6.4 Energia geotermica - Treccani

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6.4.1 Introduzione L’energia geotermica è il calore contenuto nell’interno della Terra ed è all’origine di molti fenomeni geologici. Tuttavia, l’espressione energia geotermica è general- mente impiegata per indicare quella frazione del calore terrestre che può, o potrebbe, essere estratto dal sotto- suolo e sfruttato dall’uomo. Le risorse geotermiche costi- tuiscono una importante forma di energia rinnovabile e sostenibile, diffusa e utilizzata in molte regioni del mondo (Dickson e Fanelli, 2003). I vulcani, i geyser, le sorgenti termali, le fumarole e altri fenomeni superficiali di questo genere hanno cer- tamente fatto dedurre agli uomini dei millenni passati che alcune parti dell’interno della Terra sono calde. Sol- tanto tra il 16° e il 17° secolo, tuttavia, quando furono scavate le prime miniere, profonde qualche centinaio di metri, ci si rese conto che la temperatura del sottosuolo aumenta con la profondità. Le prime misurazioni con termometri sono state fatte probabilmente nel 1740 da M. De Gensanne in una minie- ra vicino a Belfort, in Francia (de Buffon, 1778). A par- tire dal 1870 il regime termico della Terra è stato stu- diato con metodi scientifici moderni, ma soltanto nel 20° secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal calore radio- genico, è stato possibile comprendere pienamente feno- meni come il bilancio termico della Terra e ricostruire la storia termica del pianeta. Tutti i moderni modelli ter- mici della Terra, infatti, devono tenere conto dell’ener- gia prodotta in continuazione dal decadimento degli iso- topi radioattivi a lunga vita dell’uranio ( 238 U, 235 U), del torio ( 232 Th) e del potassio ( 40 K) presenti nell’interno del globo terrestre (Lubimova, 1969). A quella radioge- nica si aggiungono, in proporzioni non esattamente defi- nite, altre fonti di energia, come il calore originale del pianeta, l’energia gravitazionale e la dissipazione del- l’energia cinetica delle maree. Teorie e modelli termici realistici, tuttavia, non sono stati disponibili sino agli anni Ottanta del 20° secolo, quando è stato dimostrato che non c’è equilibrio tra l’energia prodotta dal decadi- mento degli isotopi radioattivi presenti nell’interno della Terra e il calore disperso dalla sua superficie verso lo spazio, e che il pianeta si sta lentamente raffreddando. Un bilancio termico dovuto a Frank D. Stacey e David E. Loper, nel quale il flusso di calore totale dalla super- ficie terrestre è valutato 4210 12 W (conduzione, con- vezione e radiazione), quantifica il flusso di calore dal mantello, che costituisce l’82% del volume totale della Terra (fig. 1), in 10,310 12 W (Stacey e Loper, 1988). Calcoli più recenti, basati su un numero maggiore di dati, hanno permesso di attribuire al flusso di calore superfi- ciale un valore del 6% più alto rispetto a quello cui fanno riferimento Stacey e Loper. Il raffreddamento del man- tello è, di conseguenza, leggermente maggiore di quel- lo valutato da questi ultimi. Il raffreddamento del pia- neta è, comunque, molto lento. La temperatura del man- tello, che alla sua base è di circa 4.000 °C, è diminuita, al più, di 300-350 °C in tre miliardi di anni. È stato sti- mato che l’energia termica totale contenuta nella Terra, assumendo una temperatura superficiale media di 15 °C, sia dell’ordine di 12,610 24 MJ e che quella contenuta nella crosta sia dell’ordine di 5,410 21 MJ (Armstead, 1983). L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Sino a oggi, l’utilizzazione di questa energia è stata limitata a quelle aree nelle quali le condizioni geologiche per- mettono a un vettore (acqua in fase liquida o vapore) di trasportare l’energia termica dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino a essa, dando origine alle risorse geotermiche. Breve storia della geotermia L’utilizzazione del calore della Terra per scopi sem- plici, come la cottura del cibo, si perde nel passato. Nel Neolitico le acque calde naturali erano certamente usa- te per scopi curativi e magici. In periodo etrusco gli usi 595 VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 6.4 Energia geotermica

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Transcript of 6.4 Energia geotermica - Treccani

6.4.1 Introduzione
L’energia geotermica è il calore contenuto nell’interno della Terra ed è all’origine di molti fenomeni geologici. Tuttavia, l’espressione energia geotermica è general- mente impiegata per indicare quella frazione del calore terrestre che può, o potrebbe, essere estratto dal sotto- suolo e sfruttato dall’uomo. Le risorse geotermiche costi- tuiscono una importante forma di energia rinnovabile e sostenibile, diffusa e utilizzata in molte regioni del mondo (Dickson e Fanelli, 2003).
I vulcani, i geyser, le sorgenti termali, le fumarole e altri fenomeni superficiali di questo genere hanno cer- tamente fatto dedurre agli uomini dei millenni passati che alcune parti dell’interno della Terra sono calde. Sol- tanto tra il 16° e il 17° secolo, tuttavia, quando furono scavate le prime miniere, profonde qualche centinaio di metri, ci si rese conto che la temperatura del sottosuolo aumenta con la profondità.
Le prime misurazioni con termometri sono state fatte probabilmente nel 1740 da M. De Gensanne in una minie- ra vicino a Belfort, in Francia (de Buffon, 1778). A par- tire dal 1870 il regime termico della Terra è stato stu- diato con metodi scientifici moderni, ma soltanto nel 20° secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal calore radio- genico, è stato possibile comprendere pienamente feno- meni come il bilancio termico della Terra e ricostruire la storia termica del pianeta. Tutti i moderni modelli ter- mici della Terra, infatti, devono tenere conto dell’ener- gia prodotta in continuazione dal decadimento degli iso- topi radioattivi a lunga vita dell’uranio (238U, 235U), del torio (232Th) e del potassio (40K) presenti nell’interno del globo terrestre (Lubimova, 1969). A quella radioge- nica si aggiungono, in proporzioni non esattamente defi- nite, altre fonti di energia, come il calore originale del pianeta, l’energia gravitazionale e la dissipazione del- l’energia cinetica delle maree. Teorie e modelli termici realistici, tuttavia, non sono stati disponibili sino agli
anni Ottanta del 20° secolo, quando è stato dimostrato che non c’è equilibrio tra l’energia prodotta dal decadi- mento degli isotopi radioattivi presenti nell’interno della Terra e il calore disperso dalla sua superficie verso lo spazio, e che il pianeta si sta lentamente raffreddando.
Un bilancio termico dovuto a Frank D. Stacey e David E. Loper, nel quale il flusso di calore totale dalla super- ficie terrestre è valutato 421012 W (conduzione, con- vezione e radiazione), quantifica il flusso di calore dal mantello, che costituisce l’82% del volume totale della Terra (fig. 1), in 10,31012 W (Stacey e Loper, 1988). Calcoli più recenti, basati su un numero maggiore di dati, hanno permesso di attribuire al flusso di calore superfi- ciale un valore del 6% più alto rispetto a quello cui fanno riferimento Stacey e Loper. Il raffreddamento del man- tello è, di conseguenza, leggermente maggiore di quel- lo valutato da questi ultimi. Il raffreddamento del pia- neta è, comunque, molto lento. La temperatura del man- tello, che alla sua base è di circa 4.000 °C, è diminuita, al più, di 300-350 °C in tre miliardi di anni. È stato sti- mato che l’energia termica totale contenuta nella Terra, assumendo una temperatura superficiale media di 15 °C, sia dell’ordine di 12,61024 MJ e che quella contenuta nella crosta sia dell’ordine di 5,41021 MJ (Armstead, 1983). L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Sino a oggi, l’utilizzazione di questa energia è stata limitata a quelle aree nelle quali le condizioni geologiche per- mettono a un vettore (acqua in fase liquida o vapore) di trasportare l’energia termica dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino a essa, dando origine alle risorse geotermiche.
