cultura e natura
La geotermia, il motore della Terra. “Quale del Bulicame esce ruscello che parton poi tra lor le peccatrici, tal per la rena giu` sen giva quello. Lo fondo suo e ambo le pendici fatt' era 'n pietra, e ' margini dallato; per ch'io m'accorsi che 'l passo era lici.”(Inferno XIV) a cura di Elisabetta Gatti
L
’energia geotermica è il calore contenuto all’interno della Terra ed è alla base di molti dei fenomeni geologici del pianeta. Tale energia è considerata inesauribile e si propaga per conduzione, nelle rocce compatte ( attraverso lo scambio di calore che avviene per contatto diretto) e per convezione in quelle permeabili e fratturate (dove i liquidi più caldi emergono e quelli più freddi scendono). Il materiale geotermico così affluisce in superficie con un gradiente di temperatura medio di +3,3 °C ogni 100 metri. La Terra è quindi un immenso serbatoio di calore: si calcola che l'energia termica contenuta entro i primi 5 km sia equivalente a quasi 500.000 volte gli attuali fabbisogni mondiali. Tuttavia questo tipo di energia è caratterizzata per la sua ampia dispersione e per la difficoltà nello sfruttamento, dati gli attuali limiti tecnologi. La potenza media alla superficie è infatti di appena 0,063 watt/metro
quadrato, cioè circa 5.000 volte inferiore a quella dell'energia solare (1,35 kW/mq). Tra i vantaggi che offre invece c’è la continuità nel tempo, essendo questo tipo di energia priva di fluttuazioni meteorologiche (diurne o stagionali) e, cosa rilevante da un punto di vista economico, può concentrarsi in zone caratterizzate da anomalie termiche raggiungendo livelli di temperatura industrialmente sfruttabili. Parole Chiave Gradiente geotermico dà la misura dell’aumento di temperatura con la profondità. Convezione Gli elementi fluidi si riscaldano e si dilatano, diventano più leggeri e salgono in superficie dove cominciano a raffreddarsi. Dopodiché ridiscendono verso il basso, e si hanno così i cicli convettivi, tramite i quali il calore viene trasportato dalle zone più calde a quelle più fredde ridistribuendo la temperatura, ed in questo modo avviene il meccanismo di trasporto del calore tipico dei mezzi fluidi. Conduzione La trasmissione di calore avviene per contatto diretto tra elementi solidi, liquidi o gassosi dalle zone con temperatura maggiore verso quelle con temperatura minore.
L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Secondo l’ultimo rapporto riguardante il settore geotermico stilato dell’IEA (International Energy Agency) risulta che vi è stato un progressivo aumento nello sfruttamento di questa risorsa, infatti: “Nel 2009, la capacità globale di energia geotermica è stata del 10,7 GWe e ha generato circa 67,2 TWhe/anno di energia elettrica, ad un tasso di rendimento medio del 6,3 GWh / MWe (Bertani, 2010)”.
La temperatura del mantello della terra è scesa di 300°-350°C in tre miliardi di anni e, alla sua base, è di circa 4000°C. E’ stato stimato che il calore totale contenuto nella Terra, assumendo una temperatura superficiale media di 15°C, sia dell’ordine di 12,6 x 1024 MJ e che quello contenuto nella crosta sia dell’ordine di 5,4 x 1021 MJ (Armstead, 1983). Mary H. Dickson and Mario Fanelli - Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italia
CN n. 7 2012
14
cultura e natura Italia nel 1904 a Lardarello, presso una industria per l’estrazione dell’acido borico. Nel 1827 Francesco Larderel, proprietario di un’industria per l’estrazione di acido borico, ideò un sistema per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di evaporazione, invece di bruciare il legname dei boschi, che si andavano esaurendo rapidamente.
