Il calore è una forma di energia e, in senso stretto, l’energia geotermica è il calore contenuto nell’interno della Terra. Esso è all’origine di molti fenomeni geologici di scala planetaria. Tuttavia, l’espressione “energia geotermica” è generalmente impiegata, nell’uso comune, per indicare quella parte del calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo e sfruttata dall’uomo.
 

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). L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Sino ad oggi, l’utilizzazione di questa energia è stata limitata a quelle aree nelle quali le condizioni geologiche permettono ad un vettore (acqua in fase liquida o vapore) di “trasportare” il calore dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino ad essa, formando quelle che chiamiamo risorse geotermiche. Nuove vie potrebbero però essere aperte in un futuro prossimo da metodi innovativi e tecnologie d’avanguardia, alcuni già in fase di sperimentazione.

In numerosi settori, soprattutto in passato, la pratica ha spesso preceduto la teoria.
Molte risorse, tra queste anche quelle geotermiche, sono state sfruttate, all’inizio, senza conoscerne esattamente la natura e solo in un secondo momento sono state studiate scientificamente e ne è stata sviluppata la tecnologia.

UTILIZZAZIONE ATTUALE DELL'ENERGIA GEOTERMICA
Dopo la seconda Guerra Mondiale, molti paesi furono attirati dall’energia geotermica, considerandola competitiva rispetto ad altre forme di energia. Il suo costo è inferiore a quello di altre, è un’energia “indigena”, in numerose aree è l’unica localmente disponibile. Nei paesi in via di sviluppo, la potenza geotermoelettrica installata nel 1995 era il 38% di quella mondiale ed il 47% nel 2000. In questi paesi l’utilizzazione dell’energia geotermica, negli ultimi decenni, ha avuto uno sviluppo considerevole: nei cinque anni tra il 1975 ed il 1979, la potenza geotermoelettrica installata è cresciuta da 75 a 462 MWe ed alla fine dei cinque anni successivi (1984) ha raggiunto 1495 MWe, con un incremento, in questi due periodi, del 500 e del 233 per cento (Dickson e Fanelli, 1988). Nei sedici anni seguenti, dal 1984 al 2000, vi è stato un ulteriore aumento di quasi il 150 per cento. In alcuni paesi l’energia geotermica svolge un ruolo significativo nel bilancio energetico nazionale: nel 2001 l’elettricità prodotta da risorse geotermiche rappresentava il 27% dell’elettricità totale prodotta nelle Filippine, il 12,4% in Kenya, l’11,4% in Costa Rica e il 4,3% in El Salvador.

L’uso non elettrico più diffuso nel mondo (come potenza installata) è rappresentato dalle pompe di calore (34,80%), seguito da balneologia (26,20%), riscaldamento di ambienti (21,62%), serre (8,22%), acquacoltura (3,93%) e impieghi industriali diversi (3,13%) (Lund e Freeston, 2001).

NATURA DELLE RISORSE GEOTERMICHE - LA TERRA: UN MOTORE TERMICO
Il gradiente geotermico dà la misura dell’aumento di temperatura con la profondità. Sino alle profondità raggiungibili con le moderne tecniche di perforazione, il gradiente geotermico medio è 2,5°-3°C/100 m. La differenza di temperatura tra le zone profonde, più calde, e quelle superficiali, più
fredde, dà origine ad un flusso di calore dall’interno verso l’esterno della Terra, tendente a
stabilire condizioni di uniformità, condizioni che non saranno mai raggiunte. Il flusso di 10 calore terrestre medio è 65 mWm-2 nelle aree continentali e 101 mWm-2 nelle aree oceaniche, con una media ponderale globale di 87 mWm-2 (Pollack et al., 1993). Questi valori sono basati su 24.774 misure eseguite in 20.201 siti, che coprono circa il 62% della superficie terrestre. Il flusso di calore delle aree non coperte da misure è stato stimato tenendo conto della distribuzione delle unità geologiche. L’analisi dei dati di flusso di calore terrestre di Pollack et al. (1993) è quella pubblicata più di recente. Un data base aggiornato comprendente i valori del flusso di calore delle aree continentali e marine è tuttavia accessibile presso l’University of North Dakota.
Nel Progetto Rocce Calde Secche (HDR Project), avviato negli Stati Uniti nei primi anni ’70, sia il fluido che il serbatoio sono artificiali. Attraverso un pozzo appositamente perforato, acqua ad alta pressione viene pompata in una formazione di roccia calda compatta, provocando la sua fatturazione idraulica. L’acqua penetra e circola nelle fratture prodotte artificialmente ed estrae il calore dalle rocce all’intorno, che funzionano come un serbatoio naturale. Questo serbatoio viene poi raggiunto ed intersecato da un secondo pozzo usato per estrarne l’acqua, che ha acquistato calore. Questo sistema, quindi, consiste del pozzo usato per la fratturazione idraulica, attraverso il quale acqua fredda è iniettata nel serbatoio artificiale, e del pozzo per l’estrazione dell’acqua calda L’intero sistema, comprendente anche l’impianto di utilizzazione in superficie, forma un circuito chiuso, evitando ogni contatto tra il fluido e l’ambiente esterno (Garnish, 1987).
Ad oggi una delle ricerche più avanzate sono state svolte in Alsazia (Francia) nell’ambito del Progetto Europeo. I vari progetti iniziati in hanno dato risultati molto interessanti sia dal punto di vista scientifico che industriale. Il progetto HDR europeo è stato sviluppato in diverse fasi comprendenti anche la perforazione di due pozzi, uno dei quali ha raggiunto la profondità di 5060 metri. Dalla prospezione geofisica e dalle 19 prove idrauliche sono stati ottenuti risultati molto incoraggianti, ed il progetto europeo sembra essere quello più promettente.
L’energia geotermica è generalmente definita rinnovabile e sostenibile. Il termine rinnovabile si riferisce ad una proprietà della sorgente di energia, mentre il termine sostenibile descrive come la risorsa è utilizzata. La ricarica di energia è il fattore critico della rinnovabilità di una risorsa geotermica. Quando si sfrutta un sistema geotermico naturale, la ricarica energetica avviene attraverso l’apporto al sistema di fluidi caldi contemporaneamente (o in tempi comparabili) allo
sfruttamento. Questo permette di classificare l’energia geotermica come risorsa energetica
rinnovabile.
Il termine sviluppo sostenibile è usato dalla Commissione Mondiale per l’Ambiente e lo Sviluppo per descrivere lo sviluppo che “soddisfa le necessità della presente generazione senza compromettere le necessità delle generazioni future”.
I programmi per realizzare la sostenibilità dell’energia geotermica dovrebbero tendere a raggiungere, e poi sostenere, un certo livello di produzione, a livello nazionale o regionale, sia nel settore elettrico sia in quello dell’uso diretto del calore, per un dato periodo, ad esempio 300 anni, mettendo in produzione nuovi sistemi geotermici, man mano che altri si esauriscono.
 

