Energia Geotermica

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Che cos’è la Geotermia
La geotermia è lo studio della geofisica che osserva e studia il calore terrestre. Questa disciplina e volta alla ricerca dell’energia in campi geotermici o di altre manifestazioni utilizzabili nel calore terrestre. L’energia Geotermica è letteralmente l’attività magmatica al contatto con le falde circolanti nel sottosuolo. Il magma scalda l’acqua delle falde fino a manifestare in superficie degli sbocchi di vapore (geyser o fumarole) ecco lo schema:
Il calore terrestre ad alte temperature circa 500°C proveniente dall’interno della terra viene trasferito verso la superficie, che a contatto con l’acqua piovana o stagna depositatasi nel sottosuolo inizia a raffreddarsi fino a circa 250° e arriva in superficie come vapore acqueo con una grande forza. Determinanti nel fattore geotermico è il gradiente termico che sarebbe la variazione della temperatura in funzione della profondità questo gradiente può variare circa di 1°C ogni 30 metri nella crosta terrestre e di 2°C ogni 30 metri nei sedimenti marini. Vi è anche il fattore della misurazione del calore con appositi strumenti che devono avere una importante caratteristica la velocità quindi deve avere una bassa inerzia termica.
I termometri usati si possono quindi distinguere in:
• termocoppie (errore 3/100 di grado)
• termoresistenze (errore 1/100 di grado)
• oscillatori (errore minore di 1/1000 di grado)
L’energia geotermica è la forma di energia dovuta al calore della Terra; le manifestazioni più evidenti dell’energia geotermica sono i fenomeni vulcanici, le sorgenti termali, soffioni, geyser. Il calore immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l’esterno con l’ausilio di fluidi vettori come l’acqua e vapore, proviene dal mantello e dal nucleo del pianeta. La temperatura all’interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità, come gia detto, secondo un gradiente geotermico di circa 3°C ogni 100 metri.
Il calore terrestre è prevalentemente d’origine radiogenica cioè deriva principalmente dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nel mantello ( torio 232, l’uranio 238 ). In media il calore terrestre calcolato è pari a 0,06 W/m, quindi per tutta la superficie terrestre si arriva a valori di 30.000 miliardi di watt; questa energia termica costituisce il flusso termico e viene espressa in HFN ( Heat Flow Unit ) ed è equivalente ad una microcaloria per centimetro quadrato al secondo.
La geotermia resta comunque una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del riscaldamento geotermico.
Il sistema di Energia Geotermica
L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile, nonostante la rigenerazioni dei pozzi geotermici richieda un lungo periodo.
Il calore della Terra è l'energia naturale che da sempre accompagna la storia dell'uomo fin dalle sue origini. La stessa vita biologica è probabilmente nata in particolari condizioni ambientali "tra acqua e fuoco". La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento, come le coltivazioni in serra e il termalismo. Le principali applicazioni del vapore naturale proveniente dal sottosuolo sono due:
-La produzione di energia elettrica tramite il classico metodo delle turbine.
-Il calore geotermico incanalato in un sistema di tubature utilizzato per attività locali di riscaldamento.
Per alimentare la produzione del vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità, una tecnica utile per mantenere costante il flusso del vapore. In questo modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine e produrre calore con continuità.
Paesi che sfruttano l’Energia Geotermica
All’estero:
Il paese che sfrutta maggiormente questo tipo di energia alternativa è sicuramente l’Islanda, essa infatti ha una copertura sul territorio di fonti rinnovabili del circa 99%; si dice anche che il Parlamento Islandese nel 1998 ha deciso di eliminare tutti i combustibili fossili dall'isola e di ottenere solo mezzi di trasporto a idrogeno: entro il 2050, l'Islanda sfrutterà solo energia rinnovabile.
Il più grande complesso geotermico al mondo si trova in California a The Geysers (l'impianto ha un potenziale di 1400 MW, sufficiente a soddisfare le richieste energetiche dell'area metropolitana di San Francisco).
In Italia:
L’Italia è il paese geotermicamente più “caldo” di tutta l’Europa (Islanda escusa), cosa testimoniata dai numerosi vulcani, dai soffioni boraciferi, dalle sorgenti termominerali. Il paese di Larderello ancora oggi è considerata la “culla” della geotermia, infatti, già dal 1777 veniva utilizzato l’acido borico delle acque geotermiche della zona e nel 1827 si ha la prima vera utilizzazione in forma diretta dell’energia geotermica il cui calore veniva usato, al posto della legna, per l’evaporazione dell’acqua da cui estrarre l’acido borico.