Tabella produzione elettrica della geotermia 2009 Franco Berberi Dipartimento di Scienze Geologiche Università di Roma Tre
Malgrado i progressi del settore, a causa della relativa scarsità di siti naturali con caratteristiche idonee alla produzione elettrica, la geotermia gioca un ruolo modesto su scala planetaria, coprendo non più dello 0,4% della produzione elettrica mondiale (1,7% di quella da fonti rinnovabili). Mentre a livello locale può svolgere un’importante funzione di approvvigionamento energetico e termico. Infatti come riportato nel rapporto IEA: “L’energia elettrica geotermica soddisfa una quota significativa del fabbisogno energetico dell’Islanda (25%), di El Salvador (22%), del Kenya, e delle Filippine (17%ciascuno) e Costa Rica (13%). In cifre assolute, gli Stati Uniti rappresentano il paese in cui viene maggiormente prodotta l'elettricità geotermica. Nel 2010 ha prodotto 16.603 GWhe/anno con una potenza installata di 3093 MWe. Il totale della capacità installata di calore geotermico (escludendo le pompe di calore) è pari a 15 347MWt nel 2009, con una produzione di calore annua di 223 petajoule (PJ). La Cina mostra il più alto impiego di calore geotermico (escluse le pompe di calore), totalizzando 46,3 PJ/anno di utilizzo nel 2009 (Lund et al., 2010). Circa gli sviluppi futuri, allo stato attuale, la comunità scientifica non è ancora in grado di quantificare le riserve geotermiche industrialmente sfruttabili e non sono ancora disponibili valutazioni attendibili.
Grazie al principe Piero Ginori Conti, che fece collegare un generatore elettrico ad una motrice a vapore alimentata da un soffione, si riuscirono ad accendere, per la prima volta, 5 lampadine. Nel 1913, sempre a Larderello, fu installata la prima centrale geotermoelettrica del mondo, con una turbina da 250 kW, che negli anni successivi fu potenziata con tre gruppi da 2,5 MW ciascuno. L'esempio italiano portò il Giappone e gli Stati Uniti a eseguire perforazioni sperimentali alla ricerca di soffioni utili per la produzione elettrica. Per quasi 50 anni quelle di Larderello (che nel 1939-40 furono potenziate a 126 MW ) rimasero le centrali geotermiche predominanti al mondo, fino al 1959-60, quando entrarono in servizio le centrali di Wairakei, in Nuova Zelanda, e di The Geysers, negli USA. Da un punto di vista economico, la produzione geotermoelettrica, in presenza di bassi prezzi delle fonti convenzionali, presenta scarse attrattive per l'industria privata, a causa dell'investimento di capitale necessario (il fatto che il "combustibile", cioè il fluido geotermico, sia quasi gratuito può non giustificare l'investimento iniziale). I maggiori sviluppi geotermici sono pertanto attesi soprattutto in quei Paesi con rilevanti anomalie termiche del sottosuolo, soprattutto in regioni isolate, nelle quali sarebbe oneroso trasportare l'elettricità prodotta con altre fonti. Un caso esemplare è costituito dall’Islanda, che grazie alle risorse geotermiche, soddisfa il 100% del suo fabbisogno energetico. La maggior parte della potenza geotermica, anche in una stessa area, è stata realizzata in passato con più centraline di piccola potenza (fino a 10 MW). Sono anche state realizzate centrali di potenza unitaria rilevante (fino a 150 MW), ma si tende oggi a utilizzare macchinari standard, ottimizzando il rapporto costi-benefici.
