LE SCIENZESCIENTIFICAMERICAN

Ottobre 1968 n.2 Anno I

L'energia geotermica

Da sessant'anni l'Italia produce elettricità utilizzandoil calore proveniente dall'interno della Terra. Neldopoguerra molti paesi hanno seguito il suo esempio.

di Giancarlo Facca

I

l sottosuolo è più caldo della super-ficie terrestre e in alcune zone èpiù caldo del normale: i vulcani, i

geyser, le sorgenti di acqua calda emolti altri fenomeni sono l'espressionesuperficiale di questo calore profondo.Questa forma di energia può esseresfruttata a scopi pratici, per produrreelettricità o per altri usi; come vedre-mo meglio in seguito, si utilizzano ifluidi caldi (vapore naturale o acqua)che si ottengono perforando pozzi aprofondità relativamente modeste. Mol-ti governi e società industriali stannooggi interessandosi attivamente a que-sto problema.

Il primo campo geotermico sfruttatoindustrialmente si trova in Italia, in To-scana, ove — nella zona di Larderello —sono stati perforati numerosi pozzi percaptare vapore che viene utilizzato perla produzione di energia elettrica. Lapotenza installata sfiora i 400 000 kWe la produzione i 3 miliardi di kWh an-nui. L'area perforata si estende percirca 200 chilometri quadrati, la pro-fondità dei pozzi in produzione variada 500 a 1206 metri.

Oltre a essere stato il primo impian-to industriale in senso assoluto (l'ideadi sfruttare l'energia geotermica è do-vuta al principe Piero Ginori Conti,che nel 1904 fece funzionare una pri-mitiva macchina elettrica alimentando-la col vapore naturale) l'impianto diLarderello detiene anche il primato perla produzione e la potenza installata.Recentemente il campo geotermico di

Larderello è stato affiancato da altriquattro campi nella zona del monteAmiata, un vulcano di età quaternariache si trova circa 50 chilometri a suddi Larderello. La produzione di questiquattro campi — Bagnore, Senna, Pian-castagnaio e Poggio Nibbio — è per ilmomento di scarsa importanza, ma essirivestono grande interesse per la ricer-ca geotermica, in quanto dimostranoche un campo geotermico con produ-zione industriale può esistere anche inuna zona con deboli manifestazioni su-perficiali (in questa regione si conosco-no soltanto alcune sorgenti termali dipiccola portata, con acqua a 40-60 °C).Inoltre almeno due di questi campi fu-rono scoperti in seguito a studi recenti,su cui torneremo più avanti.

Altri campi geotermici sono attual-mente in produzione nel mondo : inNuova Zelanda, Stati Uniti, Islanda,Unione Sovietica, Messico, Giappone.Nel corso del 1968 altri due paesi si so-no rivelati produttivi : la Turchia e ElSalvador. Gli impianti sono in generaledi scarsa entità, ma dovunque sono allostudio imponenti programmi di svilup-po. Inoltre, numerosi paesi comincianosolo ora a interessarsi alle possibilitàgeotermiche del proprio territorio. Leregioni più avanzate nel campo dellaricerca e dello sfruttamento dell'energiageotermica sono attualmente, oltrel'Italia, la Nuova Zelanda e la Califor-nia. Le grandi compagnie petrolifere echimiche sono molto attive in Califor-nia, e probabilmente questa regione

passerà ben presto al primo posto nellaproduzione di energia geoelettrica.

Il calore terrestre

In questo articolo mi propongo dispiegare i fatti e le teorie geologicheche riguardano l'energia geotermica edi accennare alle sue possibilità di im-piego industriale. E necessario parlareprima di tutto del calore terrestre, unargomento che ha polarizzato sistema-ticamente l'attività degli scienziati sol-tanto negli ultimi anni, ma che si rive-la ogni giorno di più un elemento es-senziale per la comprensione dei gran-di fenomeni geologici. L'esistenza delcalore terrestre è dimostrata da due fat-ti principali : l'aumento di temperatu-ra, che si riscontra man mano che siprocede verso l'interno della Terra, ele attività vulcaniche e postvulcaniche(fumarole, geyser, sorgenti calde) chesono l'estrema espressione superficialedel calore terrestre. Analizziamo sepa-ratamente questi due fatti.