Breve storia della geotermia L’utilizzazione del calore della Terra per scopi sem-
plici, come la cottura del cibo, si perde nel passato. Nel Neolitico le acque calde naturali erano certamente usa- te per scopi curativi e magici. In periodo etrusco gli usi
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Energia geotermica
balneologici erano già ampiamente diffusi, come dimo- strano numerose testimonianze archeologiche. Succes- sivamente, nell’area di espansione della civiltà romana, i fluidi geotermici sono stati usati, oltre che in balneo- logia, per il riscaldamento di edifici termali e di abita- zioni dal 1° secolo a.C. sino alla decadenza dell’Impe- ro. Esempi di utilizzazione del calore geotermico sono presenti anche nei secoli seguenti, in Italia e in vari paesi del mondo, sino alla Cina, ma in forma molto ridotta e con semplici tipologie. Si deve attendere il 19° secolo perché prenda avvio un vero e proprio sfruttamento del- l’energia geotermica su scala industriale (Ciardi e Catal- di, 2005).
In Italia, nei primi anni dell’Ottocento, nell’area che poi ha preso il nome di Larderello (Toscana), era stata avviata una piccola industria chimica per estrarre l’aci- do borico dalle acque calde che sgorgavano naturalmente dal suolo o erano estratte da pozzi poco profondi (Nasi- ni, 1930). L’acido borico era ottenuto facendo evapora- re in bollitori metallici le acque calde ricche di boro, usando, come combustibile, il legname ricavato dai boschi vicini. Nel 1827 Francesco Larderel, che nel 1818 aveva assunto la direzione dell’industria, ideò un sistema per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di estrazione invece di bruciare il legname dei boschi, che si andavano esaurendo rapidamente.
Nello stesso periodo si cominciò anche a utilizzare l’energia meccanica del vapore naturale, che venne usato
per sollevare l’acqua in semplici sistemi a gas lift e, in seguito, per il funzionamento di pompe e argani impie- gati nelle operazioni di perforazione o nell’industria del- l’acido borico. L’industria chimica di Larderello deten- ne, tra il 1850 e il 1875, il monopolio della produzione dell’acido borico in Europa. Nella medesima area, tra il 1910 e il 1940, ebbe inizio, ampliandosi progressiva- mente, l’utilizzazione del vapore geotermico a bassa pressione per il riscaldamento di edifici residenziali e industriali e di serre. Contemporaneamente, anche in altri paesi si sviluppava l’uso industriale dell’energia geoter- mica: nel 1892 a Boise (Idaho, Stati Uniti) era inaugu- rato il primo sistema di riscaldamento urbano; nel 1928 l’Islanda, un altro paese all’avanguardia in Europa nel- l’utilizzazione di questa fonte energetica, cominciò a sfruttare i fluidi geotermici, soprattutto acqua calda, per il riscaldamento di edifici.
Il primo tentativo di produrre elettricità dall’energia geotermica fu realizzato a Larderello il 4 luglio 1904, quando Piero Ginori Conti, subentrato alla famiglia Lar- derel nella proprietà dell’industria boracifera, avviò un motore, azionato dal vapore geotermico, collegato a una dinamo. La riuscita dell’esperimento segnò l’inizio di una importante forma di utilizzazione del calore terre- stre, che si sarebbe diffusa in tutto il mondo.
La produzione di elettricità a Larderello fu un suc- cesso commerciale, oltre che della tecnica. Nel 1916 la potenza geotermoelettrica installata era già pari a 12.000
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os tafig. 1. Schema
della struttura interna della Terra: crosta, mantello e nucleo. A destra in alto, un dettaglio della crosta e della parte superiore del mantello.
kWe e nel 1942, prima delle distruzioni dovute agli even- ti bellici, aveva raggiunto 127.650 kWe. L’esempio ita- liano fu seguito da numerosi altri paesi. Nel 1919 fu perforato il primo pozzo geotermico in Giappone e, nel 1921, negli Stati Uniti. Nel 1958 un primo impianto geo- termoelettrico entrò in esercizio in Nuova Zelanda, nel 1959 in Messico, nel 1960 negli Stati Uniti e negli anni seguenti in molti altri paesi.
Utilizzazione attuale dell’energia geotermica Dopo la Seconda Guerra Mondiale, molti paesi furo-
no attratti dall’energia geotermica, considerandola com- petitiva rispetto ad altre forme di energia. Le nazioni che utilizzano l’energia geotermica per la produzione di elet- tricità (energia geotermoelettrica) sono attualmente 24 e sono elencate nella tab. 1, che mostra la potenza geo- termoelettrica installata nel mondo nel 2005 (8.934 MWe) e, per confronto, nel 1995 (6.833 MWe). Nei paesi in via di sviluppo la potenza geotermoelettrica installata nel 1995 era il 38% di quella mondiale, mentre nel 2005 è stata pari a circa il 48%. In questi paesi l’energia geo- termica può svolgere un ruolo significativo nel bilancio energetico nazionale: nel 2002 l’elettricità prodotta da risorse geotermiche rappresentava il 27% dell’elettricità totale prodotta in El Salvador, il 22% nelle Filippine, il 15% in Costa Rica, l’11% in Kenya.
I paesi che sfruttano le risorse geotermiche per usi non elettrici (o usi diretti del calore geotermico) sono oggi oltre 70. La potenza installata nel mondo in questo tipo di impian- ti ammontava nel 2005 a 28.269 MWt e l’energia utiliz- zata a 273.372 TJ/a. Gli usi non elettrici più diffusi nel mondo, come energia utilizzata, sono rappresentati per il 32% dalle pompe di calore, per il 30% dagli usi balneo- logici (inclusi balneoterapia e riscaldamento di piscine), per il 20% dal riscaldamento di ambienti (di cui il 77% è rappresentato dal riscaldamento urbano), per il 7,5% dal riscaldamento di serre e di suoli coltivabili, per il 4% da processi industriali a caldo, per il 4% dall’acquacoltura e per circa il 2,5% da numerose forme di utilizzazioni mino- ri, come l’essiccamento di prodotti agricoli, la refrigera- zione, il decongelamento di strade (Lund et al., 2005).