Classificazione delle risorse geotermiche Come parametro generale per la classificazione di una risorsa geotermica viene considerato il grado di entalpia, ossia il valore approssimativo dell’energia termica contenuta da un fluido. In base a questo fattore e alla temperatura delle risorse, comunemente possiamo distinguerle in alta (superiore a 150°C), media (90-150°C), bassa (al di sotto di 90°C) e bassissima (12-14°C) entalpia. Risorse ad alta entalpia (produzione energia elettrica uso industriale). L’energia geotermica fu utilizzata per la prima volta in
15
1904, Lardarello - Piero Ginori Conti - Primo impianto geotermico per la produzione di energia elettrica
CN n. 7 2012
cultura e natura
USA, California, The Geysers, impianto geotermico per la produzione di energia elettrica a vapore dominante
Le tipologie di centrale dipendono dalle caratteristiche del fluido disponibile, che può essere a vapore dominante (o addirittura vapore secco o surriscaldato) oppure ad acqua dominante. Nel primo caso, più raro, il vapore proveniente dal pozzo viene convogliato direttamente nelle turbine e quindi scaricato nell'ambiente, se necessario dopo processi di depurazione. Gli impianti a vapore dominante attualmente sfruttati sono una decina nel mondo, oltre quelli già citati di Larderello e The Geysers ve ne sono anche in Giappone e nel Nuovo Messico. Nel secondo caso, molto più frequente, di impianti ad acqua dominante, viene utilizzata l’acqua ad alta pressione, con temperatura di ebollizione superiore a 100°C. Quando l’acqua risale lungo la colonna del pozzo, la pressione diminuisce e l’acqua vaporizza parzialmente: il vapore viene quindi utilizzato per la produzione di energia elettrica, mentre l’acqua calda può essere sfruttata ad esempio negli impianti di dissalazione. Nel corso del tempo si sono tuttavia perfezionate macchine bifasi che utilizzano direttamente il fluido (acqua + vapore) endogeno e comunque l’innovazione nel settore è molto attiva. Ai fini della generazione elettrica, i tradizionali impianti geotermici possono sfruttare esclusivamente risorse (sia a vapore che ad acqua dominante) a temperatura elevata, superiore ai 180°C. Da alcuni anni sono in fase di accelerato sviluppo impianti a ciclo binario in grado di generare elettricità da fluidi geotermici di media e anche bassa entalpia (da 90 a 160°C), cioè di temperatura di per sé non sufficiente a produrre direttamente il vapore idoneo al funzionamento delle turbine. Tali impianti utilizzano un circuito secondario a ciclo chiuso, ove circola un fluido a basso punto di ebollizione (ammoniaca, isobutano) che, scaldato dal calore geotermico,
vaporizza in turbina. Sono già numerosi gli impianti in esercizio o in costruzione, ed è evidente che la diffusione di questi impianti binari accrescerà notevolmente il potenziale di sviluppo della risorsa.
Schema di un impianto a ciclo binario per generazione di elettricità. In rosso il circuito del fluido geotermico, in verde il circuito del fluido secondario, in blu il circuito di raffreddamento. Mary H. Dickson and Mario Fanelli - Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italia
È opportuno ricordare che i fluidi geotermici ad acqua dominante contengono spesso sostanze corrosive o incrostanti che rendono onerosa la manutenzione delle apparecchiature e che costringono a specifici accorgimenti e scelte progettuali ad hoc quasi per ogni singolo campo, con conseguenze sui costi e sui tempi di realizzazione. I rischi di insuccesso in geotermia sono peraltro maggiori che in altre attività di esplorazione del sottosuolo, a causa della maggiore difficoltà di conoscere, prima della trivellazione, il grado di fertilità del pozzo e la composizione chimica del fluido.
Schema di un isistema geotermico Mary H. Dickson and Mario Fanelli - Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italia
CN n. 7 2012
16
cultura e natura Usi diretti dei fluidi geotermici (media e bassa entalpia) Il calore geotermico a media e bassa entalpia viene direttamente usato per il riscaldamento di edifici, per attività termali, di floricoltura, orticoltura, itticoltura e per numerose altre attività produttive. Va detto, al riguardo, che le statistiche sono difficili da effettuare con precisione, sia per la mancanza di una metodologia comune di calcolo, sia perché sono innumerevoli le applicazioni non contabilizzate. La maggior parte degli usi termali infatti, ma anche gran parte degli usi per serre e climatizzazione di edifici isolati,
Stima degli usi diretti dell’energia geotermica - Sulla colonna 1 è indicata l’impressionante crescita tra il 1995 e il 2010 delle pompe di calore. Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Lund et al.