Vari fattori regolano l'andamentodella temperatura nel sottosuolo. Finoa pochi metri di profondità si avverto-no le variazioni di temperatura dell'at-mosfera nelle varie ore del giorno; aprofondità maggiore, fino a circa tren-ta metri, la temperatura varia invececon le stagioni. Verso i trenta metri,quasi dovunque le misure danno tem-perature corrispondenti a quella mediaannua dell'atmosfera nel punto consi-derato. A profondità ancora maggiorila temperatura aumenta : facendo una

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Larderello è il campo geotermico più grande del mondo. La potenza installata è di350 MW e gli impianti lavorano con una regolarità eccezionale: essi sono in produzioneper più di 8500 ore l'anno. I pozzi di Larderello producono vapore surriscaldato cheviene convogliato alle centrali in collettori d'acciaio di grande diametro e fortementeisolati, piegati in vario modo per evitare rotture dovute a dilatazione termica. La tem-peratura del vapore varia da 145 a 240 °C, la pressione in centrale da 4 a 11 atmosfere.

media di tutte le temperature rilevatenei pozzi profondi, si trova che la tem-peratura aumenta di un grado centigra-do ogni trenta metri. Il gradiente geo-termico (ossia l'aumento di temperatu-ra con la profondità, espresso in gradicentigradi per cento metri) è quindi inmedia uguale a 3,3 °C ogni 100 metri.

Bisogna rilevare che nella realtà èraro riscontrare questo gradiente me-dio: esistono infatti zone fredde in cuila temperatura aumenta di appena mez-zo grado ogni cento metri, e zone cal-de dove la temperatura aumenta an-che di trenta gradi ogni cento metri.Inoltre, sarebbe errato pensare che, perun dato luogo, la temperatura manten-ga lo stesso gradiente lungo la verti-cale per qualsiasi profondità. Ad esem-pio, si può avere un gradiente di 30 °Cogni 100 m tra la profondità di 100 e300 m, mentre a profondità maggiorila temperatura resta pressoché costan-te anche per molte centinaia di metri.Le variazioni del gradiente con la pro-fondità sono dovute principalmente adue fattori: la conduttività termica del-le rocce, che cambia da roccia a roc-cia, e le condizioni termiche dei fluidicontenuti nelle rocce. Vedremo in se-guito come questi due fattori chiave ab-biano un'importanza fondamentale nel-la ricerca geotermica.

I pozzi più profondi sono penetratinella crosta terrestre fino a circa 9000metri di profondità; in tal modo si èpotuto stabilire che fino a questa pro-fondità la temperatura aumenta, siapure in modo irregolare. Non si devecredere però che questo aumento con-tinui fino al centro della Terra. Consi-derazioni teoriche di vario tipo e osser-vazioni geofisiche fanno pensare che latemperatura aumenti con la profonditàfino a raggiungere i 2500 °C, restandopoi pressoché stazionaria. Per dare unaidea degli ordini di grandezza, ricordia-mo che le temperature delle lave fusesi aggirano sui 1000-1200 °C nei vul-cani in eruzione, mentre nelle intrusio-ni si può avere magma parzialmentefuso a partire da 640 °C circa.

Si conoscono zone ad alta termalità(cioè con elevato gradiente geotermico)anche in aree prive di attività vulcani-ca attiva o recente. Per esempio, nellevicinanze di Larderello, non si è avutaattività vulcanica negli ultimi milionidi anni. Larderello si trova però al-l'estremità settentrionale di una grande

regione vulcanica che si estende lungola costa del mar Tirreno per alcunecentinaia di chilometri, dalla Toscanaal Lazio e alla Campania, dove sorgeil Vesuvio, un vulcano ancora attivo.