6.4.2 Natura delle risorse geotermiche
La Terra come motore termico Il gradiente geotermico fornisce la misura dell’au-
mento della temperatura con la profondità. Sino al- le profondità raggiungibili con le moderne tecniche di perforazione, il gradiente geotermico medio è 2,5-3 °C/100 m. Di conseguenza, se la temperatura nei primi metri sotto la superficie (che corrisponde, con buona approssimazione, alla temperatura media an- nua dell’aria esterna) è 15 °C, si può prevedere che la
temperatura sia 65-75 °C a 2.000 m di profondità, 90-105 °C a 3.000 m e via di seguito per alcune migliaia di metri. Vi sono, tuttavia, vaste regioni nelle quali il valore del gradiente geotermico si allontana sensibil- mente da quello medio. Nei grandi bacini sedimentari geologicamente giovani il gradiente geotermico può essere inferiore a 1 °C/100 m, mentre può essere mag- giore della media in aree di sollevamento recente. In certe aree geotermiche, il gradiente può raggiungere valori dieci volte superiori alla norma. La differenza di temperatura tra le zone profonde, più calde, e quelle
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ENERGIA GEOTERMICA
tab. 1. Potenza geotermoelettrica (MWe) installata nel mondo nel 1995 (Huttrer, 2001) e nel 2005
(Bertani, 2005, con modifiche)
Thailandia 0,3 0,3
Turchia 20,4 20,4
Totale 6.832,705 8.934,15
superficiali, più fredde, dà origine a un flusso di calo- re dall’interno verso l’esterno della Terra. Il flusso di calore terrestre medio è 65 mWm2 nelle aree conti- nentali e 101 mWm2 nelle aree oceaniche, con una media ponderale globale pari a 87 mWm2 (Pollack et al., 1993). Questi valori sono basati su 24.774 misura- zioni eseguite in 20.201 siti, che coprono circa il 62% della superficie terrestre. Il flusso di calore delle aree non coperte da misurazioni è stato stimato tenendo conto della distribuzione delle unità geologiche.
L’aumento della temperatura con la profondità, i vul- cani, i geyser, le fumarole, le sorgenti calde sono mani- festazioni tangibili e visibili del calore interno del pia- neta; questa energia termica è all’origine di fenomeni meno percettibili e tuttavia di tale grandezza che la Terra è stata paragonata a un enorme motore termico. Tali feno- meni, che sono inquadrabili nella teoria della tettonica delle placche, che ha rivoluzionato le conoscenze geo- logiche del pianeta, risultano anche connessi con le risor- se geotermiche.
La struttura della Terra consiste di una crosta, con spessore variabile da circa 20-65 km nelle aree conti- nentali a 5-6 km in quelle oceaniche, di un mantello, spesso approssimativamente 2.900 km, e di un nucleo, che ha un raggio di circa 3.470 km (v. ancora fig. 1). Le proprietà fisiche e chimiche di crosta, mantello e nucleo sono variabili. L’involucro esterno del globo, che pren- de il nome di litosfera e si comporta come un corpo rigi- do, è formato dalla crosta e dalla parte più esterna del mantello e ha uno spessore che va da meno di 80 km nelle aree oceaniche a più di 200 km in quelle conti- nentali. Sotto la litosfera si trova l’astenosfera, formata dalla parte superiore del mantello, che ha un comporta- mento meno rigido o più plastico. In altre parole, su scala geologica, ove i tempi si misurano in milioni di anni, l’a- stenosfera si comporta in modo simile a quello di un flui- do molto viscoso.
Le differenze di temperatura tra le diverse parti del- l’astenosfera danno luogo a moti convettivi che forma- no vere e proprie celle di convezione. Il loro lentissimo movimento è sostenuto dal calore prodotto dal decadi- mento degli isotopi radioattivi e da quello che proviene dalle parti profonde. Enormi volumi di materiale profon- do, più caldo e meno denso dei materiali sovrastanti, risalgono verso la superficie, mentre il materiale più superficiale, più freddo e più denso, tende a scendere per riscaldarsi e risalire di nuovo.
Nelle zone dove è più sottile, e soprattutto nelle aree oceaniche, la litosfera è spinta verso l’alto e fratturata dal materiale parzialmente fuso, che risale dall’astenosfera in corrispondenza dei rami ascendenti delle celle convet- tive. È questo meccanismo che ha formato, e tuttora forma, le dorsali, che si estendono per oltre 60.000 km sotto gli oceani, emergendo in alcune zone (Islanda) e talvolta insi- nuandosi tra i continenti, come nel Mar Rosso. Una fra- zione relativamente piccola di materiale fuso emerge dalla cresta delle dorsali, solidifica e forma nuova crosta ocea- nica. La maggior parte del materiale che risale dall’aste- nosfera si divide in due rami, che scorrono in direzioni opposte sotto la litosfera. La continua formazione di nuova crosta e l’effetto di trascinamento dovuto ai flussi che scorrono in direzioni opposte fanno in modo che i fon- dali oceanici, posti sui due lati delle dorsali, si allontani- no l’uno dall’altro. Di conseguenza, la superficie dei fon- dali oceanici (la litosfera oceanica) tenderebbe ad aumen- tare se non ci fosse una compensazione dovuta a una riduzione (o assorbimento) della litosfera, di pari entità, in altre parti del pianeta. In effetti, questo avviene nelle zone di subduzione, come quelle presenti lungo i margi- ni dell’Oceano Pacifico, dove la litosfera si immerge sotto la litosfera adiacente e scende nelle zone profonde e molto calde, dove è assimilata dal mantello. Durante la discesa (Press e Siever, 1997), parte del materiale litosferico viene parzialmente fuso e può risalire alla superficie attraverso
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placca oceanica
litosfera
fig. 2. Sezione schematica, che mostra la dinamica della tettonica delle placche.
fratture della litosfera (fig. 2), formando vulcani sui mar- gini continentali (come nelle Ande) o negli archi di isole (come in Giappone e nelle Isole Aleutine).
Le dorsali, le faglie e le zone di subduzione rappre- sentano i limiti delle placche litosferiche, di cui sei di grandi dimensioni e numerose altre più piccole. I mar- gini delle placche corrispondono a zone di fragilità e di intensa fratturazione della crosta, caratterizzate da un’e- levata sismicità, dalla presenza di vulcani e, a causa della risalita di materiali fusi molto caldi verso la superficie, da un flusso di calore terrestre elevato. Esiste quindi una stretta relazione tra la tettonica delle placche e la distri- buzione nel mondo delle risorse geotermiche (Somma- ruga e Zan, 1995) soprattutto quelle ad alta temperatu- ra, che sono generalmente ubicate in corrispondenza dei margini delle placche stesse (figg. 3 e 4).
Sistemi geotermici Un sistema geotermico può essere definito schema-
ticamente come un «sistema acqueo convettivo che, in uno spazio confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta calore da una sorgente termica al luogo, generalmente la superficie libera, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)» (Hochstein, 1990). Esso è formato da tre elementi (fig. 5): la sorgente di calore, il serbatoio e il fluido, che è il mezzo che tra- sporta il calore. La sorgente di calore può essere una
intrusione magmatica a temperatura molto alta (600 °C), che si è posizionata a profondità relativamente pic- cola (5-10 km), oppure, come in alcuni sistemi a bassa temperatura, il normale calore della Terra. Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili nel quale i flui- di possono circolare assorbendo calore; generalmente è ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali, dalle quali le acque meteoriche pos- sono infiltrarsi e reintegrare, totalmente o parzialmen- te, i fluidi perduti attraverso vie naturali (per esempio sorgenti o fumarole) o estratti mediante pozzi. Il fluido geotermico, nella maggior parte dei casi, è acqua meteo- rica in fase liquida o vapore, in funzione della sua tem- peratura e pressione. Questo fluido spesso trascina con sé sostanze chimiche e gas, come CO2, H2S e altri.
