LENERGIA GEOTERMICA Una raffica repente schiacciava il vapore

L’ENERGIA GEOTERMICA Una raffica repente schiacciava il vapore contro il suolo, lo ricacciava nelle pozze, lo addensava negli anfratti del monte. Tutto si confondeva nella nebbia crassa…". La frase è tratta dal romanzo "Forse che sì, forse che no" di Gabriele D'Annunzio (1910).

• Cos’è? • Da dove viene? • In quali condizioni di territorio è possibile trovarla? • In quali quantità è disponibile? • Come funziona? • Per quali scopi è utilizzata? • Con quali mezzi può essere utilizzata? • Quali sono i vantaggi?

DEFINIZIONE Per energia geotermica si intende l'energia contenuta sotto forma di calore Essa 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.

FENOMENI La dimostrazione che esiste una energia. termica all'interno della terra è ormai un fatto certo e ben conosciuto. Vulcani, sorgenti termali, soffioni e gayser documentano bene la presenza di un calore interno alla Terra che fluisce verso l'esterno. Possiamo ben dire che 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".

ORIGINE All’origine del calore interno alla terra vi è • il calore liberato dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell’Uranio ( U 238 e U 235 ) Torio(Th 232) , Potassio ( K 40) • il calore originale del pianeta • l'energia gravitazionale e la dispersione dell'energia cinetica delle maree.

DOVE SI TROVA Il gradiente geotermico, che dà la misura dell'aumento della temperatura con la profondità, ha un valore medio di 2, 5 -3°C/100 m, ma, nelle aree "geotermiche" esso può essere anche dieci volte superiore alla norma • Temperature nella sfera terrestre. La terra è un serbatoio d'energia. Paragonandola a un uovo, la crosta terrestre (fino a 50 km di profondità) corrisponde al guscio. Nella crosta, la temperatura aumenta di circa 30°C ogni km. (Fonte: Infel AG) Facendo riferimento alla teoria della “tettonica a zolle" (secondo cui la crosta terrestre si divide in una ventina di macro-aree, dette appunto "zolle", che ogni anno si spostano mediamente di una misura che va da zero a 18 centimetri) le aree geotermiche più calde del globo, si trovano, generalmente, lungo i margini di rottura o di collisione delle zolle.

Condizioni necessarie e sufficienti per l’esistenza, e quindi per il possibile sfruttamento economico, dell’energia geotermica: • • • • A) È in primo luogo necessario avere una sorgente eccezionale di calore (heat–source) a profondità non troppo elevata; l’unica sorgente con queste caratteristiche può essere costituita da una massa magmatica. Sotto il profilo operativo, ciò è quello che accade nelle aree con elevato valore del flusso di calore terrestre. B) Nel sottosuolo, a profondità variabili da centinaia a migliaia di metri, deve essere presente uno strato altamente permeabile, con valori di permeabilità e porosità tali da consentire lo stabilirsi in condizioni stazionarie di circolazione convettiva dell’acqua che permea i pori della roccia. A questo strato viene dato il nome di serbatoio (reservoir). C) Uno strato impermeabile (caprock) che copre il serbatoio deve essere presente nella parte più superficiale della serie. La permeabilità di questo strato deve essere bassa in modo da evitare la fuoriuscita dei fluidi caldi contenuti nel serbatoio stesso. In questo ultimo caso infatti i fluidi idrotermali raggiungerebbero direttamente la superficie e abbasserebbero la loro temperatura sino a quella di ebollizione dell’acqua alla pressione atmosferica (circa 100 °C) e quindi il campo geotermico ad alta entalpia non esisterebbe.

• Importanti aree geotermiche sono anche i "punti caldi" come le Hawaii, le Galapagos, le Canarie e il cosiddetto "bombamento etrusco", tra la Toscana e l'Alto Lazio. Nelle zolle continentali, invece, sono racchiusi grandi bacini sedimentari con risorse geotermiche a bassa temperatura come quelli di Francia, Ungheria e Cina. .

RISORSE GEOTERMICHE Placche crostali, dorsali, zone di subduzione e campi geotermici. Le frecce indicano la direzione del movimento delle placche. (1) Campi geotermici che producono elettricità; (2) dorsali interrotte dalle faglie trasformi (fratture trasversali); ( 3) zone di subduzione nelle quali la litosfera si immerge sotto l'astenosfera.

STIMA • . E' stato stimato, assumendo una temperatura superficiale media di 15°C, che esso sia dell'ordine di 12, 6 x 1024 MJ e che l’energia contenuta nella sola crosta sia dell'ordine di 5, 4 x 1021 MJ. Tale calore, anche se in quantità enorme e praticamente inesauribile, risulta assai disperso e solo raramente concentrato. • Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra; la sua esistenza è percepibile dall'aumento progressivo della temperatura delle rocce con la profondità; il gradiente geotermico è in media di 3°C ogni 100 m di profondità, ossia 30°C a km. • Esistono tuttavia nella crosta terrestre zone privilegiate ove il gradiente è nettamente superiore a quello medio: ciò è dovuto alla presenza, non lontano dalla superficie (5 ÷ 10 km), di masse magmatiche fluide o già solidificate in via di raffreddamento.

COME FUNZIONA • L’energia geotermica è energia fortemente dispersa e solo raramente recuperabile in condizioni economicamente vantaggiose. Per contro ha la caratteristica di essere relativamente costante nel tempo, priva di fluttuazioni meteorologiche (diurne o stagionali) e, cosa che più interessa dal punto di vista economico, può concentrarsi in zone caratterizzate da anomalie termiche (vulcanesimo secondario), ove può raggiungere livelli di temperatura industrialmente sfruttabili. • In tali zone l’acqua di falda viene riscaldata dal calore geotermico e resa disponibile (in modo naturale oppure grazie a perforazioni artificiali) sotto forma di fluido più o meno caldo (più raramente anche vapore surriscaldato) utilizzabile per scopi termici (riscaldamento) o per la produzione di energia elettrica, a seconda della temperatura e delle caratteristiche del fluido stesso.

• Il flusso che misuriamo in superficie deriva dal fatto che, per assicurare l’equilibrio termico in un corpo, il calore si sposta in vari modi da zone ad alta temperatura a quelle a bassa temperatura in vari modi, di cui i principali sono la conduzione e la convezione. • Per salire in superficie il calore usa la tecnica della convezione che è tipica dei fluidi (liquidi e gas). • La materia che si trova sul fondo, è riscaldata per prima, di conseguenza diventa più leggera e tende a salire verso l’alto, mentre quella in superficie è più pesante e tende quindi a scendere verso il basso dove si riscalderà e risalirà prendendo il posto della prima che nel frattempo si è raffreddata; queste correnti ascensionali continuano infinitamente il loro ciclo portando così il calore terrestre in superficie

• 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. • Se il vapore è presente ad alta temperatura (200°-300°) viene convogliato direttamente alla turbina che ne trasforma l'energia cinetica in energia meccanica di rotazione. L'asse della turbina è collegato al rotore dell'alternatore che, ruotando, trasforma l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica alternata che viene trasmessa al trasformatore. L'acqua di scarico delle centrali geotermiche viene poi reiniettata in profondita' nel serbatoio, attraverso appositi pozzi di reiniezione, mantenendo cosÏ la pressione del serbatoio ed evitando l'inquinamento di falde o corsi d'acqua in superficie. L'acqua reiniettata sara' di nuovo scaldata dalla Terra.

APPLICAZIONI Le principali applicazioni del vapore naturale proveniente dal sottosuolo sono due: A)generazione di energia elettrica tramite il classico metodo delle turbine. B)calore geotermico incanalato in un sistema di tubature utilizzato per attività locali di teleriscaldamento.

SCHEMA DELLA CENTRALE • • Turbina a vapore Alternatore Trasformatore Pompa Condensatore Torre di raffreddamento Pozzi di estrazione Pozzo di rieniezione

FUNZIONAMENTO DELLA CENTRALE Vapore ad alta temperatura • Se il vapore e' presente ad alta temperatura (150 -250°C), viene portato in superficie per mezzo di trivellazioni piu' o meno profonde, poi viene convogliato in tubazioni, chiamate vaporodotti, ed infine inviato alla turbina, dove la sua energia viene trasformata in energia meccanica di rotazione. L'asse della turbina e' collegato al rotore dell'alternatore che, ruotando, trasforma l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica alternata che viene trasmessa al trasformatore. Il trasformatore innalza il valore della tensione (400. 000 Volt) e la immette nella rete di distribuzione. • Il vapore uscente dalla turbina viene riportato alla stato liquido in un condensatore, mentre i gas incondensabili, contenuti nel vapore, vengono dispersi nell'atmosfera. Una torre di raffreddamento consente di raffreddare l'acqua prodotta dalla condensazione del vapore e di fornire acqua fredda al condensatore. L'acqua condensata viene smaltita reiniettandola nelle rocce profonde da cui il vapore e' stato estratto

VAPORE A BASSA TEMPERATURA • Quando la temperatura del vapore e' bassa ed il suo utilizzo in turbina difficile, il calore dello stesso viene utilizzato per portare all'evaporazione, in un apposito scambiatore di calore, un altro liquido che a sua volta trasformato in vapore verra' convogliato nella turbina innescando il procedimento sopra descritto. • Questo stesso procedimento e' utilizzabile anche per lo sfruttamento di acqua calda, la cui energia termica puo' venire trasmessa ad un fluido secondario ed utilizzato sia per riscaldamento che per produzione di energia elettrica. La caldaia che produce vapore o acqua calda e' il serbatoio naturale geotermico, situato al di sotto della crosta terrestre.

TELERISCALDAMENTO • Altro uso abbastanza diffuso e' rappresentato dal riscaldamento di edifici, sia privati che pubblici, o di interi quartieri. • Lo schema di questo tipo di applicazione e' simile a quello delle centrali a ciclo binario, qui pero' il liquido secondario e' acqua pulita di citta' che scorre in tubazioni che si diramano fino agli edifici da riscaldare

Il teleriscaldamento porta direttamente nelle case il calore per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria senza bisogno di avere caldaie, bruciatori, serbatoi per il combustibile e canne fumarie.

