Geotermia

DEFINIZIONE

L’energia geotermica è la forma d’energia dovuta al calore endogeno della terra. Tale calore si manifesta con l’aumento progressivo della temperatura delle rocce con la profondità, secondo un gradiente geotermico, in media, di 3°C ogni 100m di profondità. Alcune zone presentano gradienti più alti della media (9°-12°C ogni 100m), a causa di anomalie geologiche o vulcaniche.
L’energia termica accumulata nel sottosuolo è resa disponibile tramite vettori fluidi (acqua o vapore), naturali o iniettati, che fluiscono dal serbatoio geotermico alla superficie spontaneamente (geyser, soffioni, sorgenti termali) o erogati artificialmente tramite perforazione meccanica (pozzo geotermico).
Figura 1. Modello di impianto geotermico ( fonte: geotermia.org).

Con riferimento ai fluidi erogati i sistemi geotermici sono classificati in:
1. SISTEMI A VAPORE DOMINANTE: costituiti da vapore secco presente a pressione e temperatura anche elevate, in cui sono presenti altri gas o sostanze solide.
2. SISTEMI AD ACQUA DOMINANTE: costituiti da acqua a pressione e temperatura anche elevate, erogata in superficie in forma di miscela bifasica acqua/vapore tramite depressurizzazione oppure per sollevamento meccanico tramite pompe sommerse. Temperatura maggiore di circa 85 °C.
3. SISTEMI AD ACQUA CALDA: con acqua a temperatura tra i 30°C e gli 85°C.
4. SISTEMI ARTIFICIALI: sfruttano il calore diretto di un magma o di rocce calde secche per scaldare un fluido di lavoro, iniettato tramite un pozzo e recuperato in superficie per la sua utilizzazione (Deep Heat Mining). Tali sistemi sono ancora in fase di sperimentazione.
5. SISTEMI GEOPRESSURIZZATI: La pressione dell’acqua calda (200°C), imprigionata all’interno di un serbatoio geotermico (formato da rocce sedimentarie) è notevolmente maggiore della pressione idrostatica, approssimandosi a quella litostatica. Possono produrre energia termica, meccanica e chimica, ma non sono ancora sfruttati.
Una prima suddivisione settoriale è operabile dal punto di vista della potenzialità e conseguentemente del tipo di utilizzo conveniente delle risorse geotermiche:

• SETTORE AD ALTA ENTALPIA (fluidi con contenuto entalpico superiore a 1000 kJ/kg, riguardante la produzione d’elettricità ed alcuni usi industriali).
• SETTORE A MEDIA E BASSA ENTALPIA (fluidi con contenuto entalpico inferiore a 1000 kJ/kg, riguardante la generazione di energia elettrica con impianti a vapore di flash e/o di tipo binario e gli usi diretti del calore: teleriscaldamento (80°C-100°C), refrigerazione, serricoltura (30°C-80°C), acquicoltura).

TECNOLOGIE

Produzione Energia
Per la produzione d’energia elettrica si sfrutta l’energia termica del fluido, proveniente dal bacino geotermico. La pressione di esercizio di un pozzo raramente supera le 30 atm.
Gli impianti in uso si differenziano secondo le caratteristiche delle risorse geotermiche disponibili in “convenzionali”e “a ciclo binario”.
Gli impianti convenzionali richiedono vettori geotermici ad alta entalpia e sono disponibili nel tipo

A CONTROPRESSIONE: con scarico libero del vapore esausto dalla turbina direttamente nell’atmosfera. Usata nei campi”a vapore secco” e “ad acqua dominante”, previa la produzione di vapore di flash . Sono di piccole dimensioni e i meno costosi, ma presentano un alto consumo specifico e un impatto ambientale talvolta non trascurabile.
Figura 2. Schema impianto a contropressione ( fonte: scienzaonline.com)

A CONDENSAZIONE: dotato di una camera di condensazione/depressione raffreddata ad acqua attraverso cui passa il vapore uscente dalla turbina. L’acqua fredda viene ottenuta di solito attraverso una torre evaporativa. Hanno un consumo specifico di circa la metà di quelle a contropressione.
I reflui liquidi sono reiniettati e quelli gassosi vengono dispersi in atmosfera.
L’impatto ambientale è minimo e può essere ulteriormente ridotto depurando i reflui gassosi prima dell’immissione in atmosfera.
Anche le centrali a flash singolo, centrali a doppio flash, centrali a flusso totale possono essere a condensazione.
Figura 3. Schema impianto a condensazione (fonte: scienzaonline.com)

E’ stato valutato che, per gli impianti convenzionali, l’emissione di CO2 sia circa 13-380g/kWh.
Gli impianti a ciclo binario sfruttano fluidi geotermici ad entalpia medio-bassa ed acque calde di scarico emesse dai separatori dei sistemi ad acqua dominante. Il fluido geotermico è inviato ad uno scambiatore a superficie dove cede il calore ad un fluido di lavoro organico operante in un ciclo di Rankine. Gli impianti binari operano in su circuito chiuso, in cui il fluido di lavoro non viene a contatto con l’ambiente. I reflui liquidi sono reiniettati. Nel caso di alimentazione con acqua l’emissione di gas in atmosfera è praticamente nulla.
Figura 4. Schema impianto a ciclo binario (fonte: scienzaonline.com)

Usi Diretti
Gli usi diretti del calore geotermico riguardano principalmente il riscaldamento di edifici, di serre e l’uso in processi industriali.
Di norma il fluido geotermico a bassa entalpia cede il calore ad un fluido vettore secondario in uno scambiatore a superficie. I reflui liquidi sono reiniettati e gli eventuali reflui gassosi vengono dispersi in atmosfera.
Il fluido vettore secondario, compatibile con l’ambiente, è immesso in una rete di distribuzione del calore operante in circuito chiuso.
Nel caso di temperature troppo basse per un utilizzo diretto del calore dei fluidi geotermici, possono essere convenientemente utilizzate pompe di calore per ottenere la giusta temperatura.

COSTI

Gli impianti per la produzione d’energia elettrica hanno alte spese di perforazione, che possono rappresentare fino ai 2/3 dei costi totali. I costi di produzione dell’elettricità sono compresi tra i 0.07 e i 0.09€/kWh.