Le leggi che regolano la convezione dei fluidi sono alla base del meccanismo dei sistemi geotermici. La fig. 6 descrive questo meccanismo, prendendo a esempio un sistema idrotermale a media temperatura. La convezio- ne si attiva in seguito al riscaldamento e alla conseguente espansione termica del fluido in un campo gravitaziona- le; il flusso di calore alla base del sistema di circolazio- ne è l’energia che alimenta e muove il sistema. Il fluido caldo e di minor densità tende a salire e a essere sosti- tuito dal fluido più freddo e di densità maggiore, prove- niente dai margini del sistema. La convezione, per sua natura, tende a far aumentare la temperatura delle parti
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ENERGIA GEOTERMICA
Messico
Tailandia
fig. 3. Placche tettoniche, dorsali, zone di subduzione, fratture crostali e paesi che producono energia elettrica di origine geotermica. 1, dorsali interrotte da fratture trasversali (faglie trasformi); 2, zone di subduzione, nelle quali la litosfera si immerge nell’astenosfera; 3, fosse tettoniche; 4, grandi fratture crostali.
600 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
Geysers
AMERICA CENTRALE
COSTA RICA
E T I O P I A F I L I P P I N E
I S L A N D A
I TA L I A
AUSTRIA
T U R C H I A
N U O VA Z E L A N D A
G I A P P O N E
I N D O N E S I A
K E N YA
Kizildere
Travale
Larderello
Altheim
fig. 4. Principali aree geotermiche, con indicati i campi che producono energia geotermoelettrica.
601VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ENERGIA GEOTERMICA
pozzo geotermico
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fig. 6. Modello di sistema geotermico. La curva 1 è la curva di ebollizione dell’acqua; la curva 2 mostra l’andamento della temperatura del fluido lungo il suo percorso dal punto di ingresso A a quello di uscita E (White, 1973).
alte del sistema, mentre la temperatura delle parti infe- riori diminuisce (White, 1973).
La sorgente di calore è l’unico dei tre elementi di un sistema geotermico che deve essere naturale, gli altri due elementi possono essere artificiali. Per esempio, i fluidi scaricati da una centrale geotermoelettrica, dopo che ne è stata sfruttata l’energia termica, possono essere immes- si di nuovo nel serbatoio da cui erano stati estratti, attra- verso appositi pozzi di reiniezione. In questo modo l’a- limentazione meteorica naturale del serbatoio è integra- ta dalla ricarica artificiale. Da diversi anni, inoltre, la reiniezione dei fluidi sfruttati è adottata per ridurre dra- sticamente l’impatto ambientale degli impianti geoter- mici. La ricarica artificiale può essere anche un mezzo per riattivare campi geotermici vecchi o esauriti; un esem- pio è offerto dal campo geotermico di The Geysers (California). In questo campo, uno dei più grandi del mondo, la produzione cominciò a diminuire rapidamente intorno alla fine degli anni Ottanta per scarsità di fluidi nel serbatoio, causata da un eccessivo sfruttamento. Per superare il grave inconveniente, è stato messo in opera un sistema di condotte di circa 60 km in grado di tra- sportare verso The Geysers 820 l/s di acqua per ricari- care il serbatoio. Questo progetto ha permesso di riatti- vare alcune centrali elettriche che erano state abbando- nate a causa della scarsità di fluidi.
Nel Progetto Rocce Calde Secche (HDR, Hot Dry Rock Project), avviato a Los Alamos (Stati Uniti) nei primi anni Settanta, sia il fluido, sia il serbatoio sono artificiali. Attraverso un pozzo perforato appositamen- te, acqua ad alta pressione viene pompata in una forma- zione di roccia calda compatta, provocando la sua frat- turazione idraulica. L’acqua penetra e circola nelle frat- ture prodotte artificialmente ed estrae l’energia termica dalle rocce all’intorno, che funzionano come un serba- toio naturale. Il serbatoio viene poi raggiunto da un secon- do pozzo usato per estrarne l’acqua, che ha assorbito calore. Questo sistema, quindi, è formato da un pozzo usato per la fratturazione idraulica, attraverso il quale acqua fredda è iniettata nel serbatoio artificiale, e da un pozzo per l’estrazione dell’acqua calda (fig. 7). L’intero sistema, comprendente anche l’impianto di utilizzazio- ne in superficie, forma un circuito chiuso, evitando ogni contatto tra il fluido e l’ambiente esterno (Proceedings […], 1987). Il progetto HDR di Los Alamos, sospeso dopo alcuni anni di esperimenti, ha aperto la strada ad altri progetti, che hanno ricevuto nuovo impulso in segui- to al riconoscimento che molte rocce profonde posseg- gono un certo grado di fratturazione naturale e che le metodologie e le tecnologie applicate devono essere stret- tamente correlate alle condizioni geologiche locali. Pro- getti HDR sono stati sviluppati, con vicende alterne lega- te alla disponibilità di finanziamenti, in Australia, Fran- cia, Germania, Giappone e Regno Unito e, in qualche caso, si avviano verso la fase operativa.
Classificazione delle risorse geotermiche Il più comune criterio di classificazione delle risor-
se geotermiche si basa sull’entalpia dei fluidi che tra- sferiscono l’energia termica dalle rocce calde profonde alla superficie. L’entalpia, che è tanto più elevata quan- to maggiore è la temperatura, è usata per esprimere il contenuto termico dei fluidi e dà un’idea approssimati- va del loro valore. Le risorse sono classificate a bassa, media o alta entalpia (temperatura) secondo criteri che si basano sul contenuto di energia dei fluidi e sulle loro forme potenziali di utilizzazione. Risorse a bassa ental- pia sono pertanto quelle con temperatura minore di 90 °C, limite inferiore per produrre elettricità con impian- ti a ciclo binario, risorse a media entalpia quelle con tem- peratura tra 90 e 150 °C e risorse ad alta entalpia quelle con temperatura superiore a 150 °C, limite inferiore per produrre elettricità con impianti convenzionali.
Frequentemente viene fatta una suddivisione tra siste- mi geotermici ad acqua dominante e sistemi geotermici a vapore dominante o a vapore secco (White, 1973). Nei sistemi ad acqua dominante, l’acqua liquida è la fase continua, che controlla la pressione nel serbatoio; può
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fig. 7. Rappresentazione schematica di un sistema geotermico artificiale (Progetto Rocce Calde Secche).
essere presente vapore, in forma di bolle. I sistemi ad acqua dominante, la cui temperatura può andare da meno di 125 a più di 225 °C, sono i più diffusi nel mondo. Essi possono produrre, in funzione della loro tempera- tura e pressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco. Nei sistemi a vapore dominante di solito coesistono nel serbatoio acqua liquida e vapore, che è la fase continua e controlla la pressione. Sono sistemi ad alta tempera- tura e normalmente producono vapore secco o surri- scaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono piut- tosto rari; i più noti sono Larderello in Italia e The Gey- sers in California.