Le principali centrali Geotermoelettriche in Italia, in ordine di MW:
1. Larderello 1 (Pisa) 547 MW
2. Travale-Radicondoli (Grosseto) 90 MW
3. Latera (Viterbo) 40 MW
4. Larderello 2 (Pisa) 24 MW
5. Ferrara 12 MW
6. Catelnuovo Cecina (Pisa) 5,3 MW
7. Vicenza 5 MW
8. Rodigo (Mantova) 3,7 MW
I tipi di impianto delle centrali Geotermiche
In base ai fluidi erogati in superficie, i sistemi geotermici si dividono in:
Sistemi a vapore secco “ a vapore dominante”: costituiti soprattutto da vapore secco che si trova a pressione e temperature elevate. Il vapore viene convogliato direttamente nelle turbine per la produzione di energia elettrica. Nel mondo sono noti pochi impianti che utilizzano tale sistema: Italia ( Larderello ),California ( The Geysers).
Sistemi a vapore umido o “ ad acqua dominante”:costituito da acqua a temperatura superiore al suo punto di ebollizione ( 180-370 °C ) e ad alta pressione,nel momento in cui viene ridotta la pressione nella colonna del pozzo, l’acqua vaporizza ed arriva in superficie sotto forma di una miscela composta di acqua e vapore.
Sistemi ad acqua calda: contengono acqua a temperatura inferiore a 100 °C utilizzabile soprattutto per usi diretti ( riscaldamento delle abitazioni e delle serre ).
Sistemi in rocce calde secche: nel serbatoio ( artificiale ) viene iniettata, tramite un pozzo, dell’acqua fredda che, una volta scaldatasi grazie all’elevato calore delle rocce, è fatta risalire in superficie per la sua utilizzazione.
Sistemi magmatici: sono sistemi artificiali che mirano a sfruttare il calore diretto di un magma per riscaldare un fluido di lavoro. Sono al primo stato di sperimentazione.
Sistemi geopressurizzati: l’acqua, a temperatura elevata ( 200 °C ), si trova imprigionata in serbatoi sottoposti ad una pressione superiore a quella idrostatica. Ancora non si è provveduto ad uno sfruttamento di tali sistemi.

Introduzione
Il principio di funzionamento di una centrale geotermica è alquanto semplice per linee logiche. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo produce una forza tale da far muovere una turbina, l'energia meccanica della turbina viene infine trasformata in elettricità tramite un sistema alternatore.
I sistemi geotermici possono essere a vapore dominante, quando l’alta temperatura determina la formazione di accumuli di vapore, o ad acqua dominante, se l’acqua rimane allo stato liquido, Nel primo caso l’energia geotermica può essere utilizzata per produrre energia elettrica, inviando il vapore, attraverso dei vapordotti, a una turbina collegata a un generatore di corrente. Se il fluido non raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l’acqua calda potrà essere utilizzata per la produzione di calore.
Esempio schematico di centrale una Centrale Geotermoelettrica
Principio di funzionamento
Le centrali geotermiche sfruttano il calore delle profondità terrestri. A grande profondità, l’interno della Terra è molto caldo. Il calore deriva probabilmente dal decadimento radioattivo (un fenomeno di origine nucleare) delle rocce.
Attraverso le rotture degli strati rocciosi, dovute ad assestamenti della crosta terrestre o a eruzioni vulcaniche, le acque e i vapori riscaldatisi in profondità salgono verso la superficie e possono essere utilizzati come fonte di calore oppure per produrre energia elettrica. Per giungere in superficie il calore ha bisogno di un vettore fluido ( acqua o vapore ), naturale o iniettato, che deve poter fluire in gran quantità nell rocce porose e permeabili ( rocce serbatoio), queste a loro volta devono essere protette da rocce impermeabili che impediscano o limitino la dispersione dei fluidi e del calore.
Per garantire la rinnovabilità del sistema geotermico, in pratica sostituire il fluido sottratto dall’utilizzazione, è necessaria l’esistenza di una zona di alimentazione esterna, il fluido in questo caso, proviene prevalentemente da acqua piovana.
