Comprendere i sistemi geotermici: sfruttare il calore naturale della Terra

Man mano che il mondo si concentra sempre più sulle soluzioni energetiche sostenibili, i sistemi geotermici sono emersi come una tecnologia promettente per il riscaldamento, il raffreddamento e la generazione di elettricità. Questa guida completa esplora i principi, le applicazioni, i vantaggi e i limiti dei sistemi geotermici, fornendo una prospettiva globale sul loro potenziale contributo a un futuro energetico più pulito.

Cos'è l'energia geotermica?

L'energia geotermica è il calore derivato dall'interno della Terra. Questo calore è una risorsa praticamente inesauribile, generata continuamente dal lento decadimento delle particelle radioattive nel nucleo terrestre. Il gradiente di temperatura tra il nucleo terrestre (circa 5.200 gradi Celsius) e la superficie crea un flusso continuo di calore verso l'esterno.

Come funzionano i sistemi geotermici

I sistemi geotermici sfruttano questo calore naturale in vari modi, a seconda della temperatura e della posizione della risorsa. Esistono due categorie principali di sistemi geotermici:

Pompe di calore geotermiche (GHP): note anche come pompe di calore a terra, questi sistemi utilizzano la temperatura relativamente costante del suolo poco profondo (circa 10-16 gradi Celsius) per riscaldare e raffreddare gli edifici.
Centrali geotermiche: questi impianti sfruttano i serbatoi geotermici ad alta temperatura in profondità nel sottosuolo per generare elettricità.

Pompe di calore geotermiche (GHP)

Le GHP non utilizzano direttamente il calore geotermico, ma piuttosto trasferiscono calore tra l'edificio e il terreno. Sono costituiti da tre componenti principali:

Circuito a terra: una rete di tubi interrati nel sottosuolo, orizzontalmente o verticalmente, riempiti con un fluido di trasferimento del calore (solitamente acqua o una miscela di acqua e antigelo).
Unità pompa di calore: un dispositivo che fa circolare il fluido di trasferimento del calore e utilizza un refrigerante per estrarre o rifiutare il calore, a seconda che sia necessario riscaldare o raffreddare.
Sistema di distribuzione: condotti o riscaldamento a pavimento radiante che distribuiscono l'aria o l'acqua riscaldata o raffreddata in tutto l'edificio.

Modalità riscaldamento: in inverno, il circuito a terra assorbe il calore dal terreno relativamente più caldo e lo trasferisce all'unità pompa di calore. La pompa di calore comprime quindi il refrigerante, aumentando la sua temperatura, e trasferisce il calore all'edificio attraverso il sistema di distribuzione.

Modalità raffreddamento: in estate, il processo viene invertito. La pompa di calore estrae il calore dall'edificio e lo trasferisce al terreno più fresco attraverso il circuito a terra.

Tipi di circuiti a terra:

Circuiti orizzontali: i tubi sono interrati orizzontalmente in trincee a pochi metri sotto la superficie. Questo è in genere più conveniente per le applicazioni residenziali in cui è disponibile una superficie di terreno sufficiente.
Circuiti verticali: i tubi sono inseriti in fori profondi e verticali. Questo è l'ideale per siti con superficie di terreno limitata o dove le condizioni del suolo non sono adatte per circuiti orizzontali.
Circuiti stagno/lago: i tubi sono sommersi in uno stagno o lago vicino. Questa è un'opzione conveniente se è disponibile una massa d'acqua adatta.
Sistemi a circuito aperto: questi sistemi utilizzano direttamente l'acqua di falda come fluido di trasferimento del calore. L'acqua viene pompata da un pozzo, fatta circolare attraverso la pompa di calore e quindi scaricata nuovamente nel terreno o nell'acqua superficiale. I sistemi a circuito aperto richiedono un'attenta considerazione della qualità dell'acqua e delle normative ambientali.

Centrali geotermiche

Le centrali geotermiche utilizzano serbatoi geotermici ad alta temperatura (in genere superiori a 150 gradi Celsius) per generare elettricità. Esistono tre tipi principali di centrali geotermiche:

Centrali a vapore secco: questi impianti utilizzano il vapore direttamente dal serbatoio geotermico per far girare una turbina, che a sua volta aziona un generatore per produrre elettricità. Le centrali a vapore secco sono il tipo più semplice ed efficiente di centrale geotermica, ma sono relativamente rare perché richiedono una risorsa di vapore secco ad alta temperatura.
Centrali a vapore flash: questi impianti sono il tipo più comune di centrale geotermica. Utilizzano acqua calda ad alta pressione dal serbatoio geotermico. L'acqua calda viene trasformata in vapore in un serbatoio e il vapore viene quindi utilizzato per far girare una turbina e generare elettricità.
Centrali a ciclo binario: questi impianti utilizzano acqua calda dal serbatoio geotermico per riscaldare un fluido secondario con un punto di ebollizione inferiore. Il fluido secondario viene vaporizzato e quindi utilizzato per far girare una turbina e generare elettricità. Gli impianti a ciclo binario sono adatti per risorse geotermiche a temperature inferiori.

