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L’energia geotermica è la forma di energia ottenibile dal calore proveniente da fonti geologiche presenti nel sottosuolo

Cos’è l’Energia geotermica? L’energia geotermica è una forma rinnovabile ottenuta dal calore presente nelle fonti geologiche del sottosuolo. Sfrutta il calore generato dai processi di decadimento nucleare degli elementi radioattivi nelle rocce terrestri. Questa energia, sempre disponibile e indipendente dalle condizioni meteorologiche, può essere utilizzata per produrre elettricità o come fonte diretta di calore attraverso la cogenerazione.

Il suo utilizzo risale al 1904, quando il principe Piero Ginori Conti realizzò il primo generatore geotermico a Larderello, in Toscana. Anche se attualmente costituisce meno dell’1% della produzione mondiale di energia, uno studio del Massachusetts Institute of Technology del 2011 suggerisce che il potenziale geotermico sulla Terra è enorme, potendo teoricamente soddisfare il fabbisogno energetico globale per i prossimi 4.000 anni con le attuali tecnologie.

Cos’è l’Energia geotermica?

L’energia geotermica è una forma di energia rinnovabile che si ottiene dal calore presente nel sottosuolo terrestre. Deriva dal calore naturale generato dai processi di decadimento nucleare di elementi come uranio, torio e potassio, presenti nelle rocce del nucleo, del mantello e della crosta terrestre. Questo calore, proveniente dal centro della Terra, determina un aumento della temperatura con la profondità, seguendo un gradiente geotermico variabile a seconda dei tipi di rocce e delle strutture geologiche.

Questa forma di energia è costantemente disponibile e indipendente dalle condizioni meteorologiche, differenziandosi dall’energia solare per la sua costanza, senza subire variazioni giornaliere o stagionali.

La geotermia può essere utilizzata sia per generare elettricità che per fornire calore diretto tramite il processo di cogenerazione. La prima produzione di elettricità da geotermia risale al 4 luglio 1904, in Italia, con il principe Piero Ginori Conti che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello, in Toscana. Successivamente, sono state sviluppate vere e proprie centrali geotermiche.

Attualmente, l’energia geotermica rappresenta meno dell’1% della produzione mondiale di energia. Tuttavia, uno studio del Massachusetts Institute of Technology del 2011 ha stimato un potenziale geotermico globale di circa 12.600.000 zettajoule, ma con le tecnologie attuali si sfrutta solamente una piccola frazione di questa risorsa, pari a circa 2.000 zettajoule. Considerando che il consumo annuale di energia nel mondo è di circa 0,5 zettajoule, teoricamente l’energia geotermica potrebbe coprire il fabbisogno energetico del pianeta per i prossimi 4.000 anni.

Storia della Energia geotermica?

Le sorgenti calde sono state utilizzate per fare il bagno fin dal Paleolitico. Tra i centri termali più antichi ci sono le terme etrusche del complesso di Sasso Pisano a Castelnuovo di Val di Cecina, risalenti all’epoca ellenica, e una piscina in pietra in Cina, sulla montagna Lisan, costruita durante la dinastia Qin nel III secolo a.C., nello stesso luogo in cui in seguito fu edificato il palazzo Huaqing Chi. Durante il primo secolo d.C., i Romani conquistarono Aquae Sulis, ora Bath, nel Somerset in Inghilterra, e usarono le sue sorgenti calde per i bagni pubblici e il riscaldamento dei pavimenti. Il pagamento per l’ingresso a questi bagni è forse il primo esempio di utilizzo commerciale dell’energia geotermica. Il sistema più antico di riscaldamento geotermico per un’intera zona è stato installato a Chaudes-Aigues, in Francia, diventando operativo nel XIV secolo. Il primo sfruttamento industriale avvenne nel 1827, utilizzando il vapore di una fumarola per estrarre l’acido borico dai fluidi idrotermali associati, a Larderello, in Italia.

Nel 1892, il primo sistema di teleriscaldamento negli Stati Uniti a Boise, Idaho, fu alimentato direttamente dall’energia geotermica e fu replicato a Klamath Falls, Oregon, nel 1900. Nel 1926, un pozzo geotermico profondo fu utilizzato per riscaldare serre a Boise, e nello stesso periodo, geyser furono impiegati per riscaldare serre in Islanda e in Toscana. Nel 1930, Charlie Lieb sviluppò il primo scambiatore di calore nel fondo di un pozzo per riscaldare la sua casa. In Islanda, il vapore e l’acqua calda dai geyser furono utilizzati per il riscaldamento domestico a partire dal 1943.