In altri casi è necessario ricaricare artificialmente mediante la reiniezione. In un sistema geotermico, l’acqua penetra nel sottosuolo attraverso rocce permeabili formando delle falde sotterranee e, per effetto del calore trasmesso dalle rocce da una fonte, quale una massa magmatica, si scalda fino a raggiungere temperature di alcune centinaia di gradi; il fluido ( acqua o vapore ) in queste condizioni risale lungo faglie o fratture dando luogo alle manifestazioni geotermiche geyser soffioni o fumarole.
La risalita può anche essere indotta artificialmente tramite una perforazione meccanica ( pozzo geotermico) il fluido, dopo alcuni trattamenti, risale attraverso i vapordotti e raggiunge le turbine a vapore dove l’energia del vapore viene trasformata in energia meccanica e quindi tramite un alternatore in energia elettrica. Però bisogna far si che l’elettricità prodotta arrivi ai tralicci di trasmissione con un voltaggio molto elevato, ecco quindi che subito dopo l’alternatore viene posto un trasformatore elevatore.
Il vapore viene convogliato nel condensatore, dove viene convertito in acqua ad elevata temperatura. L’acqua calda, con anche una piccola quantità di vapore, così ottenuta passa nella torre di raffreddamento dove viene raffreddata e iniettata nel sottosuolo per avere un riciclo “acqueo”.
I fenomeni vulcanici e i terremoti mettono in gioco enormi quantità di energia che però non può essere utilizzata praticamente. L’irregolarità e la violenza dei fenomeni non consentono infatti di trasformare questa energia in altre forme.
E’ possibile invece utilizzare l’ incremento di temperatura della crosta terrestre con il crescere della profondità: una riserva di calore virtualmente infinita. A causa dei costi troppo elevati non è possibile praticare dei fori sufficientemente profondi per raggiungere punti con temperatura superiore a quella di ebollizione dell’acqua per iniettare in essi acqua che si trasformi in vapore sotto pressione, a sua volta in grado di muovere turbine.
Centrale geotermica in Islanda
Pillole di Storia
Le prime applicazioni della geotermia si sono avute proprio nel nostro paese ed in particolare a Larderello ( Toscana ) dove esistevano evidenti manifestazioni geotermiche; infatti già nel 1827 il calore veniva usato, al posto della legna, per l’evaporazione dell’acqua da cui estrarre l’acido borico. Nel 1904 nasce la geotermoelettricità, vennero accese delle lampade tramite una dinamo azionata da un soffione, dagli anni Venti, proprio da Larderello, si estende in tutto il mondo l’interesse per la geotermia. Dagli anni settanta viene dato un notevole impulso all’esplorazione in tutte le aree italiane, cosa che porta alla individuazione di diverse aree geotermiche. La produzione geotermica italiana ha una lunga tradizione e per molti anni costituì un primato mondiale.
Il Principe Piero Ginori alle prese la prima macchina a vapore endogeno
Nel 1904, proprio a Larderello, il principe Piero Ginori accese cinque lampadine mediante una dinamo trascinata da un motore alternativo utilizzante vapore endogeno. Tale rivoluzione dette inizio ad una notevole espansione sul tema, infatti l'anno dopo ( 1905 ) viene installato un motore di tipo " Cail "da 40 CV ad una dinamo di 20 KW tale impianto fornì per molti anni l'energia elettrica alla fabbrica ed ai primi motori elettrici di modesta potenza. In tale anno venne assunto dalla ditta l' ing. Bringhetti che oltre a sviluppare la parte chimica partecipò alla progettazione e alla realizzazione della prima centrale geotermoelettrica di Larderello, infatti nel 1913 anno in cui venne raggiunto un grosso traguardo, venne di fatto collaudato il primo turboalternatore alimentato a vapore da 250 KW, vanto della officine Tosi. L'anno seguente fu costruita la prima centrale sperimentale da 20 kW.
La prima vera centrale geotermoelettrica, Larderello 1, entrò in servizio nel 1913 con un primo gruppo a turbina da 250 kW di costruzione italiana (Tosi); in seguito la centrale fu potenziata con tre unità di 2500 kW. Nel 1944 la potenza raggiunse i 127000 kW, ma gli eventi bellici distrussero gran parte degli impianti.