Distribuzione globale delle risorse geotermiche

Le risorse geotermiche non sono distribuite uniformemente in tutto il mondo. Si trovano in genere in aree con elevata attività vulcanica o confini di placche tettoniche, come la Cintura di fuoco del Pacifico, la Rift Valley dell'Africa orientale e la regione del Mediterraneo.

Alcuni paesi con un potenziale geotermico significativo includono:

Islanda: l'Islanda è un leader mondiale nell'utilizzo dell'energia geotermica, con centrali geotermiche che forniscono una parte significativa del fabbisogno di elettricità e riscaldamento del paese.
Stati Uniti: gli Stati Uniti hanno la più grande capacità geotermica installata al mondo, con centrali geotermiche in California, Nevada e Utah. Le pompe di calore geotermiche sono anche ampiamente utilizzate in tutto il paese.
Filippine: le Filippine dipendono fortemente dall'energia geotermica per la produzione di elettricità, con numerose centrali geotermiche situate in tutto l'arcipelago.
Indonesia: l'Indonesia ha vaste risorse geotermiche grazie alla sua posizione lungo la Cintura di fuoco del Pacifico. Il paese sta attivamente sviluppando il suo potenziale geotermico per soddisfare la sua crescente domanda di energia.
Nuova Zelanda: la Nuova Zelanda ha una lunga storia di utilizzo dell'energia geotermica, con centrali geotermiche e applicazioni a uso diretto che contribuiscono in modo significativo al mix energetico del paese.
Kenya: il Kenya è un importante produttore di energia geotermica in Africa, con importanti centrali geotermiche nella regione della Rift Valley.
Turchia: la Turchia ha rapidamente ampliato la sua capacità di energia geotermica negli ultimi anni, con numerose centrali geotermiche operative in tutto il paese.
Italia: l'Italia ha una lunga storia di utilizzo dell'energia geotermica, risalente all'inizio del XX secolo. Il paese ha ancora diverse centrali geotermiche in funzione.

Vantaggi dei sistemi geotermici

I sistemi geotermici offrono numerosi vantaggi rispetto alle fonti di energia convenzionali:

Rinnovabile e sostenibile: l'energia geotermica è una risorsa rinnovabile che viene continuamente reintegrata dal calore interno della Terra. A differenza dei combustibili fossili, l'energia geotermica non contribuisce alle emissioni di gas serra o ai cambiamenti climatici.
Ecologico: i sistemi geotermici hanno un impatto ambientale minimo rispetto alle centrali elettriche a combustibili fossili. Producono pochissimo inquinamento atmosferico e richiedono meno superficie di terreno.
Conveniente: sebbene l'investimento iniziale nei sistemi geotermici possa essere superiore rispetto ai sistemi convenzionali, i costi operativi a lungo termine sono in genere inferiori. I sistemi geotermici sono altamente efficienti e richiedono meno energia per funzionare.
Affidabile e coerente: l'energia geotermica è disponibile 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche. A differenza dell'energia solare ed eolica, l'energia geotermica non è intermittente.
Applicazioni versatili: l'energia geotermica può essere utilizzata per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui riscaldamento, raffreddamento, produzione di elettricità, processi industriali e agricoltura.
Ridotta impronta di carbonio: sostituendo le fonti di energia a combustibili fossili con l'energia geotermica, individui e aziende possono ridurre significativamente la propria impronta di carbonio.

Limitazioni dei sistemi geotermici

Nonostante i numerosi vantaggi, i sistemi geotermici presentano anche alcune limitazioni:

Costo iniziale elevato: l'investimento iniziale nei sistemi geotermici può essere significativo, in particolare per le centrali geotermiche profonde o i sistemi di riscaldamento geotermico su larga scala.
Specifico per la posizione: le risorse geotermiche non sono distribuite uniformemente in tutto il mondo, limitando la disponibilità di energia geotermica in determinate regioni.
Preoccupazioni ambientali: sebbene i sistemi geotermici siano generalmente ecologici, possono avere alcuni potenziali impatti ambientali, come il rilascio di gas serra (ad esempio, anidride carbonica e idrogeno solforato) dai serbatoi geotermici, il cedimento del terreno e l'inquinamento dell'acqua.
Rischi di esplorazione: l'esplorazione di risorse geotermiche può essere rischiosa e costosa. Non vi è alcuna garanzia di trovare un serbatoio geotermico adatto in una particolare posizione.
Requisiti di manutenzione: i sistemi geotermici richiedono una manutenzione regolare per garantire prestazioni ottimali e prevenire la corrosione o l'incrostazione delle apparecchiature.
Sismicità indotta: in alcuni casi, l'iniezione di acqua nei serbatoi geotermici può innescare piccoli terremoti, noti come sismicità indotta. Questa è una preoccupazione in alcune aree con elevata attività sismica.