Nel corso del XX secolo, l’aumento della 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, nello stesso campo di Larderello dove era iniziata l’estrazione degli acidi geotermici. Questo esperimento illuminò cinque lampadine. Nel 1911 fu costruito lì il primo impianto geotermico commerciale al mondo, dimostrando che l’energia geotermica poteva essere utilizzata a livello industriale. Lo sviluppo a Larderello continuò e nel 1942 i suoi impianti avevano una capacità di 128 MWe. Fino al 1958, questo è stato il primo impianto al mondo a produrre energia elettrica geotermica, fino a quando la Nuova Zelanda ne costruì uno nel 1958. Nel 2012 ha prodotto circa 594 megawattora. Fino agli anni ’40 del XIX secolo, il vapore a bassa pressione prelevato nell’area di Larderello veniva usato per il riscaldamento di case, serre e edifici industriali.

Nel 1852, Lord Kelvin creò la prima pompa di calore e nel 1912 Heinrich Zoelly ebbe l’idea di utilizzarla per estrarre calore dalla terra. Tuttavia, questa idea non fu realizzata fino al 1940, quando finalmente la pompa di calore geotermica fu prodotta con successo. Si dice che il primo sistema di questo tipo fosse un sistema di 2,2 kW costruito da Robert C. Webber, ma non c’è accordo su quando esattamente abbia inventato questo sistema. J. Donald Kroeker progettò la prima pompa di calore geotermica commerciale per riscaldare l’edificio del Commonwealth a Portland, Oregon.

Il Giappone fu il secondo Paese a perforare pozzi geotermici nel 1919, seguito dagli Stati Uniti nel 1929 con l’impianto californiano di Geysers. Successivamente, nel 1958, fu costruito un piccolo impianto geotermale in Nuova Zelanda, seguito l’anno dopo da uno in Messico e dal 1960 da altri impianti sparsi nel mondo, principalmente negli Stati Uniti.

Nel 1948, il professor Carl Nielsen dell’Ohio State University realizzò la prima versione residenziale ad anello aperto nella sua casa. Questa tecnologia divenne popolare in Svezia dopo la crisi petrolifera del 1973 e ha gradualmente ottenuto diffusione in tutto il mondo da allora. Nel 1979, lo sviluppo del tubo di polibutilene aumentò significativamente la resa della pompa di calore.

Nel 1960, la Pacific Gas and Electric mise in funzione negli Stati Uniti la prima centrale geotermica elettrica di successo a “The Geysers” in California. La turbina originale ha funzionato per più di 30 anni e ha prodotto 11 MW di potenza netta.

La tecnologia della centrale a ciclo binario è stata introdotta per la prima volta nel 1967 in Unione Sovietica e successivamente negli Stati Uniti nel 1981. Questo tipo di tecnologia ha permesso di generare energia elettrica da fonti con temperature molto più basse rispetto al passato. Nel 2006, un impianto a ciclo binario a Chena Hot Springs, in Alaska, è stato reso operativo per produrre energia elettrica da un fluido a bassa temperatura con un record di 57 °C.

Nel 2008, erano attivi circa 500 impianti geotermici in tutto il mondo.

Cos’è l’Energia geotermica?

Principio geotermico

L’energia geotermica è un tipo di energia ricavata dal calore presente nelle profondità della crosta terrestre. Questo calore deriva dal decadimento di elementi radioattivi presenti nelle rocce terrestri. All’interno della Terra, man mano che si scende in profondità, la temperatura aumenta gradualmente. In media, la temperatura cresce di circa 30 °C per ogni chilometro nella crosta terrestre (30 °C per km) e di 80 °C ogni 100 chilometri nel mantello e nel nucleo. Questo aumento di temperatura è noto come “gradiente geotermico” e dipende dalle caratteristiche termiche delle rocce e dal flusso di calore presente.

I valori del gradiente geotermico menzionati sono medi e si applicano generalmente in aree continentali dove non c’è una significativa circolazione di fluidi ad alta temperatura. In queste zone, il flusso termico verso la superficie è di circa 0,045-0,090 W/m2. Tuttavia, quando il flusso termico misurato supera il valore di 0,09-0,100 W/m2, si indica un’area con un’anomalia geotermica significativa. In queste aree, c’è una circolazione attiva di fluidi geotermici dovuta a fenomeni convettivi, e di conseguenza, c’è la potenziale presenza di calore geotermico.

Per utilizzare questo calore intrappolato nel sottosuolo, è necessario individuare le aree con un’alta concentrazione di calore terrestre, segnalando la presenza di un serbatoio geotermico. Il gradiente termico viene misurato in pozzi profondi chiamati “pozzi di gradiente“, dove le misurazioni non sono influenzate dalle variazioni di temperatura quotidiane o stagionali. Queste misurazioni vengono effettuate in condizioni di equilibrio termico tra il fluido nel pozzo e la formazione geologica circostante (nota come temperatura statica). Questi dati di temperatura possono essere raccolti anche da pozzi già completati, con misurazioni ripetute nel tempo e a diverse profondità, al fine di ottenere profili di temperatura variabili, utili per individuare la presenza di fenomeni convettivi.