1904 giovani operai con il primo “rubinetto di presa” e la costruzione del vapordotto
La storia della centrale di Larderello
Larderello è una frazione del comune di Pomarance, in provincia di Pisa, sulle Colline Metallifere a 390 m di altitudine. Il paese conta 850 abitanti ed è in parte proprietà dell'ENEL. Questo luogo in passato era famoso per le acque medicamentose, notizie fornite da Licofrone scrittore greco del 270 a.c.. Con l’insediamento degli Etruschi nella zona, fu creato un fiorente commercio sfruttando i sali borici, che depositandosi ai bordi dei lagoni naturali, furono utilizzati, sia per uso farmaceutico, sia per la preparazione di smalti. Altre notizie possono essere rintracciate nel segmento III° della Tabula Itineraria Peutingeriana, carta militare romana del 3° secolo d.c. che descriveva le strade romane e dove erano ubicati i più importanti stabilimenti termali. In tempi più recenti, nel 1777, le attività industriali di Larderello, nacquero, con lo sfruttamento delle acque geotermiche per la produzione dell’acido borico, grazie a Francesco Hoefer, direttore delle Farmacie del Granducato di Toscana. Solamente dal 1818, la ditta "Larderel" di Livorno, Fondata da Francesco de Larderel, inizia lo sfruttamento industriale delle acque boriche, su larga scala, impiantando una fabbrica in primo luogo nei pressi di Montecerboli.
Montecerboli nel 1818
Il processo di estrazione dell'acido borico funzionava così : vi erano delle grosse vasche, dove veniva fatta fluire l'acqua che fuoriusciva naturalmente dal sottosuolo, mediante tubature e/o cunicoli a cielo aperto al di sotto di queste veniva acceso un fuoco di legna che permetteva l'evaporazione dell'acqua, facendo rimanere così i cristalli del prodotto misto ad altre sostanze, che in seguito veniva raffinato arrivando al prodotto finito. Così facendo le zone, prima quelle limitrofe alle fabbriche e poi sempre più lontane, vennero disboscate. Questo processo di estrazione, ( che si protrasse fino al 1826 )col passare del tempo veniva ad incidere negativamente sul costo del prodotto finale. Il De Larderel mediante una geniale intuizione creò " il lagone coperto che, sfruttando il calore fuoriuscente in modo naturale dal terreno ed incanalato in apposite tubature sostituì in maniera totale il calore fornito dalla legna (da qui poi la geniale intuizione di sfruttare solo i soffioni per il riscaldamento e l’energia degli stabilimenti). Il lagone coperto divenne in futuro il marchio di fabbrica della " Larderello S.p.A. "
La prima intuizione di De Larderel per immagazzinare energia dai soffioni
Larderello è il primo impianto geotermico costruito al mondo; è la prima vera centrale geotermoelettrica, venne utilizzata per la prima volta nel 1913 con un gruppo a turbina da 250 KW oggi nel territorio di Larderello sono presenti 14 centrali geotermoelettriche per una potenza installata complessiva pari a più di 500 MW. L'insieme di queste centrali coprono complessivamente il 25% circa del fabbisogno regionale dei consumi domestici di energia elettrica delle famiglie della Toscana ed Umbria. I "giacimenti naturali di vapore" in Toscana producono ogni anno oltre 4 miliardi di kilowattora di elettricità nelle sole centrali toscane di Larderello e di Montieri.
Vantaggi dell’energia Geotermica
La generazione di energia elettrica per via geotermica presenta grandi vantaggi:
• I bacini geotermici sono praticamente inesauribili o comunque hanno una lunghissima durata;
• Consente la produzione di grossi quantitativi di energia elettrica che è facilmente trasportabile;
• Evita l’uso di combustibili fossili;
• Annulla le immissioni di anidride carbonica nella atmosfera;
• Comporta una minore importazione di combustibili fossili dall'estero.
Infine, c'è da considerare che il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C). Esso consiste nell'utilizzarli per scaldare direttamente, tramite degli scambiatori di calore, l'acqua circolante nei radiatori, termoconvettori o pannelli radianti dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. L'unico svantaggio di questo sistema è che tali fluidi possono essere usati solo localmente, perché non possono essere trasportati facilmente troppo lontano dalle zone di estrazione.
Gli svantaggi dell’energia geotermica
La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche:
• Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall'idrogeno solforato. Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una centrale geotermica. Il problema è risolvibile mediante l'installazione di particolari impianti di abbattimento.
• L'impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature anti-estetiche. Un'immagine che non dista comunque da quella di molti altri siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente risolto unendo l'approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di un'architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico.

Rapporto con l’Ambiente
L'energia geotermica fa parte della categoria delle fonti energetiche rinnovabili, ed è quindi a tutti gli effetti una energia pulita; il "geotermico" può avere un minimo impatto ambientale dovuto ai gas incondensabili disciolti all'interno del fluido geotermico che vengono immessi in atmosfera.
