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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, se valutata in tempi brevi[1]. Si basa sulla produzione di calore naturale della Terra (geotermia) alimentata dall'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare di elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all'interno della terra.

La prima utilizzazione dell'energia geotermica per produrre energia elettrica avvenne il 4 luglio 1904 in Italia per merito del principe Piero Ginori Conti che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello in Toscana. Tuttavia l'energia geotermica costituisce oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia.

Principio
L'energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Infatti penetrando in profondità la superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando mediamente di circa 30 °C per km nella crosta terrestre (0.3 °C/km e 0.8 °C/km rispettivamente nel mantello e nel nucleo). I giacimenti di questa energia sono però dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo sfruttamento. Per estrarre e usare il calore imprigionato nella Terra, è necessario individuare le zone con anomalia termica positiva dove il calore terrestre è concentrato: il serbatoio o giacimento geotermico. Per ottenere un ottimale riscaldamento di case o serre viene messa in atto l'azione di fluidi a bassa temperatura invece,per ottenere energia elettrica si fa uso di fluidi ad alte temperature.

Esistono diversi sistemi geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo i sistemi idrotermali, costituiti da formazioni rocciose permeabili in cui l'acqua piovana e dei fiumi si infiltra e viene scaldata da strati di rocce ad alta temperatura, Le temperature raggiunte variano dai 50-60 °C fino ad alcune centinaia di gradi. L'uso di quest'energia comporta vantaggi come l'inesauribilità a tempi brevi, se sfruttato in modo razionale ed il minor inquinamento dell'ambiente circostante; un certo inquinamento non viene escluso per la possibile immissione nell'area di elementi tossici, come zolfo, mercurio e arsenico presenti nei fluidi geotermali, per questo motivo le aree geotermiche sono sottoposte a verifiche ambientali annuali.

Rivolto solamente ad una produzione di energia termica, è il sistema geotermico a bassa entalpia che sfruttando il naturale calore del terreno con l'ausilio di una pompa di calore riesce a produrre energia termica per l'acqua calda sanitaria e per il riscaldamento degli edifici.

La geotermia a bassa entalpia sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore.
Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso presente negli edifici, viene dato al terreno. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore, motori che tutti noi conosciamo nella forma più diffusa rappresentata dai frigorifero. Impianti di questo tipo non necessitano di condizioni ambientali particolari, infatti non sfruttano né le sorgenti naturali d'acqua calda, né le zone in cui il terreno ha temperature più alte della media a causa di una particolare vicinanza con il mantello. Quello che questa tecnologia sfrutta è la temperatura costante che il terreno ha lungo tutto il corso dell'anno. Normalmente, già ad un metro di profondità, si riescono ad avere circa 10-15 °C. A questo punto si utilizza la pompa di calore che sfrutta la differenza di calore fra il terreno e l'esterno per assorbire calore dal terreno e renderlo disponibile per gli usi umani. Più questa differenza è alta migliore è il rendimento. La pompa di calore necessita di energia elettrica per funzionare, in condizioni medie per ogni Kw elettrico consumato si ottengono 3 kW termici. Per rendere l'impianto ambientalmente più compatibile ed energeticamente autosufficiente, si può abbinare ad un impianto fotovoltaico che produrrà l'energia necessaria per alimentare la pompa di calore. Lo stesso impianto può essere utilizzato per raffrescare gli edifici, facendo funzionare la pompa di calore al contrario, quindi assorbendo il calore dalla superficie e trasferendolo al sottosuolo. L'alternanza del funzionamento estate/inverno permette di non raffreddare sensibilmente la zolla di terreno in cui sono situate le sonde.
Uno dei primi impianti costruiti in Italia, che integra il geotermico con il fotovoltaico e il solare termico è stato realizzato a Porretta Terme, un piccolo Comune della Provincia di Bologna. A seguito di un finanziamento europeo il Cento CISA ha inaugurato nel marzo 2008 l'impianto che alimenta il locale Centro Civico - Centro Anziani di proprietà del Comune.

 

Sonde geotermiche
Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche: tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo. Le sonde possono essere di due tipi, orizzontali o verticali. Nel primo caso la sonda scende nel terreno andando verso temperature più elevate e necessitando di macchinari particolari per il carotaggio del terreno; nel secondo caso è necessario un terreno sufficientemente pianeggiante nel quale i tubi vengono posati a seguito di un semplice scavo ad una profondità non elevata. Nel secondo caso le sonde possono essere posizionate anche sul fondo di un lago artificiale o naturale sfruttando, in questo caso il calore dell'acqua.

Un impianto geotermico a bassa entalpia è un impianto in grado di produrre acqua o aria calda per il riscaldamento invernale e per usi sanitari ed acqua o aria refrigerata per il raffrescamento estivo. 
E' l'equivalente rinnovabile della caldaia e dei gruppi frigo.
L'impianto geotermico è composto da una o più sonde geotermiche, una pompa di calore, un serbatoio di accumulo per acqua calda sanitaria ed un serbatoio di accumulo inerziale per l'impianto.

  • Le sonde geotermiche sono costituite da tubi in polietilene calati in fori nel sottosuolo di diametro 12 cm e profondi circa 100 metri, all'interno dei quali circola acqua glicolata. Le sonde sono il mezzo con cui l'impianto scambia energia con il sottosuolo.Vengono .
  • La pompa di calore è una macchina elettrica che "pompa" il calore dal sottosuolo all'edificio durante la stagione invernale, mentre esegue l'operazione inversa durante la stagione estiva.
  • L'accumulo sanitario è un serbatoio opportunamente coibentato, nel quale si accumula acqua calda, che verrà poi utilizzata (non direttamente, ma attraverso uno scambiatore) per la produzione di acqua calda sanitaria. L'utilizzo di un accumulo sanitario è necessario in quanto la pompa di calore, a meno che non sia sovradimensionata, produce acqua calda ad elevata temperatura ad una "velocità" non sufficiente rispetto alle esigenze domestiche.
  • L'accumulo inerziale è un serbatoio coibentato che viene utilizzato per aumentare l'inerzia dell'impianto e per ridurre gli on/off della pompa di calore, e quindi aumentare la vita media della stessa.

Nella quasi totalità dei sottosuoli la temperatura dei primi 100 metri è con buona approssimazione costante e, in Italia, va dai 12°C ai 15°C. Fanno eccezione quei luoghi a vocazione geotermica classica, dove la temperatura del sottosuolo è più elevata.
Per estrarre calore dal sottosuolo mediante la sonda geotermica verticale, è sufficiente immettere acqua nella sonda ad una temperatura di 4-6°C inferiore a quella del sottosuolo. Trovando un intorno di 13°C dopo aver percorso 200 mt, 100 a scendere e 100 a salire, l'acqua tornerà su ad una temperatura superiore rispetto a quella a cui è stata immessa. Ovviamente la temperatura dell'acqua che risale, non sarà di 13°C, ma di qualche grado inferiore. É fondamentale sottolineare che, in prima approssimazione, a partire dalla profondità di 10 metri fino alla profondità di 100 metri, la temperatura del sottosuolo è costante. A 100 metri di profondità quindi non si trovano condizioni termiche più favorevoli di quelle che si riscontrano nel sottosuolo sovrastante.