sfuggono alle statistiche. Secondo il World Geothermal Congress gli usi diretti del calore geotermico sono presenti in 78 Paesi, per una capacità equivalente a 50583 MWt (termici) nel 2010. Un valore comunque notevole, che consente un risparmio di alcune decine di milioni di tonnellate di petrolio l’anno. E che appare suscettibile di ulteriori forti sviluppi in relazione al dinamismo del mercato: nel periodo 20052010, ad esempio, gli usi diretti dei fluidi geotermici sono quasi raddoppiati. L’Islanda è un caso a parte, date le particolari condizioni ambientali: oltre il 90% del riscaldamento domestico dell’intera isola è, infatti, geotermico. Ma significative sono le cifre anche in Cina (quasi 9 milioni di metri cubi di abitazioni riscaldati), in Austria, Svizzera, Germania e altri Paesi europei e non, come la Turchia. Uso dei fluidi geotermici a bassissima entalpia (condizionamento abitazioni private). Alle cifre indicate dal World Geothermal Congress vanno poi aggiunte quelle relative agli usi a “bassissima entalpia”. In molti paesi si sta sviluppando l’uso di pompe di calore geotermiche utilizzate per la climatizzazione, tramite l’impiego di scambiatori di calore posti nel sottosuolo a piccole profondità. Soprattutto per questi usi i dati sono di difficile calcolo, poiché gli impianti sono prevalentemente per abitazioni private. Nell’Unione Europea – che è l’area per cui sono disponibili i dati più attendibili –da una decina di anni il
17
mercato delle pompe di calore ha registrato una rapida crescita, e nel 2009 il numero di pompe di calore geotermiche censite in Europa è stato di 903.012, con una potenza termica complessiva di 10.661,9 MWt. Negli ultimi anni, anche in Italia il mercato delle pompe di calore ha subito un indicativo incremento: nel 2009, infatti, la stima del numero di PCG installate è stata di 12.000 unità, per una potenza termica di 231 MWt (fonte ENEA). Il settore recentemente sta crescendo a ritmi del 4-5% l’anno, con ottime prospettive di ulteriore sviluppo. Sono infatti numerosi i progetti che mirano a potenziare questi usi: la Francia, ad esempio, ha in programma di triplicare entro il 2015 i 307 MWt attualmente installati nel Paese. Come funziona un impianto geotermico A pochi metri di profondità dalla superficie terrestre il sottosuolo mantiene una temperatura costante per tutto l’anno e questo permette di estrarre calore d’inverno per riscaldare un ambiente e di cederlo durante l’estate per rinfrescarlo. Sfruttando questo principio, lo scambio di calore viene realizzato con pompe di calore abbinate a sonde geotermiche che permettono di riscaldare e rinfrescare gli edifici con un unico impianto e assicurano un alto grado di rendimento sull’arco dell’intera stagione, con un fabbisogno di energia elettrica contenuto rispetto alle prestazioni. Non è neppure necessario alcun apporto termico esterno (per esempio una caldaia a metano) per coprire le punte invernali. Un impianto geotermico è costituito principalmente da: 1) un sistema di captazione di calore dal sottosuolo o da acqua di falda, costituto dalle sonde geotermiche. Nel caso di calore captato dal sottosuolo all’interno delle tubature circola, a circuito chiuso, una soluzione di acqua e antigelo detta “salamoia”. La cattura del calore geotermico avviene con tubature in polietilene che svolgono la funzione di scambiatore di calore attingendo all’energia termica presente nel sottosuolo o nell’acqua. Le sonde possono essere a rete orizzontale o verticale:
a. le sonde a rete orizzontale sono interrate a circa 1-2 metri per evitare il rischio di congelamento con una temperatura media compresa tra 5-20 °C. Questo tipo di sonde richiedono una superficie pari a quella dell’edificio da riscaldare moltiplicato per 1,3 e sono in
