggio di notevole importanza è che non vi sono emissioni di anidride carbonica nell’atmosfera.
Altri vantaggi sono relativi agli impianti geotermici a bassa entalpia; rispetto ad altre forme di riscaldamento, i costi di manutenzione sono decisamente meno elevati (alcuni fonti parlano di risparmi superiori al 50%; buona parte di tali risparmi sono dovuti all’assenza di processi di combustione e di canne fumarie); si deve poi tenere conto che con un unico tipo di impianto si può sia riscaldare che raffreddare l’ambiente; ciò consente di limitare i costi relativi ai tradizionali impianti di condizionamento.
Tra gli svantaggi principali si deve registrare il fatto che non in tutte le zone è possibile sfruttare l’energia geotermica per la produzione di energia elettrica.
Un altro svantaggio deriva dal fatto che dagli impianti geotermici si ha la fuoriuscita, oltre che dei vapori, di odori decisamente sgradevoli (il tipico odore di uova marce); il cattivo odore è dovuto alla presenza di idrogeno solforato. Se tale problema viene tollerato nei luoghi adibiti a terme, problemi maggiori si hanno nelle zone abitate nelle cui vicinanze sono presenti centrali geotermiche.
Un ulteriore svantaggio è costituito dall’impatto paesaggistico delle centrali che, a onor del vero, sono decisamente antiestetiche.
(*) Energie rinnovabili è un’espressione con la quale, convenzionalmente, si definiscono quei tipi di energia che provengono da fonti rinnovabili, ovvero energie che derivano dall’utilizzo di materiali naturali che sono inesauribili.
Le cosiddette energie tradizionali sono invece quelle che vengono generate da fonti esauribili come i combustibili fossili (carbone, metano, petrolio, ecc.) e, in quanto tali, sono energie che, per quanto possano essere ingenti le scorte, sono disponibili in quantità non illimitata. Spesso, per indicare le energie rinnovabili viene usata la locuzione energie alternative; questo uso è però da considerarsi scorretto in quanto esistono forme di energia alternativa che non appartengono né alla categoria delle energie tradizionali né alla categoria delle energie rinnovabili; il tipico esempio è quello dell’energia nucleare, una forma di energia alternativa che non fa parte di nessuna delle due categorie precedentemente menzionate.