Un’altra suddivisione dei sistemi geotermici, in dina- mici e statici, è basata sullo stato di equilibrio del ser- batoio (Nicholson, 1993), che tiene conto della circo- lazione dei fluidi e dello scambio termico. Nei sistemi dinamici l’acqua ricarica in continuazione il serbatoio, si riscalda ed è poi scaricata in superficie o nel sotto- suolo in formazioni rocciose permeabili. Il calore è tra- smesso al sistema per conduzione e per effetto della circolazione dei fluidi e comprende sistemi ad alta (T150 °C) e a medio-bassa temperatura (T150 °C). Nei sistemi statici la ricarica del serbatoio è molto ridot- ta o nulla e lo scambio termico avviene soltanto per con- duzione; essi comprendono i sistemi a bassa temperatu- ra e quelli geopressurizzati. Questi ultimi possono for- marsi nei grandi bacini sedimentari (per esempio, il Golfo del Messico) a profondità di 3-7 km. I serbatoi geopres- surizati sono formati da rocce sedimentarie permeabili, inglobate entro strati impermeabili a bassa conducibi- lità. Essi contengono acqua calda pressurizzata, che è rimasta intrappolata al momento della deposizione dei sedimenti, la cui pressione è vicina a quella litostatica, superando largamente la pressione idrostatica; possono contenere anche quantità significative di metano. I siste- mi geopressurizzati potrebbero produrre energia termi- ca e idraulica (acqua calda ad alta pressione) e gas meta- no, ma, sino a oggi, ancora non hanno dato luogo a uno sfruttamento industriale.
Rinnovabilità e sostenibilità L’energia geotermica è generalmente definita rinno-
vabile e sostenibile. Il termine rinnovabile si riferisce a una proprietà della sorgente di energia, mentre il termi- ne sostenibile descrive come la risorsa è utilizzata.
La ricarica di energia è il fattore critico della rinno- vabilità di una risorsa geotermica. Quando si sfrutta un sistema geotermico naturale, la ricarica energetica avvie- ne attraverso l’apporto al sistema di fluidi caldi con- temporaneamente (o in tempi comparabili) allo sfrutta- mento. Questo permette di classificare l’energia geoter- mica come risorsa energetica rinnovabile. Nel caso delle rocce calde secche e di certi acquiferi caldi in bacini sedi- mentari (geopressurizzati), la ricarica energetica avviene
solo per conduzione termica; a causa della lentezza di questo processo, le rocce calde secche e alcuni serbatoi sedimentari dovrebbero essere considerati risorse ener- getiche limitate (Stefansson, 2000).
L’uso sostenibile di una risorsa dipende dalla sua quantità iniziale, dalla velocità con cui si rigenera e da quella con cui si consuma. Ovviamente, l’utilizzazione può essere sostenuta per tutto il tempo che si vuole, pur- ché la risorsa si rigeneri a una velocità pari o superiore a quella con cui viene sfruttata. La locuzione «sviluppo sostenibile» è usata 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». In questo quadro, lo sviluppo sostenibile non richiede che tutte le risorse energetiche debbano essere usate in modo completamente sostenibile ma, più semplicemente, che a una data risorsa, che si esaurisce, se ne possa sostitui- re un’altra in grado di far fronte alle necessità delle gene- razioni future. Ne segue che un particolare campo geo- termico non deve necessariamente essere sfruttato in modo sostenibile. I programmi per realizzare la sosteni- bilità dell’energia geotermica dovrebbero tendere a rag- giungere, e poi sostenere, un certo livello di produzio- ne, a scala nazionale o regionale, sia nel settore elettri- co sia in quello dell’uso diretto del calore, per un dato periodo, per esempio 300 anni, mettendo in produzione nuovi sistemi geotermici man mano che altri si esauri- scono (Wright, 1998).
6.4.3 Esplorazione geotermica
I principali obiettivi dell’esplorazione geotermica sono: a) identificare le aree con risorse geotermiche, valutar- ne le dimensioni, determinarne il tipo e localizzare le eventuali zone produttive; b) determinare il contenuto termico dei fluidi presenti nel serbatoio; c) identificare le caratteristiche della risorsa potenzialmente negative per l’ambiente; d ) verificare i parametri che potrebbero creare problemi durante lo sfruttamento. Per raggiunge- re questi obiettivi sono disponibili numerosi metodi e tecnologie, molti dei quali di uso comune e ampiamen- te sperimentati.
Metodi di esplorazione Gli studi geologici e idrogeologici sono il punto di
partenza di ogni programma di esplorazione. Il loro scopo principale è quello di definire con dettaglio la posizione e l’estensione delle aree da investigare e di suggerire i metodi di esplorazione più adatti. Essi hanno una grande importanza per tutte le fasi successive della ricerca geotermica, sino alla localizzazione dei pozzi esplorativi e di produzione. Inoltre forniscono le infor- mazioni di base sia per interpretare i dati forniti dagli
603VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ENERGIA GEOTERMICA
altri metodi di esplorazione, sia per costruire un model- lo realistico del sistema geotermico e valutare il poten- ziale della risorsa.
La prospezione geochimica (che include la geochi- mica isotopica) permette di stabilire se un sistema geo- termico è ad acqua o a vapore dominante, di prevedere la temperatura minima del serbatoio, di determinare le caratteristiche chimiche del fluido profondo e di indivi- duare l’origine dell’acqua di ricarica. Può fornire inol- tre utili informazioni sui problemi che potrebbero veri- ficarsi nella fase di reiniezione e durante l’utilizzazio- ne, come fenomeni di corrosione e incrostazione nei tubi e negli impianti, sull’impatto sull’ambiente e sul modo di evitare o ridurre questi problemi. La prospezione geo- chimica comporta il campionamento e l’analisi chimica e/o isotopica delle acque e delle manifestazioni geoter- miche (sorgenti termali, fumarole, ecc.) che si trovano nell’area in studio (Gandino et al., 1985a; Krauskopf e Bird, 1995).
La prospezione geofisica ha lo scopo di ottenere indi- rettamente, dalla superficie o da intervalli di profondità vicini alla superficie, i parametri fisici delle formazio- ni geologiche profonde. Questi parametri fisici com- prendono la temperatura (prospezione termica), la con- ducibilità elettrica (prospezioni elettrica ed elettroma- gnetica), la velocità di propagazione delle onde elastiche (prospezione sismica), la densità (prospezione gravime- trica) e la suscettibilità magnetica (prospezione magne- tica). Alcuni metodi, come quelli sismici, gravimetrici e magnetici, che sono di uso normale nella ricerca di idro- carburi, possono fornire molte informazioni su forma, dimensioni, profondità e altre importanti caratteristiche delle strutture geologiche profonde potenzialmente rap- presentative di un serbatoio geotermico; tuttavia tali meto- di danno scarse indicazioni sulla presenza di fluidi all’in- terno di queste strutture, che costituiscono l’obiettivo della ricerca geotermica. Informazioni di questo tipo si possono ottenere dalle prospezioni elettriche e magne- totelluriche, che sono tra le più utilizzate nella prospe- zione geotermica. I metodi termici (misure dirette di tem- peratura, determinazione del gradiente geotermico e del flusso di calore terrestre) possono dare con buona appros- simazione la temperatura della parte superiore del ser- batoio geotermico (Gandino et al., 1985b; Zan et al., 1990; Parasnis, 1997).
La perforazione dei pozzi esplorativi è la fase fina- le di ogni programma di esplorazione ed è il solo meto- do che permette di definire con certezza le caratteristi- che di un serbatoio geotermico e di valutarne il poten- ziale. I dati forniti dai sondaggi esplorativi hanno lo scopo di verificare le ipotesi e i modelli elaborati con i risul- tati dell’esplorazione di superficie. Essi inoltre devono confermare che il serbatoio è produttivo e contiene flui- di in quantità adeguata e con caratteristiche adatte all’u- tilizzazione prevista.