Il potenziale geotermico varia nella crosta terrestre, concentrandosi soprattutto ai margini delle placche tettoniche:

Nei margini divergenti (dorsali) dove la crosta è sottile e il mantello è più vicino alla superficie, il calore del mantello crea anomalie positive con magma che sale in superficie, creando nuova crosta (come nelle dorsali medio-oceaniche o in luoghi come l’Islanda, anche se in parti emerse).

Nei margini trascorrenti, dove le placche si spostano orizzontalmente lungo faglie crostali (come la Faglia di Sant’Andrea in California), le forti anomalie termiche possono causare vulcani primari o secondari.

Nei margini convergenti, dove le placche collidono e la crosta oceanica si sprofonda nel mantello, si generano magmi (come nelle Ande o negli archi insulari come le Isole della Sonda).

Inoltre, si ha un potenziale geotermico elevato nei “punti caldi“, all’interno delle placche, dove colonne di magma risalgono a causa di correnti convettive nel mantello (come nelle Isole Hawaii).

In generale, il potenziale geotermico esiste ovunque ci siano anomalie termiche profonde, come vulcani attivi o intrusioni magmatiche non completamente raffreddate. Tuttavia, spesso si trovano a profondità elevate o in luoghi difficilmente accessibili con le attuali tecnologie, limitando il loro sfruttamento economico.

Tipologia di sorgenti geotermiche

Sistemi convenzionali

Sistemi idrotermali: Queste sorgenti si trovano a profondità non estreme, da poche centinaia di metri fino a circa 2000 metri, in zone con una forte variazione termica. Sono composte da una roccia serbatoio alimentata lateralmente da acque meteoriche che filtrano dalla superficie. All’interno, queste sorgenti sono caratterizzate dalla circolazione delle acque tramite convezione. A seconda della pressione e della temperatura dell’acqua nel giacimento, queste sorgenti possono essere classificate come geotermiche a vapore o a dominanza d’acqua. In alcune situazioni strutturali favorevoli, come pieghe anticlinali o strutture a horst, possono formarsi cupole di vapore acqueo al di sopra delle acque calde. In questo caso, la sorgente è costituita da due sottosistemi: uno dominato dall’acqua e uno dominato dal vapore.

Sistemi non convenzionali

Sistemi Geopressurizzati: Questi sono strati d’acqua sotterranea confinati a profondità superiori ai 2000 metri, con pressioni anomale, incluse pressioni laterali in caso di compressione geodinamica. L’inerzia sotto spessi sedimenti successivi accresce la pressione litostatica sui fluidi in questi strati acquiferi. Il confinamento dei sedimenti entro rocce impermeabili limita il movimento dei fluidi e previene la compattazione delle particelle sedimentarie, caratteristica di acquiferi non confinati. In tali acquiferi, le pressioni dei fluidi possono superare diverse centinaia di atmosfere. Possono contenere quantità significative di idrocarburi, a volte di interesse commerciale, incluso l’utilizzo geotermico in giacimenti esausti. L’estrazione richiede tecnologie avanzate per gestire le elevate pressioni durante la perforazione e la coltivazione. L’estrazione può causare un rapido impoverimento della risorsa, richiedendo un’attenta pianificazione dell’iniezione di fluidi per sostenere la produzione e prevenire la compattazione del serbatoio. I fluidi estratti spesso contengono sali in concentrazioni elevate, potenzialmente corrosivi, richiedendo trattamenti chimici costosi.

Sistemi Magmatici: Collegati a vulcani attivi con camere magmatiche a profondità ridotta o corpi intrusivi a bassa profondità (entro i 5-6 km), questi sistemi riscaldano il liquido utilizzato per estrarre calore direttamente dalla sommità del corpo intrusivo magmatico. Data la loro vicinanza a corpi magmatici attivi, l’utilizzo di fluidi in questi sistemi richiede sviluppo di tecniche di perforazione e sviluppo in condizioni estreme di pressione e temperatura, con la presenza di fluidi aggressivi.

Sistemi a Salamoia Calda: Questi sistemi si riferiscono agli acquiferi confinati o scarsamente alimentati ad alta temperatura, dove le acque racchiuse raggiungono concentrazioni saliniche molto elevate, diventando una salamoia con un alto contenuto di solidi disciolti totali (oltre 10 g/l). Possono formarsi in acquiferi con una graduale concentrazione dei sali presenti per convezione e dispersione graduale della fase fluida su lunghe durate, o in contesti strutturali e deposizionali particolari in cui la roccia serbatoio entra in contatto con diapiri salini o altre rocce evaporitiche, aventi una maggiore conducibilità termica rispetto alle rocce circostanti e un gradiente geotermico più alto. Le acque di tali sistemi richiedono costosi trattamenti chimici per essere utilizzate a scopi geotermici, poiché la presenza di sali può renderle corrosive per gli impianti produttori di energia, e non devono essere scaricate nell’ambiente a causa dell’elevato potenziale inquinante.

Sistemi Supercritici: Questi sistemi si trovano a profondità maggiori (3000-10000 m), e l’acqua presente è soggetta a elevate pressioni (da alcune centinaia fino a 1000 atmosfere) e temperature che possono raggiungere diverse centinaia di gradi, consentendo di raggiungere uno stato supercritico. L’acqua in questo stato ha proprietà intermedie tra quelle di un gas (espansione elevata, alta volatilità e diffusività entro i solidi porosi) e di un fluido (densità maggiore del vapore acqueo, ma minore rispetto all’acqua liquida), con un’elevata concentrazione energetica superiore a quella dei sistemi idrotermali, anche quelli a vapore predominante. Il comportamento fisico dell’acqua allo stato supercritico può variare mediante la diminuzione della pressione o della temperatura, come indicato dal diagramma di fase dell’acqua. Si ritiene che le estensioni profonde dei sistemi ad alta temperatura e pressione (sia a predominanza di acqua che di vapore) possano consistere in fluidi in condizioni supercritiche. Le sfide tecniche per l’estrazione di questo tipo di sistemi sono simili, ma talvolta più impegnative, rispetto a quelle dei sistemi non convenzionali precedenti, a causa delle pressioni e delle temperature estremamente elevate e della presenza di fluidi aggressivi.

Sistemi geotermici convenzionali

La maggior parte dei sistemi geotermici utilizzati nell’industria sono quelli convenzionali, basati su sorgenti idrotermali. Questi sistemi operano in rocce permeabili, dove l’acqua, filtrando dalla pioggia e dai fiumi, viene riscaldata da rocce calde per la presenza di calore magmatico. Le temperature possono variare ampiamente, da 50-60 °C fino a diverse centinaia di gradi. Questo tipo di sistema rappresenta la fonte più comune di energia geotermica.

Per un funzionamento efficiente di un sistema geotermico convenzionale sono necessari quattro elementi principali:

• Una sorgente di calore, spesso un’intrusione magmatica nella crosta terrestre, che crea un’area localmente più calda del normale.
• Un serbatoio geotermico costituito da rocce permeabili, come sabbie o arenarie, attraverso cui l’acqua e/o il vapore possono fluire.
• Una copertura di rocce impermeabili, come argille, che sigilla il serbatoio impedendo la fuoriuscita dei fluidi geotermici in superficie.
• Un’area di ricarica in superficie, dove l’acqua piovana può infiltrarsi nel sottosuolo e alimentare il serbatoio. È essenziale che vi sia una connessione fisica e idraulica tra l’area di ricarica e il serbatoio sotterraneo, in modo che si possa stabilire un processo di ricarica che rimpiazzi i fluidi persi attraverso le emissioni naturali e l’estrazione industriale.
• La ricarica avviene generalmente in zone dove le rocce del serbatoio emergono in superficie, spesso a distanze considerevoli rispetto al serbatoio stesso.

Per estrarre geofluidi, si utilizzano pozzi geotermici, che possono essere di diverse tipologie. I pozzi esplorativi hanno lo scopo di individuare la presenza, l’entità e la distribuzione del serbatoio geotermico. Successivamente, vengono perforati i pozzi di produzione, che estraggono effettivamente i fluidi geotermici, simili ai pozzi utilizzati nell’industria petrolifera. Nei campi geotermici, sono presenti anche i pozzi di gradiente, utilizzati per monitorare e controllare il gradiente geotermico.

Nel sistema geotermico tradizionale, il serbatoio geotermico si ricarica più lentamente rispetto all’estrazione industriale, poiché l’acqua si sposta nell’acquifero a una velocità relativamente bassa e la ricarica attraverso le infiltrazioni meteoriche è limitata. Per mantenere costante la produzione dei geofluidi, l’acqua estratta viene reiniettata in profondità attraverso pozzi iniettori, dopo essere stata raffreddata. Questa pratica aiuta a mantenere la pressione del serbatoio e a garantire una produzione energetica stabile. Nei sistemi a vapore dominante, ciò consente di far funzionare le turbine in modo continuo per la produzione di elettricità.