Applicazioni dell'energia geotermica

L'energia geotermica ha una vasta gamma di applicazioni in vari settori:

Riscaldamento e raffreddamento residenziale: le pompe di calore geotermiche sono ampiamente utilizzate per il riscaldamento e il raffreddamento di case e appartamenti. Forniscono un'alternativa confortevole ed efficiente dal punto di vista energetico ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali.
Riscaldamento e raffreddamento commerciale: i sistemi geotermici vengono utilizzati anche per riscaldare e raffreddare edifici commerciali, come uffici, scuole, ospedali e centri commerciali.
Produzione di elettricità: le centrali geotermiche generano elettricità utilizzando vapore o acqua calda da serbatoi geotermici. L'energia geotermica è una fonte di elettricità affidabile e sostenibile.
Processi industriali: l'energia geotermica viene utilizzata in vari processi industriali, come la lavorazione degli alimenti, la produzione di carta e la produzione chimica.
Agricoltura: l'energia geotermica viene utilizzata per il riscaldamento delle serre, l'acquacoltura e l'essiccazione delle colture. Può aiutare a prolungare la stagione di crescita e migliorare i raccolti.
Teleriscaldamento: l'energia geotermica può essere utilizzata per fornire teleriscaldamento a intere comunità. L'acqua calda proveniente da serbatoi geotermici viene convogliata a case e aziende per scopi di riscaldamento. Esempi includono Reykjavik, Islanda e Klamath Falls, Oregon (USA).
Fusione della neve: nei climi freddi, l'energia geotermica può essere utilizzata per sciogliere la neve e il ghiaccio su marciapiedi, strade e piste aeroportuali.
Bagni e svago: le sorgenti termali geotermiche sono famose destinazioni turistiche in tutto il mondo. Offrono benefici terapeutici e opportunità ricreative. Esempi includono la Laguna Blu in Islanda e numerosi onsen in Giappone.

Il futuro dell'energia geotermica

Il futuro dell'energia geotermica appare promettente, con un crescente interesse per il suo potenziale contributo a un futuro energetico sostenibile. I progressi tecnologici stanno rendendo l'energia geotermica più accessibile ed economica.

Sistemi geotermici avanzati (EGS): L'EGS è una tecnologia che mira ad accedere alle risorse geotermiche in aree in cui la permeabilità della roccia è bassa. L'EGS prevede la creazione di fratture artificiali nella roccia per consentire all'acqua di circolare ed estrarre calore. Questa tecnologia potrebbe espandere significativamente la disponibilità di energia geotermica in tutto il mondo.

Sistemi geotermici supercritici: i sistemi geotermici supercritici sfruttano risorse geotermiche ad altissima temperatura che esistono in profondità nel sottosuolo. Questi sistemi hanno il potenziale per generare molta più elettricità rispetto alle centrali geotermiche convenzionali.

Geotermia ovunque: sono in fase di sviluppo innovazioni per rendere la geotermia più accessibile in aree non tradizionalmente note per l'attività geotermica. Ciò include sistemi a circuito chiuso in grado di estrarre calore da formazioni più profonde e calde senza la necessità di grandi quantità di acqua.

Collaborazione globale: una maggiore collaborazione internazionale è essenziale per accelerare lo sviluppo e la diffusione delle tecnologie per l'energia geotermica. La condivisione di conoscenze e competenze può aiutare a superare le sfide tecniche e ridurre i costi.

Conclusione

I sistemi geotermici offrono una soluzione sostenibile e affidabile per il riscaldamento, il raffreddamento e la produzione di elettricità. Sebbene presentino alcune limitazioni, i vantaggi dell'energia geotermica sono significativi. Mentre il mondo passa a un futuro energetico più pulito, l'energia geotermica è destinata a svolgere un ruolo sempre più importante nel soddisfare la domanda energetica globale. Investendo in ricerca e sviluppo e promuovendo la collaborazione internazionale, possiamo sbloccare il pieno potenziale dell'energia geotermica e creare un futuro più sostenibile per tutti.

Approfondimenti fruibili:

Individui: prendi in considerazione le pompe di calore geotermiche per la tua casa o attività commerciale per ridurre il consumo di energia e l'impronta di carbonio.
Aziende: esplora le opportunità per utilizzare l'energia geotermica nei tuoi processi industriali o edifici commerciali.
Governi: investi in ricerca e sviluppo di tecnologie geotermiche e fornisci incentivi per progetti di energia geotermica.
Investitori: supporta aziende e progetti che stanno sviluppando e implementando soluzioni per l'energia geotermica.