Il condizionamento di ambienti (riscaldamento e raffreddamento) con l’energia geotermica si è diffuso notevolmente a partire dagli anni ’80, a seguito dell’introduzione nel mercato e della diffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibili permettono di estrarre ed utilizzare economicamente il calore contenuto in corpi a bassa temperatura, come terreno, acquiferi poco profondi, masse d’acqua superficiali, ecc. (Sanner, 2001)

Come è noto ad ogni ingegnere, le pompe di calore sono macchine che spostano il calore in direzione opposta a quella in cui tenderebbe a dirigersi naturalmente, cioè da uno spazio o corpo più freddo verso uno più caldo. In realtà, una pompa di calore non è niente di più di un condizionatore (Rafferty, 1997). Tutti gli apparecchi refrigeranti (condizionatori d’aria, frigoriferi, freezers, ecc.) estraggono calore da uno spazio (per mantenerlo freddo) e lo scaricano in un altro spazio più caldo. L’unica differenza tra una pompa di calore e un’unità refrigerante sta nell’effetto desiderato, il raffreddamento per l’unità refrigerante, ed il riscaldamento per la pompa di calore. Molte pompe di calore sono reversibili ed il loro funzionamento può essere invertito, potendo operare alternativamente come unità riscaldanti o raffreddanti. Le pompe di calore richiedono energia elettrica per funzionare, ma, in condizioni climatiche adatte e con un buon progetto, il bilancio energetico è positivo.
Sistemi con pompe di calore connesse al suolo o a masse d’acqua sono attualmente presenti in almeno trenta paesi e, nel 2003, la potenza termica totale installata era stimata a più di 9500 MWt. Il maggior numero di impianti si trova negli Stati Unti (500.000 impianti installati per un totale di 3730 MWt), in Svezia (200.000 per 2000 MWt), in Germania (40.000 per 560 MWt), in Canada (36.000 per 435 MWt), in Svizzera (25.000 per 440 MWt) e in Austria (23.000 per 275 MWt) (Lund et al., 2003).


L’utilizzazione più comune dell’energia geotermica in agricoltura è, comunque, il riscaldamento di serre, che è stato sviluppato su larga scala in molti paesi. La coltivazione di verdure e fiori fuori stagione o in climi diversi da quelli originari può essere realizzata avendo a disposizione una vasta gamma di tecnologie. Sono disponibili molte soluzioni per avere ottime condizioni di crescita, basate sulla miglior temperatura di sviluppo di ciascuna pianta.
Il costo di un impianto geotermico è più alto, spesso notevolmente più alto, di quello di un impianto dello stesso tipo alimentato con combustibili convenzionali. D’altro canto, il costo dell’energia utilizzata da un impianto geotermico è molto più basso di quello dell’energia fornita dai combustibili tradizionali e corrisponde soprattutto ai costi di manutenzione degli elementi dell’impianto (tubazioni, valvole, pompe, scambiatori di calore e così via). I risparmi dovuti al minor costo dell’energia permetteranno di
recuperare la maggior spesa iniziale dovuta all’elevato costo dell’impianto. Il sistema risorsa-impianto, di conseguenza, sarà progettato per avere una vita abbastanza lunga da recuperare non solo l’investimento iniziale, ma molto di più.
L’energia geotermica, se è sfruttata correttamente, può certamente assumere un ruolo significativo nel bilancio energetico di numerosi paesi. In alcune situazioni, anche risorse geotermiche di dimensioni modeste sono in grado di risolvere numerosi problemi locali e di migliorare lo standard di vita di piccole comunità isolate.
Per quanto riguarda la posizione dell’energia geotermica nei confronti delle altre energie rinnovabili, una idea è data dai dati riportati in un articolo di I.B. Fridleifsson (2003). Di tutta l’elettricità prodotta nel 1998 con le energie rinnovabili (2826 TWh), il 92% derivava dall’idroelettrica, il 5,5% dalle biomasse, l’1,6% dalla geotermia, lo 0,6% dall’eolica, lo 0,05% dal solare e lo 0,02% dalle maree. Le biomasse hanno fornito il 93% del calore totale per usi diretti, la geotermia il 3% ed il solare il 2%.
Tratto da:
Mary H. Dickson and Mario Fanelli
Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italy