6.4.4 Utilizzazione delle risorse geotermiche
La produzione di elettricità è la forma di utilizzazione principale e più importante delle risorse geotermiche ad alta temperatura (150 °C). Le risorse a temperatura medio-bassa (150 °C) sono adatte, oltre che alla genera- zione di elettricità con impianti a ciclo binario, a una mol- teplicità di altri usi, che vanno dal riscaldamento di am- bienti alla refrigerazione, agli usi agricoli, all’acquacol- tura, all’impiego nei processi industriali a caldo (fig. 8).
Produzione di energia elettrica L’energia elettrica è prodotta in impianti convenzio-
nali o a ciclo binario, secondo le caratteristiche delle ri- sorse geotermiche disponibili.
Gli impianti convenzionali richiedono fluidi con una temperatura di almeno 150 °C e sono disponibili nel tipo a contropressione (con scarico diretto nell’atmosfera) e a condensazione.
Gli impianti a contropressione sono più semplici e meno costosi. Il vapore, proveniente direttamente dai pozzi, se questi producono vapore secco, oppure dopo separazione della parte liquida, se i pozzi producono vapore umido, passa attraverso la turbina ed è poi scari- cato nell’atmosfera (fig. 9). Con questo tipo di impianto il consumo di vapore è 15-25 kilogrammi per kilowatto- ra prodotto e, alla stessa pressione di ingresso in turbi- na, è circa il doppio di quello di un impianto a conden- sazione. Gli impianti a contropressione, tuttavia, sono molto utili come impianti pilota, come impianti tempo- ranei collegati a pozzi isolati di portata modesta e per produrre elettricità da pozzi sperimentali durante lo svi- luppo di un campo geotermico. Essi sono utilizzati anche quando il vapore ha un contenuto elevato di gas non con- densabili (15% in peso). Le unità a contropressione possono essere costruite e installate molto rapidamente e messe in servizio 13-14 mesi dopo la data dell’ordine o poco più. Questi impianti sono generalmente di pic- cole dimensioni (2,5-5 MWe).
Le unità a condensazione (fig. 10) richiedono un mag- gior numero di impianti ausiliari (condensatori, com- pressori, torri di refrigerazione), sono più complesse di quelle a contropressione e la loro costruzione e l’instal- lazione, anche per le maggiori dimensioni, richiedono un tempo almeno doppio. Il consumo specifico delle unità a condensazione è, tuttavia, circa la metà di quel- le a contropressione (6-10 kilogrammi di vapore per kilowattora prodotto). Sono molto diffusi impianti a con- densazione della potenza di 55-60 MWe e recentemente sono state costruite e installate anche unità da 110 MWe.
I notevoli progressi realizzati negli ultimi decenni nella tecnologia dei cicli binari hanno reso possibile pro- durre elettricità sfruttando fluidi geotermici a tempera- tura medio-bassa e acque calde di scarico emesse dai
604 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI
separatori nei campi geotermici ad acqua dominante. Gli impianti binari utilizzano un fluido secondario di lavo- ro, di solito organico (come n-pentano), che ha un basso punto di ebollizione e un’elevata pressione di vapore a bassa temperatura rispetto al vapore acqueo. Il fluido secondario lavora in un ciclo Rankine convenzionale: in uno scambiatore di calore il fluido geotermico cede calo- re al fluido secondario che si riscalda e poi vaporizza; il vapore prodotto aziona una normale turbina a flusso assiale collegata a un generatore. Il vapore viene suc- cessivamente raffreddato e torna allo stato liquido, per- mettendo al ciclo di ricominciare (fig. 11). Scegliendo opportunamente il fluido secondario, è possibile costrui- re impianti binari che sfruttano fluidi geotermici con temperature comprese tra 90 e 170 °C. Il limite supe- riore è imposto dalla stabilità termica dei fluidi organici di lavoro, il limite inferiore da fattori tecnico-economici:
605VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ENERGIA GEOTERMICA
acqua pesante con il processo dell’H2S essiccazione di diatomite
va po
re s
at ur
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qu a
allumina con il processo Bayer
essiccazione rapida di prodotti agricoli inscatolamento di prodotti alimentari
evaporazione nella raffinazione dello zucchero estrazione di sali per evaporazione e cristallizzazione
produzione di acqua dolce per distillazione effetti multipli dell’evaporazione, concentrazione di soluzioni saline
essiccazione e stagionatura di pannelli di aggregato cementizio
essiccazione di materiali organici, alghe, erba, verdure, ecc. lavaggio e asciugatura della lana
disidratazione dello stoccafisso operazioni veloci di scongelamento
riscaldamento di ambienti riscaldamento di serre (riscaldamento dell’aria ambiente)
refrigerazione (limite minimo di temperatura)
allevamento di animali riscaldamento di serre (riscaldamento dell’aria e del terreno)
coltivazione di funghi usi balneologici
riscaldamento del terreno
acquacoltura
uso per piscine, processi di biodegradazione e fermentazione acqua tiepida per le attività minerarie durante tutto l’anno nei climi freddi scongelamento
180
°C
170
160
150
140
130
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110
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60
50
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20
30
fig. 8. Diagramma di Lindal, che mostra i possibili usi non elettrici dei fluidi geotermici a diverse temperature (Lindal, 1973).
turbo-alternatore
separatore
acqua
fig. 9. Rappresentazione schematica di un impianto a contropressione per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico.
al di sotto di questa temperatura, gli scambiatori di calo- re dovrebbero avere una dimensione talmente grande da rendere il progetto non economico. Gli impianti binari operano in circuiti chiusi: né i fluidi di lavoro, né i flui- di geotermici vengono a contatto con l’esterno. Essi sono di solito costruiti in unità modulari, di potenza compre- sa tra poche centinaia di kilowatt e alcuni megawatt, che possono essere collegate l’una con l’altra in modo da formare impianti della potenza di qualche decina di megawatt. Il loro costo dipende da numerosi fattori, ma soprattutto dalla temperatura del fluido geotermico dispo- nibile, che determina le dimensioni della turbina, degli scambiatori di calore e del sistema di raffreddamento. La dimensione totale dell’impianto influisce poco sul costo specifico, dal momento che più unità modulari standard possono essere collegate in serie per avere la potenza desiderata (ORMAT, 1989; DiPippo, 2004).
Negli anni Novanta è stato sviluppato un nuovo siste- ma binario, il ciclo Kalina, che utilizza come fluido di lavoro una miscela di acqua e ammoniaca. Durante il ciclo, il fluido di lavoro è fatto espandere, in condizioni
di surriscaldamento, attraverso una turbina ad alta pres- sione e poi riscaldato, prima di essere immesso in una turbina a bassa pressione. Dopo la seconda espansione, il vapore saturo passa attraverso un recuperatore di calo- re e infine condensa in un condensatore raffreddato ad acqua. Gli impianti a ciclo Kalina sembrano avere un rendimento superiore a quello degli impianti binari a flui- do organico ma, rispetto a questi, presentano una mag- giore complessità costruttiva e di funzionamento (DiPip- po, 2004).