Tipi di centrali geotermiche

Vi possono essere vari tipi di centrali geotermiche, a seconda della tipologia dei fluidi prodotti. Infatti, le centrali geotermiche possono adottare diversi approcci a seconda dei fluidi prodotti e delle loro caratteristiche.

Una tipologia comune è la centrale geotermica a vapore dominante, dove il vapore secco ad alta pressione viene direttamente utilizzato per generare energia elettrica. Il vapore, attraverso apposite turbine, genera energia meccanica che viene trasformata in energia elettrica da un alternatore, e poi distribuita nella rete elettrica.

Un’altra tipologia è la centrale geotermica “flash”, in cui l’acqua calda risalente in condizioni di alta pressione e temperatura inizia a bollire all’interno del pozzo, generando vapore. Questo vapore alimenta le turbine per produrre energia elettrica, mentre il liquido residuo viene raffreddato e re-iniettato nel sottosuolo.

Un approccio alternativo è rappresentato dalla centrale geotermica a ciclo binario, dove l’acqua calda geotermica viene utilizzata per vaporizzare un secondo fluido con temperatura di ebollizione inferiore. Il vapore del secondo fluido fa girare le turbine per generare energia elettrica, e poi viene raffreddato e riportato allo stato liquido.

Infine, vi è la centrale ad acqua dominante, dove l’acqua calda geotermica viene impiegata principalmente per il riscaldamento urbano tramite uno scambiatore di calore, mantenendo il circuito geotermico chiuso per controllare la temperatura dell’acqua all’interno della rete di distribuzione.

L’energia geotermica può essere sfruttata attraverso tre modalità principali:

Geotermia ad alta entalpia: Utilizza sistemi geotermici ad elevata temperatura (> 150 °C), dove i fluidi geotermici sono principalmente vapore secco o acqua ad alta temperatura. Da questi sistemi si estrae vapore ad alta temperatura e pressione, utilizzato principalmente per la produzione di energia elettrica tramite impianti a vapore dominante. Se i fluidi sono bifase, si utilizzano impianti a flash singolo o combinato.

Geotermia a media entalpia: Coinvolge sistemi geotermici con temperature comprese tra 90 °C e 150 °C. Qui i fluidi geotermici sono vapore umido e/o acqua calda. È possibile produrre energia elettrica tramite impianti a ciclo binario. Questo tipo di geotermia è adatto per l’utilizzo diretto dell’energia termica per il teleriscaldamento, impiegando centrali ad acqua dominante (a scambiatore di calore) per riscaldare abitazioni e infrastrutture tramite una rete di distribuzione. I fluidi geotermici esausti vengono reiniettati nel sottosuolo per mantenere la produzione.

Geotermia a bassa entalpia (<90 °C): La geotermia a bassa entalpia (<90 °C) non è sufficientemente potente per generare energia elettrica, ma viene impiegata per il riscaldamento o il raffrescamento di abitazioni, edifici pubblici e industriali. Questo tipo di energia non ha nulla a che fare con fonti di calore di origine magmatica o con anomalie del gradiente geotermico, ma sfrutta principalmente la capacità del terreno di mantenere una temperatura costante durante l’anno al di sotto di una certa profondità.

Il processo si basa sullo scambio di energia termica tra il terreno e la struttura da climatizzare, utilizzando una macchina termica chiamata pompa di calore, in accordo col Secondo Principio della Termodinamica.

L’impianto è composto da tre parti principali:

• Un circuito esterno nel terreno, che agisce come scambiatore di calore tra il terreno o la falda acquifera e la pompa di calore. Questo circuito, posto orizzontalmente o verticalmente, è costituito da tubazioni e sonde geotermiche contenenti un fluido intermedio con antigelo o trasportano direttamente l’acqua estratta dal sottosuolo.
• La pompa di calore, che utilizza un fluido refrigerante a basso punto di ebollizione per lo scambio termico con l’ambiente da riscaldare o raffrescare.
• Il circuito interno di riscaldamento/raffrescamento della struttura da climatizzare, con i relativi terminali come pannelli radianti o ventilconvettori.

Nel funzionamento della pompa di calore, il fluido refrigerante (vapore) viene compresso, aumentandone la temperatura, e successivamente cede calore all’ambiente esterno in forma liquida nel condensatore (processo esotermico). Successivamente, il fluido viene espanso rapidamente nella valvola di espansione, raffreddandosi e assorbendo calore dall’ambiente esterno nel vaporizzatore, passando allo stato di vapore (processo endotermico). Questo ciclo si ripete continuamente. Durante l’inverno, il calore viene trasferito dal condensatore al circuito di riscaldamento della struttura, mentre in estate il condensatore cede calore al terreno.

Per rendere l’impianto geotermico più efficiente ed ecologico, è possibile abbinare un impianto fotovoltaico per alimentare la pompa di calore, rendendo il sistema elio-assistito.

Produzione di energia elettrica

L’International Geothermal Association (IGA) ha stimato che nel 2010 fossero operative centrali geotermiche capaci di produrre 10 715 megawatt (MW) di energia elettrica in 24 paesi, prevedendo una generazione di 67 246 GWh di energia elettrica. Questo rappresentava un aumento del 20% rispetto al 2005. L’IGA ha previsto un ulteriore aumento di 18 500 MW entro il 2015, grazie a progetti in corso, spesso riguardanti aree precedentemente considerate non sfruttabili.

Negli Stati Uniti, nel 2010, sono diventati leader mondiali nella produzione di energia elettrica geotermica con una capacità installata di 3 086 MW grazie a 77 centrali elettriche. Il maggior numero di centrali geotermiche si trova a “The Geysers“, un parco geotermico in California. Le Filippine seguono gli Stati Uniti come secondo maggior produttore con una capacità di 1 904 MW, contribuendo per circa il 27% alla produzione di energia elettrica del paese.

Le centrali elettriche geotermiche sono tradizionalmente sviluppate in aree vulcaniche, caratterizzate dalla presenza di risorse geotermiche ad alta temperatura vicino alla superficie o in superficie. Il progresso nella tecnologia ha permesso l’estensione delle zone geografiche in cui è possibile sfruttare questa forma di energia. Progetti pilota come EGS sono in corso in diverse parti del mondo, mentre alcuni progetti sono stati chiusi a causa di problemi di sismicità indotta.

Il rendimento delle centrali geotermiche di media e bassa entalpia è compreso tra il 10% e il 23%, limitato dalle leggi della termodinamica. Tuttavia, l’energia geotermica presenta un fattore di capacità elevato, poiché non dipende da fonti di energia variabili come l’energia eolica o solare, con una media globale del 73% nel 2005 e un potenziale fino al 96%.

Costi

Lo sviluppo di un campo geotermico comporta un elevato investimento iniziale di capitale, seguito da costi operativi relativamente bassi nel tempo. La valutazione economica di tale sviluppo dipende da diversi fattori, tra cui la topografia e l’area geografica, la geologia del giacimento geotermico e il tipo di impianto da realizzare.

La maggior parte dei costi è associata all’esplorazione e allo sviluppo, che includono prospezione geologica e sismica, perforazione dei pozzi, prove di produzione e attività di misurazione. Segue la costruzione dell’impianto di generazione elettrica, realizzato principalmente con materiali speciali anti-corrosione, insieme alle tubazioni per il trasporto dei fluidi geotermici e i collegamenti con le linee di distribuzione dell’energia elettrica.

Altri costi comprendono progettazione, costi finanziari, pratiche per ottenere permessi governativi, compensazioni ambientali, e imprevisti. La profondità dei pozzi influisce significativamente sui costi totali, ad esempio in Italia l’aumento della profondità ha portato a un aumento dei costi di produzione.

I costi specifici degli impianti di generazione energetica, come flash e a ciclo binario, includono principalmente l’equipaggiamento meccanico e i costi indiretti. La quantificazione monetaria di questi costi dipende dall’entità del progetto, dai fattori locali e dai costi dei materiali e dell’energia.

Per progetti geotermoelettrici con capacità installata di 10-50 MWe, il costo unitario oscilla tra 2 e 4 M€/MWe, con un costo complessivo tra alcune decine di M€ e 200 M€. Tuttavia, questi costi sono soggetti a variazioni, soprattutto in relazione all’incremento della profondità media dei pozzi e alle fluttuazioni dei costi dei materiali e dell’energia. La tecnologia avanzata di perforazione e gestione della produzione potrebbe contribuire a ridurre i costi fino al 20%. In ultima analisi, l’economicità di un progetto geotermoelettrico dipende dal valore dei fluidi estratti in rapporto al costo dei combustibili fossili.

Vantaggi e criticità

L’estrazione di energia geotermica offre vantaggi significativi in termini di sostenibilità a breve e medio termine, fino a diverse decine di anni, se gestita in modo razionale con un’adeguata pianificazione dell’iniezione dei fluidi esausti. Tuttavia, la sostenibilità a lungo termine della produzione è più complessa, soprattutto per i sistemi che utilizzano principalmente il vapore, poiché spesso non si verifica un completo ripristino della produzione iniziale anche con l’iniezione. È essenziale la re-iniezione dei fluidi per garantire la sostenibilità, ma ciò richiede una corretta pianificazione dei pozzi iniettori, della loro disposizione e profondità, oltre che del volume e della pressione dei fluidi iniettati, per evitare il raffreddamento eccessivo delle rocce e il rischio di sismicità indotta.