CN n. 7 2012
cultura e natura
Fonte: http://www.impiantigeotermici.it
parte dipendenti dall’irraggiamento solare; b. le sonde a rete verticale sfruttano il principio che al di sotto 15-20 metri dal suolo la temperatura non è influenzata dalle variazioni climatiche. A una profondità di 100-200 metri la temperatura raggiunge 10-15 °C rimanendo costante tutto l’anno. A seconda delle caratteristiche geologiche del terreno le tubature sono istallate a profondità che vanno tra 70-130 metri. Lo spazio richiesto da questa tipologia di sonda è notevolmente ridotto. 2) un generatore di calore elettrico, detta pompa di calore, è una macchina frigorifera a ciclo inverso in grado di generare acqua calda (fino a 55 °C) o acqua più fresca (18°C). L’acqua può essere utilizzata per il riscaldamento o il raffrescamento. Infatti durante l’inverno la pompa di calore estrae il calore del sottosuolo, mentre in estate cede al terreno il calore estratto dall’edificio; 3) un sistema di accumulo e distribuzione del calore. Al fine di immagazzinare il calore e distribuirlo all’edificio è indispensabile la presenza di un serbatoio di accumulo per l’acqua calda. Mentre per la distribuzione ottimale del calore o del raffrescamento la soluzione ottimale è data da pannelli radianti o ventilconvettori che consentano la circolazione di acqua calda a 30-35 °C d’inverno e di acqua fredda a 18-20 °C d’estate.
Inoltre è possibile estrarre calore anche dalle acque di superficie, (fiumi laghi o stagni), dalle acque di falda o dalle sorgenti termiche. Per quanto riguarda le acque di sorgenti termiche è possibile utilizzare impianti a circuito chiuso, all’interno del quale può circolare sia il fluido termovettore, salamoia, o semplicemente dell’acqua. Negli altri casi sono utilizzati degli impianti a circuito aperto che prelevano acqua direttamente dalla risorsa idrica. L’acqua viene inviata alla pompa di calore che scambia l’energia termica con la sorgente e quindi la restituisce. Questo tipo di impianto poiché potrebbe compromettere l’equilibrio idrogeologico, richiede una perfetta conoscenza delle eventuali problematiche che potrebbero sorgere. In termini economici un impianto geotermico per uso abitativo richiede un investimento di circa 20.000 € e consente un risparmio annuo del 50 % sulla bolletta. Il
tempo di ritorno dell’investimento è di circa 10 anni. La durata media della pompa di calore è circa di 15-20 anni, quella dei pannelli radianti 20-30 anni, mentre quella delle sonde è di circa 80-100 anni. Esclusi i vantaggi economici, determinati anche dagli ecoincentivi, il geotermico presenta una valida alternativa alle altre fonti rinnovabili, perchè: ● non ha impatti visivi ● e indipendente dalle temperature esterne ● i costi di esercizio sono inferiori di circa il 60% rispetto al metano ● offre un unico sistema sia per riscaldare che raffrescare ● contribuisce alla riduzione delle emissioni di inquinanti e di CO2 in atmosfera ● non inquina i terreni, essendo i liquidi frigoriferi antigelo completamente atossici ● è silenzioso. Inoltre, per quanto riguarda il nostro Paese, la risorsa geotermica è presente su tutto il territorio nazionale, tanto che, al pari del sole, in molti la definiscono come il vero “petrolio” d’Italia. Una ulteriore opportunità per “il paese del sole” che energeticamente è ancora dipendente dall’ oro nero. BIBLIOGRAFIA www.enel.it; wikipedia; www.nextville.it; fasancult.org; Mary H. Dickson and Mario Fanelli Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR IEA Technology Roadmaps Geothermal heat and power IGA - International Geothermal Association http://www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com/ http://www.geohp.it/ Consorzio Italiano per la Geotermia
CN n. 7 2012
18