Un impianto convenzionale e un impianto binario possono essere accoppiati in una centrale a ciclo com- binato per massimizzare il rendimento complessivo. In un sistema di questo genere il fluido geotermico pro- dotto da un serbatoio ad acqua dominante è inviato a un impianto convenzionale del tipo a flash singolo, dove avviene la separazione tra il vapore, che alimenta la tur- bina dell’impianto, e l’acqua calda, che va allo scam- biatore di calore dell’impianto a ciclo binario prima di essere reiniettata nel serbatoio. Nelle centrali a ciclo ibrido il fluido geotermico a medio-bassa temperatura
606 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
turbo-alternatore torre di raffreddamento
pozzo di reiniezione
pozzo di reiniezione
pozzo di produzione
condensatore
vapore
separatore
acqua
fig. 10. Rappresentazione schematica di un impianto a condensazione per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico; in blu, il circuito di raffreddamento.
turbo-alternatore
pompa di alimentazione
scambiatore di calore
pozzo di reiniezione
pozzo di produzione
condensatore
fig. 11. Rappresentazione schematica di un impianto a ciclo binario per la generazione di elettricità. In rosso, il circuito del fluido geotermico; in verde, il circuito del fluido secondario; in blu, il circuito di raffreddamento.
(150 °C) è utilizzato per preriscaldare, attraverso uno scambiatore di calore, un altro fluido (di solito acqua), che è poi vaporizzato con il calore fornito da combusti- bili fossili o biomasse.
Utilizzazione diretta del calore L’utilizzazione diretta del calore dei fluidi geotermi-
ci è la forma di sfruttamento dell’energia geotermica più antica, più diversificata e più comune. La balneologia, il riscaldamento urbano e di ambienti, gli usi agricoli, l’acquacoltura e alcuni impieghi in processi industriali sono le utilizzazioni meglio conosciute, ma le pompe di calore sono la forma d’uso più diffusa. Oltre queste, vi sono numerose altre applicazioni del calore geotermico, talvolta inusuali, che vanno dal riscaldamento del manto stradale per evitare la formazione di ghiaccio al tratta- mento di tessuti, e così via.
Il riscaldamento di ambienti e il riscaldamento urba- no hanno avuto un grande sviluppo in Islanda, dove nel 2004 sono stati operativi sistemi di riscaldamento geo- termico per una potenza di 1.350 MWt; questa forma d’uso è comunque molto diffusa anche in altri paesi euro- pei, negli Stati Uniti, in Cina, in Giappone, ecc. I siste- mi di riscaldamento sono quelli convenzionali (radiato- ri, pannelli radianti, ecc.). I fluidi caldi geotermici sono usati direttamente, se non contengono sostanze corrosi- ve o incrostanti, oppure riscaldano un fluido secondario attraverso scambiatori di calore. Il riscaldamento geo- termico di quartieri abitativi richiede un investimento di capitali ingente. I costi maggiori sono quelli iniziali dei pozzi di produzione e di reiniezione, quelli degli impian- ti ausiliari, della rete di distribuzione e degli impianti integrativi per i periodi di picco. In confronto ai sistemi convenzionali, però, i costi operativi sono apprezzabil- mente più bassi e derivano dall’energia per il pompag- gio, dalla manutenzione, dal sistema di controllo e dalla direzione tecnica e commerciale. Un fattore critico nel valutare il costo di un sistema di riscaldamento geoter- mico è la densità del carico termico, vale a dire il rap- porto tra la domanda di energia termica e la superficie servita dal sistema. Un’elevata densità del carico termi- co favorisce la fattibilità economica di un progetto di riscaldamento, perché la rete di distribuzione è costosa. In regioni dove il clima lo permette, sono realizzabili vantaggi economici combinando i sistemi di riscalda- mento e raffreddamento degli ambienti. Il fattore di cari- co di un sistema geotermico combinato riscaldamen- to/raffreddamento è più alto del fattore di carico di un sistema di solo riscaldamento e, di conseguenza, il prez- zo unitario dell’energia diminuisce (Gudmundsson, 1988).
Il raffreddamento di ambienti è realizzabile quando impianti ad assorbimento possono essere adattati al fun- zionamento con i fluidi geotermici disponibili local- mente. Questi impianti dispongono di una tecnologia ben collaudata e sono reperibili sul mercato senza difficoltà.
Essi funzionano seguendo un ciclo che sfrutta il calore invece dell’elettricità come sorgente di energia. Il raf- freddamento è ottenuto utilizzando due fluidi: un refri- gerante, che circola, evapora (assorbendo calore) e con- densa (cedendo calore), e un fluido secondario o assor- bente. Per usi a temperatura superiore a 0 °C (soprattutto condizionamento di ambienti e processi industriali), il ciclo utilizza bromuro di litio come assorbente e acqua come refrigerante. Per usi a temperatura inferiore a 0 °C, si adotta un ciclo con l’ammoniaca come refrigerante e l’acqua come assorbente. I fluidi geotermici possono for- nire l’energia termica necessaria al funzionamento di questi impianti, il cui rendimento, però, diminuisce con temperature dei fluidi inferiori a 105 °C.
Il condizionamento di ambienti (riscaldamento e raf- freddamento) con l’energia geotermica si è diffuso note- volmente a partire dagli anni Ottanta, a seguito dell’in- troduzione nel mercato e della diffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di calore disponibi- li permettono di estrarre e utilizzare economicamente l’energia termica contenuta in corpi a bassa temperatu- ra, come terreno, acquiferi poco profondi, masse d’ac- qua superficiali, ecc. (Sanner et al., 2003; fig. 12). Siste- mi con pompe di calore connesse al suolo o a masse d’ac- qua con temperatura compresa tra 5 e 30 °C sono attualmente presenti in 33 paesi e, nel 2005, la potenza termica totale installata era di 15.384 MWt.
607VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ENERGIA GEOTERMICA
pompa di calore
fig. 12. Esempio di sistema di riscaldamento domestico con pompa di calore connessa al terreno (Sanner et al., 2003).
Gli usi agricoli dei fluidi geotermici riguardano soprattutto il controllo della temperatura di crescita delle piante e comprendono le coltivazioni a cielo aper- to e il riscaldamento di serre. L’acqua geotermica può essere usata nelle coltivazioni a cielo aperto per irri- gare, in assenza di elementi chimici dannosi per le pian- te, e/o riscaldare il terreno mediante circolazione di acqua calda in condutture interrate. Nelle coltivazioni a cielo aperto, il controllo della temperatura può con- sentire di prevenire i danni derivanti dalle basse tem- perature ambientali, di estendere la stagione di colti- vazione, di aumentare la crescita delle piante incre- mentando la produzione e di sterilizzare il terreno (Barbier e Fanelli, 1977).
L’utilizzazione più comune dell’energia geotermi- ca in agricoltura è, comunque, il riscaldamento di serre, che è stato sviluppato su larga scala in molti paesi. La coltivazione di fiori e ortaggi fuori stagione o in climi diversi da quelli originari può essere realizzata con una vasta gamma di tecnologie. Sono disponibili molte soluzioni per avere ottime condizioni di crescita, basa- te sulla miglior temperatura di sviluppo di ciascuna pianta, sulla quantità di luce, sulla concentrazione di CO2 nell’ambiente della serra, sull’umidità del terre- no e dell’aria, sul movimento dell’aria. Il manteni- mento della temperatura ottimale nella serra si ottie- ne controllando la dispersione del calore verso l’e- sterno e riscaldando l’interno. Per il riscaldamento vi sono sistemi a circolazione forzata d’aria con scam- biatori di calore e a circolazione d’acqua calda in varie combinazioni. L’uso dell’energia geotermica per il riscaldamento può ridurre significativamente i costi operativi, che in alcuni casi rappresentano il 35% del
costo dei prodotti (verdure, fiori, piante da apparta- mento, piantine da sviluppo).