Gli altri usi del calore geotermico • Oltre che per generare elettricita', il calore geotermico e' impiegato in applicazioni dirette, che assicurano un risparmio d'energia fruttando acqua a temperature comprese tra i 20 e i 150ƒC. • Accanto alle cure termali, l'acqua calda geotermica viene usata per riscaldare serre per la floricoltura e l'orticoltura, vasche per l'itticoltura, per pastorizzare il latte, per essiccare cipolle o legname, per lavare la lana.

Pompe di calore • Infine e' da menzionare l'impiego nei sistemi a pompe di calore che producono caldo in inverno e fresco in estate, consumando pochissima elettricita' e sfruttando la temperatura del terreno. Schema di una pompa di calore

DOVE VIENE SFRUTTATA • L’energia geotermica è utilizzata in tutte le parti del mondo. • In particolare, la geotermia è la fortuna energetica dell'Islanda. La grande isola del nord Atlantico basa l'intera sua esistenza energeticoclimatica sul naturale equilibrio tra l'acqua calda in profondità e l'atmosfera glaciale esterna.

L'esempio dell'Islanda • . Questo piccolo paese (102. 819 km 2, 289. 000 abitanti) si trova in corrispondenza della dorsale medio-atlantica, tra la placca eurasiatica e quella nord-americana. E' una delle aree tettonicamente più attive del mondo, ricca di vulcani (più di 200, di cui almeno 30 sono entrati in eruzione in tempi storici) e di sorgenti calde (più di 600 con temperatura >20°C). Le risorse geotermiche, localizzate soprattutto nelle aree di vulcanismo attivo o ai loro margini, sono usate per generare elettricità e per usi diretti del calore. Gli impianti per produzione di elettricità sono attualmente operativi a Svartsengi, Krafla e Nesjavellir per un totale di 202 MWe installati. Altri 30 MWe sono in costruzione a Nesjavellir e circa 180 tra Husavik e Reykjanes. La più importante forma di utilizzazione non-elettrica delle risorse geotermiche è il riscaldamento di ambienti. In Islanda l'87% delle case sono riscaldate con fluidi geotermici e si prevede che in futuro sarà raggiunto il 92%. Il riscaldamento di piscine pubbliche è un altro importante uso del calore geotermico. Nel paese ci sono circa 130 impianti di questo tipo. L'acqua a 35°C scaricata dagli impianti di riscaldamento delle case è usata per sciogliere il ghiaccio e la nave sui marciapiedi e le aree di parcheggio

Energia geotermica in Italia • • L'Italia oltre ad essere il Paese "geotermicamente" più caldo d'Europa, è stato anche il primo paese a costruire un impianto per sfruttare l’energia geotermica. (Larderello) In Italia sono attualmente operative 32 centrali geotermiche, che producono elettricità sfruttando il vapore naturale, per un totale di 790, 5 MWe (2005). La produzione è stata nel 2003 di 5340, 4 GWh/a. Tutti gli impianti si trovano in Toscana nelle aree di Larderello (20 centrali, 542, 5 MWe), Travale - Radicondoli (6 centrali, 160 MWe) e Monte Amiata (6 centrali, 88 MWe) (Figura 8).

Larderello • • Un tempo la zona del Larderello era detta la “valle del diavolo” per il pesante odore di zolfo e i suggestivi fenomeni naturali: geyser, fumarole, lagoni bollenti. Molti ritengono che Dante si sia immaginato l’Inferno visitando proprio questi luoghi 4 luglio del 1904 il principe Piero Ginori Conti dimostrò che il demonio non aveva nulla a che spartire con il vapore e con il puzzo che dominava la Val di Cecina. Come per magia incanalò un soffione in una condotta, inviò il vapore a un piccolo impianto trasformatore e accese cinque lampadine. Fu da quel momento che l'Italia si segnalò al mondo come primo stato a sfruttare l'energia geotermica per produrre energia. Nel 1913 a Larderello nacque il primo impianto di generazione che produceva 20, timidi, k. W/h (kilowatt/ora). Via via il complesso si è poi fatto più articolato: nel 1963 l'Enel entrò in scena acquistando tutte le attività minerarie e geotermoelettriche e dando nuovo slancio all'attività produttiva.

Aree geotermiche potenzialmente sfruttabili • Aree con temperature = di 50 °C a 5000 metri di profondità. • Aree con temperature = di 70 °C a 2000 metri di profondità • Aree con temperature = di 100 °C a 2000 metri di profondità • Aree con rocce carbonatiche fino ai 1000 metri di profondità e • temperatura di 175 °C

VANTAGGI • l'energia geotermica è una fonte di energia pulita ( non inquinante) e rinnovabile • non è prevista manutenzione • un impianto geotermico dura più di 100 anni • l'energia geotermica non viene importata • si ha un risparmio fino all' 80% dei costi di esercizio • è possibile generare riscaldamento e raffreddamento con lo stesso impianto