Sono formati per buona parte da anidride carbonica, idrogeno solforato (massimo 1%), metano (0,4%), idrogeno (0,1%) e tracce di radon. Si tratta di sostanze già presenti nell'atmosfera e l'unica accortezza è quella di far si che vengano diluiti nell'atmosfera in modo che non si presentino a livello del suolo con concentrazioni potenzialmente nocive, per evitare effetti dannosi locali.
Il fluido geotermico, dopo essere stato utilizzato per la produzione di energia elettrica, viene generalmente reiniettato nel sottosuolo e dunque non rappresenta un problema per l'uomo e l'ambiente. Le emissioni sonore di un impianto geotermico sono ridotte e limitate solo alla perforazione dei pozzi in cui possono raggiungere valori abbastanza elevati. Non vi sono particolari rapporti tra le centrali geotermoelettriche e gli ecosistemi, a parte le superfici occupate dagli impianti (minori delle superfici occupate da altri impianti industriali), che possono interferire solo marginalmente; per quanto riguarda le immissioni dei gas incondensabili nell'atmosfera, si tratta di piccole quantità di gas non inquinanti.
La cartina mostra le zone di atmosfera più inquinate di tutta l’Europa
La geotermia Domestica
La geotermia domestica, più propriamente detta geotermia a bassa entalpia, è quella tecnologia che permette di riscaldare e raffrescare un ambiente sfruttando la differenza di temperatura tra gli strati più esterni della crosta terrestre e quella dell’ambiente esterno. Questa tecnologia non implica lo sfruttamento di falde idriche ed è idonea ad una vastissima gamma di costruzioni e di qualsiasi località geografica.
La geotermia a bassa entalpia può essere installata in sostituzione dei tradizionali sistemi di riscaldamento, se associata ad un buon isolamento termico e magari anche un sistema radiante di riscaldamento, offre notevoli vantaggi economici e ambientali. Non rappresenta in realtà una vera e propria novità tecnologica infatti nei paesi del Nord Europa è ampiamente sfruttata da oltre 30 anni.
Il principio fondamentale di questa tecnologia è appunto lo scambio termico che avviene con il sottosuolo o con le rocce. Durante la stagione invernale, infatti, l’ambiente viene riscaldato grazie al trasferimento di calore dal terreno all’utenza mentre nella stagione estiva il calore viene trasferito dall’ambiente al terreno.
Schema realistico di un impianto di geotermia domestica

Paesi che sfruttano maggiormente la geotermia domestica:
Tra i Paesi che sfruttano maggiormente la geotermia domestica, spiccano in particolare gli Stati Uniti, con circa 600.000 pompe di calore installate, la Svezia (60.000 unità), la Cina, la Svizzera (30.000 unità), l'Islanda, la Germania, il Canada, la Norvegia e la Francia.
I vantaggi dell'installazione di una pompa di calore domestica rispetto
ad un impianto tradizionale ad olio combustibile o a metano sono di carattere sociale ed economico :
• l'energia geotermica è una fonte di energia pulita e rinnovabile
• le sonde geotermiche non inquinano
• un impianto geotermico dura più di 100 anni
• l'energia geotermica non viene importata
• è possibile generare riscaldamento e raffreddamento con lo stesso impianto
Un impianto geotermico permette di risparmiare fino all'80% dei costi di esercizio rispetto ad un sistema tradizionale L'Energia Geotermica offre inoltre questi vantaggi caratteristici ed unici:
• Rende indipendenti dal prezzo del petrolio e del gas.
• È ecologica dal punto di vista dell'inquinamento, poiche' non emette CO2
• È ecologica dal punto di vista dell'impatto ambientale poiche' non ci sono installazioni visibili all'esterno.
• Non necessita di manutenzione
• L'impainto è molto silenzioso
• Non ci sono pericoli di incendio o di emissioni gassose poiche' non si ha a che fare con alcun tipo di combustibile (gas, petrolio o derivati)
• Fornisce riscaldamento, acqua calda e raffreddamento 24 ore al giorno, 365 giorni all'anno
• Grazie alle pompe di calore Exotherm e' sfruttabile anche per ristrutturazioni e impianti di riscaldamento con termosifoni tradizionali
• I campi di applicazione sono molteplici : abitazioni, impianti industriali, magazzini, serre, scuole, hotel, uffici, palestre, piscine, marciapiedi (per renderli d’inverno) senza ghiaccio, terreni sportivi in erba etc.

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