La qualità e la quantità di alcuni animali da fattoria e alcune specie acquatiche, così come per i vegetali, pos- sono migliorare se sono cresciuti in ambienti a tempe- ratura controllata (fig. 13). In molti casi le acque geo- termiche possono essere sfruttate convenientemente combinando l’allevamento di animali con il riscalda- mento di serre. Poiché l’energia richiesta per riscaldare un impianto di allevamento è pari a circa il 50% di quel- la necessaria a una serra della stessa superficie, è pos- sibile costruire un sistema a cascata nel quale i fluidi geotermici, dopo aver ceduto parte del loro calore alla serra, rilasciano il calore restante a una struttura adia- cente dedicata all’allevamento. L’allevamento a tempe- ratura controllata migliora le condizioni sanitarie degli animali; inoltre, i fluidi caldi possono essere utilizzati per pulire, sterilizzare e deumidificare gli ambienti e per trattare i rifiuti.
L’acquacoltura, vale a dire l’allevamento controlla- to di forme di vita acquatiche, si è diffusa a livello mon- diale in seguito al notevole ampliamento del mercato ittico. Il controllo della temperatura di crescita per le specie acquatiche è molto più importante che per quel- le terrestri (v. ancora fig. 13): mantenendo artificial- mente una temperatura ottimale, è possibile allevare specie esotiche, aumentare la produzione e, in qualche caso, raddoppiare il ciclo riproduttivo. Le specie alle- vate più diffusamente sono: anguilla, branzino, carpa, muggine, pesce gatto, salmone, storione, tilapia, arago- sta, gambero, granchio, mitilo e ostrica. L’acquacoltura include anche l’allevamento di rettili (alligatori e cocco- drilli), sia come attrazione turistica, sia per il pellame.
608 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
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pollame (aumento di peso)
maiali (aumento di peso)
latte di mucca (produzione)
galline da uova (produzione) fig. 13. Effetti della variazione di temperatura sulla crescita e la produzione animale (Beall e Samuels, 1971).
Un alligatore allevato a una temperatura costante intor- no a 30 °C raggiunge una lunghezza di circa 2 m in tre anni, contro 1,2 m in condizioni naturali. L’allevamento delle specie acquatiche generalmente richiede una tem- peratura compresa tra 20 e 30 °C. Le dimensioni degli impianti sono condizionate dalla temperatura della risor- sa geotermica disponibile, dalla temperatura che deve essere mantenuta nella vasca di allevamento e dalle per- dite di calore di quest’ultima.
Tutto l’intervallo di temperatura dei fluidi geotermi- ci, vapore o acqua, può essere sfruttato in processi indu- striali. Le diverse possibili forme di utilizzazione com- prendono trattamenti a caldo, evaporazione, essiccamento, distillazione, sterilizzazione, lavaggio, decongelamento ed estrazione di sostanze chimiche (v. ancora fig. 8).
Tra le applicazioni dirette dell’energia geotermica sono generalmente compresi gli usi balneologici, vale a dire lo sfruttamento delle acque calde in stabilimenti ter- mali e piscine, ampiamente diffuso nel mondo.
6.4.5 Effetti ambientali
L’entità degli effetti sull’ambiente prodotti dallo sfrutta- mento dell’energia geotermica dipende dalla tipologia dell’utilizzazione (Brown e Webster-Brown, 2003). L’uso diretto del calore (usi non elettrici) causa generalmente un impatto ambientale modesto (tab. 2). La produzione di elettricità con impianti a ciclo binario produce effetti
simili a quelli degli usi diretti. L’impatto sull’ambiente è potenzialmente maggiore nel caso di centrali elettri- che convenzionali, specialmente per ciò che riguarda la qualità dell’aria, ma può essere, in ogni caso, mantenu- to entro limiti tollerabili.
Il primo effetto avvertibile sull’ambiente è quello prodotto dalle operazioni di perforazione dei pozzi d’e- splorazione e di produzione, che possono modificare la morfologia dell’area e disturbare l’ecosistema; inoltre l’improvvisa fuoriuscita di fluidi (liquidi o gassosi) può inquinare per breve tempo le acque superficiali e l’at- mosfera circostanti. L’installazione delle tubazioni per il trasporto dei fluidi geotermici e la costruzione degli impianti di utilizzazione, che costituiscono la fase di sviluppo successiva alla perforazione, sono anch’esse operazioni che possono avere un impatto sulla vita ani- male e vegetale e sugli aspetti paesaggistici. L’emis- sione in atmosfera di fluidi geotermici da impianti indu- striali può avere un impatto ambientale in quanto pos- sono contenere principalmente biossido di carbonio (CO2), solfuro di idrogeno (H2S), ammoniaca (NH3), metano (CH4) e sostanze chimiche disciolte le cui con- centrazioni aumentano con la temperatura. L’emissio- ne di acque di scarico è un’altra fonte potenziale di inquinamento. Tali acque, potendo contenere sostanze chimiche disciolte, come cloruro di sodio (NaCl), boro (B), fluoruri, arsenico (Ar) e mercurio (Hg), sono pos- sibile causa di inquinamento se disperse. Pertanto devo- no essere o trattate o reiniettate nel serbatoio (o entram- be le cose). Alcuni fluidi geotermici, come quelli uti- lizzati in Islanda per il riscaldamento, sono privi di inquinanti chimici, ma si tratta di casi molto rari. Le acque di scarico degli impianti geotermici hanno, inol- tre, una temperatura generalmente superiore a quella dell’ambiente circostante e costituiscono potenziali inquinanti termici.
L’inquinamento atmosferico può essere un problema quando si produce elettricità con impianti convenziona- li, a causa dei gas (H2S, CO2 e altri) che possono essere presenti, in quantità variabile, nei fluidi geotermici. Si possono adottare, in ogni caso, sistemi efficaci per ridur- re l’emissione di questi gas. La quantità di biossido di carbonio rilasciata dagli impianti geotermici è, comun- que, inferiore a quella emessa dagli impianti alimentati da combustibili fossili: 13-380 g/kWh di elettricità pro- dotta nelle centrali geotermiche, in confronto con 1.042 g/kWh nelle centrali a carbone, 906 g/kWh nelle cen- trali a olio combustibile e 453 g/kWh nelle centrali a gas naturale (Fridleifsson, 2001).
L’estrazione di grandi quantità di fluido dal serbatoio geotermico può in alcuni casi generare fenomeni di sub- sidenza, vale a dire il graduale abbassamento della super- ficie del suolo. Questo fenomeno può essere prevenuto o ridotto attraverso processi di reiniezione dei fluidi di scarico nel serbatoio geotermico.
609VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ENERGIA GEOTERMICA
tab. 2. Potenziale impatto sull’ambiente degli usi diretti dell’energia geotermica (Lunis e Breckenridge,
1991). B, basso; M, moderato; E, elevato
Impatto Probabilità Intensità
Danni all’ambiente culturale o archeologico
B-M M-E
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Mario Fanelli Piero Manetti
Mary Hana Dickson Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Geoscienze e Georisorse
Pisa, Italia
610 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI