Energia Geotermica Cosa è? Come funziona?

Il calore è una forma di energia. L’energia geotermica è il calore contenuto all’interno della Terra, che è all’origine di molti fenomeni geologici a scala mondiale. Tuttavia questa espressione viene utilizzata per indicare la porzione di calore che l’uomo può estrarre e utilizzare traendone beneficio.

Può essere considerata una forma alternativa di energia rinnovabile, se valutata in tempi brevi.

Cosa è l’Energia Geotermica?

Per geotermia si indica la disciplina, facente parte delle scienze della Terra, che studia i fenomeni naturali volti alla produzione di calore contenuto all’interno del pianeta.

Le sorgenti termali, i vulcani, i soffioni, i gayser o altri fenomeni in superficie, hanno da sempre lasciato immaginare che alcune porzioni interne della Terra sono molto calde.

In realtà soltanto tra il sedicesimo e diciassettesimo secolo, periodo in cui furono scavate le prime miniere con profondità di qualche centinaio di metri, attraverso teorie e sensazioni fisiche ci si rese conto che la temperatura della Terra aumenta con la profondità.

Andando a sfruttare il calore presente all’interno del pianeta Terra, dovuto all’energia termica rilasciata durante il processo naturale di decadimento nucleare di elementi radioattivi come uranio, torio e potassio, presenti all’interno del nostro pianeta, è possibile generare energia geotermica, utilizzata oggi giorno per produrre energia elettrica o per riscaldare case ed edifici.

Come Funziona l’Energia Geotermica?

La temperatura nel sottosuolo varia notevolmente in prossimità di quelli che vengono definiti campi geotermici. Essi sono particolari siti in cui sono presenti flussi di energia geotermica superiore alla media, utili ad essere sfruttati per la produzione di energia (calore, energia elettrica).

Essi sono caratterizzati da rocce porose, fuse o quasi consolidate, presenti in profondità. Sopra la sorgente di calore sotterranea è presente non solo uno strato di rocce porose, le quali consentono di contenere l’acqua, ma anche uno di rocce impermeabili sovrastanti che impediscono al calore di propagarsi e disperdersi verso l’alto.

Al fine di sfruttare l’escursione termica in superficie viene realizzato un foro (pozzo) fino al sottosuolo al fine di immettervi acqua fredda.

La profondità della perforazione può variare da poche centinaia di metri ( 300-1000 metri ) a diverse migliaia di metri ( 1000-10.000 metri ), quanto minore è l’escursione termica nel sottosuolo tanto maggiore è la profondità necessaria per sfruttare l’energia termica.

A contatto con la sorgente di calore l’acqua raggiunge temperature elevate, restando comunque allo stato liquido per effetto dell’elevata pressione del sottosuolo.

L’acqua si riscalda, torna in superficie sotto forma di:

• Vapore secco (sistemi a “a vapore dominante”) in cui i flussi fuoriescono ad elevata pressione e temperatura. In questo modo è possibile sfruttarlo per muovere le turbine elettriche (energia meccanica). Le sorgenti di questo tipo sono utili per la produzione di energia elettrica attraverso centrali geotermiche di grandi dimensioni. Nel mondo sono noti pochi sistemi di questo tipo: Italia (Larderello), California (The Geysers), Giappone e Nuovo Messico;
• Vapore umido (sistemi “ad acqua dominante”) in cui i flussi sono di temperature inferiori. Solo il 20% del vapore ha una temperatura idonea per movimentare le turbine. La restante parte del flusso è composta da acqua calda che può essere sfruttata per riscaldare gli edifici. In questo tipo di sorgenti è possibile realizzare impianti di medie dimensioni. Questi sistemi sono presenti maggiormente rispetto ai precedenti;
• Acqua termale in cui la presenza di vapore è minima e dunque vi è molta presenza di acqua calda che non può essere sfruttata a fini energetici. La sorgente si trova a basse profondità ed è comunque utile per riscaldare piccoli ambienti o per realizzare centri benessere e stazioni termali.

In ogni caso l’acqua fuoriesce attraverso condotti ricavati artificialmente (pozzi di uscita) o dalle fratture naturali nel terreno.

I flussi di ritorno sono dapprima filtrati per rimuovere le sostanze minerali presenti nei flussi stessi e, successivamente, vengono convogliati verso un sistema di turbine per convertire la forza vapore in energia meccanica e, infine, in energia elettrica.

Impianto Geotermico Come Funziona?

L’energia geotermica può essere utilizzata per produrre energia elettrica. Il processo di produzione si sviluppa attraverso impianti convenzionali o impianti a ciclo binario.

Gli impianti convenzionali hanno bisogno di fluidi aventi una temperatura di almeno 150°C e si suddividono in due tipologie:

• A contropressione, che sono gli impianti più semplici e meno costosi. Con questo tipo di impianto il vapore prodotto è circa il doppio di quello di un impianto a condensazione. Gli impianti a contropressione, tuttavia, sono molto utili come impianti pilota, come impianti temporanei collegati a pozzi isolati di portata modesta, e per produrre elettricità da pozzi sperimentali durante lo sviluppo di un campo geotermico. Questi impianti sono generalmente di piccole dimensioni.
• A condensazione, che sono più complessi e di maggiori dimensioni. Richiedono più impiantistica e la loro costruzione richiede almeno il doppio del tempo, ma al contrario il consumo specifico è circa la metà di quelle a contropressione. Attualmente sono molto diffusi impianti a condensazione della potenza di 55–60 MWe, ma recentemente sono state costruite ed installate anche unità da 110 MWe.

Gli impianti binari utilizzano un fluido secondario di lavoro, generalmente un fluido organico, il quale ha un basso punto di ebollizione ed un’elevata pressione di vapore a bassa temperatura rispetto al vapore acqueo.

Il fluido secondario lavora in un ciclo Rankine convenzionale. Il fluido geotermico cede calore al fluido secondario attraverso uno scambiatore di calore, nel quale questo fluido si riscalda e poi vaporizza. Il vapore prodotto, che aziona una normale turbina a flusso assiale collegata ad un generatore, viene poi raffreddato, passa allo stato liquido, ed il ciclo comincia di nuovo.

Questa tipologia di impianti può essere utilizzata quando si vuole impedire che il fluido geotermico passi, con la diminuzione di pressione, dalla fase liquida a quella di vapore (flashing). Questo avviene per evitare fenomeni di incrostazione. In questo caso, il fluido geotermico è mantenuto pressurizzato mediante pompe in pozzo, e l’energia è estratta dall’impianto binario.

Questa tipologia di impianti viene realizzata secondo unità modulari di potenza variabile. Il loro costo dipende da numerosi fattori, ma soprattutto dalla temperatura del fluido geotermico disponibile, che determina le dimensioni della turbina, degli scambiatori di calore e del sistema di raffreddamento.

La dimensione totale dell’impianto influisce poco sul costo specifico, dato che più unità modulari standard sono collegate in serie per avere la potenza desiderata. Questi impianti hanno dimostrato di essere un mezzo economico e tecnicamente affidabile per trasformare in elettricità l’energia contenuta nei campi geotermici ad acqua dominante.

A partire dagli anni Novanta è stato sviluppato un nuovo sistema binario, il ciclo Kalina, che utilizza come fluido di lavoro una miscela di acqua e ammoniaca.

Durante il ciclo, il fluido di lavoro è fatto espandere, in condizioni di surriscaldamento, attraverso una turbina ad alta pressione, e poi riscaldato, prima di essere immesso in una turbina a bassa pressione. Dopo la seconda espansione, il vapore saturo passa attraverso un recuperatore di calore ed infine condensa in un condensatore raffreddato ad acqua. Gli impianti a ciclo Kalina sembrano avere un rendimento superiore a quello degli impianti binari, ma rispetto a questi ultimi hanno una maggiore complessità costruttiva e di funzionamento.

Criticità e Svantaggi di un Impianto Geotermico

L’energia geotermica è una fonte pulita e rinnovabile di energia e, tra i vantaggi, presenta un costo ridotto di circa 40-80 €/MWh. Tuttavia vi sono una serie di controindicazioni che bisogna tenere in considerazione, tra cui:

• l’odore sgradevole che si erge dalle centrali geotermiche, dovuto principalmente all’idrogeno solforato
• l’impatto che le centrali geotermiche possono avere sul paesaggio, dal momento che ogni centrale utilizza tubature antiestetiche, ma ciò potrebbe essere ovviato da bravi ingegneri ambientali
• la manutenzione costosa, a causa di problemi di corrosione degli impianti
• lo spostamento della superficie terrestre se i fluidi utilizzati non vengono immediatamente reimmessi