Rispetto alle fonti energetiche convenzionali, l’industria geotermica tende a rilasciare minori quantità di gas e particolato solido, contribuendo così a ridurre l’inquinamento ambientale. Tuttavia, la realizzazione e la gestione delle strutture geotermiche possono comportare impatti ambientali che devono essere attentamente monitorati e ridotti al minimo:

• Disturbi superficiali dovuti alla costruzione di strade di accesso, linee elettriche, condotte dei fluidi o agli impianti stessi.
• Effetti fisici come la subsidenza del terreno, le variazioni delle manifestazioni superficiali e l’eventuale sismicità indotta.
• Inquinamento acustico e termico durante le operazioni di perforazione dei pozzi e il funzionamento degli impianti.
• Inquinamento chimico derivante da rifiuti liquidi e solidi, emissioni gassose e radioattività naturale.
• Impatto sulla flora e sulla fauna circostante.

Mentre alcuni di questi effetti sono comuni a molte attività cantieristiche e minerarie, altri sono specifici dell’industria geotermica. Tra questi ultimi, tre fattori sono di particolare rilievo per il loro potenziale impatto.

Nelle aree di estrazione geotermica, c’è il rischio di inquinamento del territorio a causa della presenza di sostanze tossiche nelle acque del giacimento. Queste sostanze possono includere zolfo, mercurio, arsenico e gas tossici come anidride carbonica (CO2), idrogeno solforato (H2S), radon, ammoniaca (NH3), metano (CH4), azoto (N2), monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2) presenti nei geofluidi. La tipologia e la quantità di emissioni dipendono dal sito geologico e dalla composizione chimica dei geofluidi stessi.

Le operazioni di estrazione dell’energia geotermica influenzano le emissioni atmosferiche. Gli impianti che utilizzano vapore diretto presentano maggiori rischi poiché i gas e il vapore vengono convogliati direttamente alle turbine, mentre gli impianti binari consentono un circuito chiuso più sicuro. La presenza di sostanze tossiche richiede l’utilizzo di impianti di abbattimento, specialmente per l’idrogeno solforato, considerato il gas più tossico per l’uomo e l’ambiente.

Per impedire il rilascio dei gas nell’atmosfera, si può ricorrere alla reimmissione totale dei fluidi nel serbatoio, ma ciò richiede l’uso sistematico di impianti a ciclo binario, che comportano maggiori investimenti e minori rendimenti. Un’alternativa è la purificazione dei gas non condensabili e la loro compressione e liquefazione. L’anidride carbonica e il mercurio vengono abbattuti mediante filtri e processi catalitici.

L’estrazione dei geofluidi può causare la subsidenza del suolo, che varia a seconda delle rocce di copertura del serbatoio. Alcuni giacimenti non presentano significative variazioni di subsidenza, mentre in altri casi si possono registrare abbassamenti del terreno anche di diversi metri. Tuttavia, in alcuni casi, come nel giacimento di Landau in Germania, si può osservare un sollevamento del suolo.

La sismicità indotta dalle attività geotermiche, specialmente quelle che coinvolgono l’iniezione di fluidi, è un aspetto significativo da considerare. Questi eventi sismici possono verificarsi dopo le operazioni di stimolazione e di solito hanno una magnitudo intorno a ML 2, al di sotto della soglia percepita dalla popolazione. Tuttavia, in alcune aree geotermiche avanzate, come Landau, Soultz-sous-Forêts e Basilea, sono stati registrati episodi sismici più significativi, come nel caso di Basilea nel 2006, dove un evento di magnitudo ML 3.4 è stato avvertito su una vasta area e ha causato danni lievi. Tale evento ha portato alla chiusura del progetto geotermico in loco nel 2009.

Altri progetti geotermici, come quello a San Gallo in Svizzera, hanno avuto esiti simili, con un sisma di magnitudo M 3.5 nel 2013, causato dalla riattivazione di una faglia precedentemente considerata inattiva. Tuttavia, le regioni con una storia di sfruttamento geotermico convenzionale non mostrano una correlazione significativa tra l’attività industriale e la frequenza di terremoti di media-elevata magnitudo. La stimolazione necessaria per i progetti geotermici EGS ha una maggiore probabilità di generare eventi sismici rispetto a quella utilizzata per i giacimenti di idrocarburi, soprattutto nelle rocce cristalline rispetto a quelle sedimentarie.

La distribuzione spaziale e temporale degli eventi sismici indotti di solito mostra una migrazione dalla zona del pozzo ad una certa distanza, con l’aumentare dell’iniezione di fluido. La magnitudo di tali eventi è correlata ai volumi di fluido iniettato e alla presenza di faglie attive. Pertanto, è importante condurre uno studio dettagliato della struttura sotterranea e installare strumenti di monitoraggio sismico per prevedere e monitorare gli eventi sismici indotti.

Diffusione

Nel mondo

L’energia geotermica viene utilizzata in diverse nazioni per vari scopi, ma soprattutto per il riscaldamento degli ambienti, l’agricoltura e l’industria leggera. Nei Paesi che la impiegano per generare elettricità, gli studi di fattibilità sono sempre più diffusi a livello globale.

Negli Stati Uniti, dove la geotermia è ben sviluppata, si concentra principalmente negli stati occidentali e in Alaska, con una capacità installata di 3700 MWe nel 2020. Anche il Messico e l’Indonesia hanno una notevole presenza nel settore, con capacità installate rispettivamente di 1005,8 MWe e 2289 MWe nel 2020.

La Turchia e il Kenya mostrano un significativo aumento della capacità geotermica installata nel periodo 2015-2020, con 2289 MWe e 1193 MWe rispettivamente nel 2020. In particolare, il Kenya ha visto un guadagno di 599 MWe a partire dal 2015.

Anche la Cina, sebbene abbia una capacità installata ancora relativamente bassa (34,89 MWe nel 2020), sta promuovendo attivamente progetti geotermici e sfruttando fonti a bassa entalpia con l’installazione diffusa di pompe di calore.

L’Islanda, pur non essendo tra i primi per capacità installata in valore assoluto (755 MWe nel 2020), è leader nello sfruttamento della geotermia rispetto alla sua dimensione territoriale e popolazione, fornendo il 62% del suo fabbisogno energetico.

Al contrario, l’Australia ha visto uno sviluppo limitato della geotermia, con molti progetti abbandonati a favore dell’energia solare fotovoltaica.

In Italia, nel periodo 2015-2020, non sono stati aggiunti nuovi impianti per la produzione di energia elettrica, ma sono state condotte attività di perforazione di nuovi pozzi e di ottimizzazione della produzione nei campi già in esercizio, con un aumento dell’energia prodotta da 5660 a 6100 GWh/anno. Attività esplorative sono state intraprese anche per risorse supercritiche ed EGS.

In Italia

In Italia, il potenziale geotermico è notevole a causa della complessità geologica del paese. Questo potenziale si estende sia ai sistemi convenzionali che a quelli non convenzionali, ma la loro distribuzione varia in base a diversi fattori.

Il flusso di calore, influenzato dalla presenza di corpi magmatici, è particolarmente elevato in diverse zone, come i Colli Euganei, l’area tirrenica della Toscana, Lazio e Campania, l’Arco Eoliano, l’Altopiano Ibleo, le Madonie e l’apparato dell’Etna, oltre al Tirreno meridionale.

La presenza di elementi strutturali come fratture e faglie favorisce la risalita di fluidi termali, come nella fascia pedealpina meridionale e in alcune zone della Sardegna e della Puglia.

Le aree con infiltrazioni meteoriche che ricaricano gli acquiferi profondi, principalmente corrispondenti ad aree di rocce carbonatiche permeabili, includono le Alpi meridionali, l’Appennino centro-meridionale, la Puglia salentina e garganica.

Per i sistemi geopressurizzati, sono importanti le aree a forte subsidenza e sedimentazione veloce, come la Pianura Padana centro-orientale, la fascia costiera marchigiano-abruzzese, la Puglia settentrionale e il bacino di Caltanissetta in Sicilia.

Le risorse con temperature adatte alla produzione di energia elettrica sono concentrate soprattutto lungo la fascia costiera tirrenica e subappenninica toscana, laziale e campana, e sulle isole vulcaniche del Tirreno meridionale e del Canale di Sicilia. Attualmente, però, le uniche aree sfruttate sono quelle della Toscana meridionale, nelle province di Pisa, Siena e Grosseto.

Le zone più prolifiche includono i campi geotermici di Larderello e Radicondoli-Travale, che fanno parte dello stesso sistema geotermico di tipo idrotermale. Anche nell’area dell’Amiata, i campi di Bagnore e Piancastagnaio sono rilevanti.

In Toscana meridionale, a Castelnuovo Val di Cecina, è stato avviato il primo impianto al mondo a integrare geotermia e biomasse, sfruttando le risorse del territorio circostante.

Anche nel Lazio settentrionale, soprattutto nei Monti Volsini, nell’area del Lago di Vico, nei Monti Sabatini e nei Colli Albani, ci sono importanti risorse geotermiche, sebbene alcune aree siano state chiuse per problemi ambientali.

A Ferrara, una parte significativa dell’energia è prodotta da un impianto geotermico che sfrutta l’acqua alla temperatura di circa 100 °C presente nel sottosuolo.

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