Per quanto sappiamo finora, le zonead alta termalità si trovano soltantonelle regioni di vulcanismo attuale orecente, cioè di età miocenica, plioce-nica o quaternaria. Tali zone sono chia-mate province geotermiche e sono learee favorevoli per la ricerca geotermi-

ca, come i bacini sedimentari lo sonoper la ricerca petrolifera. Questa nozio-ne va sottolineata : potenzialmente,ogni provincia geotermica, cioè ogniregione con attività vulcanica recente oattuale, deve essere presa in considera-zione per lo sfruttamento dell'energiageotermica. Non si deve credere peròche ogni vulcano possa dare un campogeotermico. Un campo geotermico puòesistere soltanto dove si realizzano lecondizioni geologiche favorevoli per lasua esistenza. Una di queste condizio-ni è la presenza di una massa di mag-ma a profondità non troppo grande:questo stock magmatico è infatti lasorgente di calore di un campo geoter-mico. Per quanto se ne sa attualmen-te, questa è una delle condizioni neces-sarie: essa, però, non è sufficiente.

Anche le Nazioni Unite, oltre a governi e compagnie private, stanno attualmente interes-sandosi all'energia geotermica. In Turchia, El Salvador e Cile sono in corso vasti pro-grammi di ricerca finanziati dall'ONU, che hanno già conseguito risultati favorevoli neiprimi due paesi. A sinistra: il primo pozzo perforato in Turchia, denominato Kizilde-re 1° »; ha una profondità di 430 metri, e produce 100 tonnellate di vapore e 100 ton-nellate di acqua ogni ora. Questo pozzo, entrato in produzione il 12 maggio 1968, si tro-va nella valle del Meandro, nell'Anatolia occidentale, a est dell'antica città di Smirne.

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POZZI PRODUTTIVI

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INTRUSIOI NE MAGMATIbn

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Secondo la teoria juvenile (Lotti), che costituisce il primo esem-pio di teoria geologica valida ' sui campi di vapore, in uncampo geotermico il vapore magmatico sale dall'intrusione mag-

matica lungo le fratture delle rocce di copertura, o faglie, indi-cate in colore. I pozzi che incontrano una faglia sarebbero per-ciò produttivi, quelli che non ne incontrano sarebbero sterili.

POZZO STERILE

COPERTURA

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1000

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500-

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COPERTURA

PRESSIONE 70 ATM

ACQUIFERO

L'esplorazione geoterinica

L'esplorazione geotermica ha avutonegli ultimi anni uno sviluppo straor-dinario, a cui hanno concorso nume-rosi fattori di estrema importanza. Amio parere, il fattore che maggiormen-te ha influito in questo processo di svi-luppo è stato il progresso tecnologiconel campo dell'esplorazione geotermica,grazie al quale i rischi della ricercasono stati ridotti in modo considerevo-le, mentre sono aumentate parallela-mente le probabilità di successo.

Fino a pochi anni fa, la ricerca geo-termica era essenzialmente guidata da-gli indizi di superficie : si perforavapresso una sorgente calda nella spe-ranza, molte volte infondata, di trova-re vapore naturale in profondità. Oggisi procede invece in base a concettigeologici ben precisi, utilizzando meto-di geologici, geochimici e geofisici attiad accertare le condizioni necessarieper l'esistenza di un campo di impor-tanza industriale.

Per chi conosce i problemi della ri-cerca petrolifera, si può fare un paral-lelo tra la storia dell'esplorazione pe-trolifera e quella dell'esplorazione geo-termica. Nella prima, la formulazionedella teoria dell'anticlinale (cioè la sco-

perta che il petrolio si accumula nellazona più alta delle rocce porose e per-meabili protette verso l'alto da rocceimpermeabili che impediscono la di-spersione del petrolio) e l'introduzionedei metodi geofisici di ricerca hanno ri-dotto il rischio minerario a un livellomolto basso. Questi fattori hanno por-tato a una superproduzione mondialedi petrolio, che si è verificata malgradol'aumento spettacolare dei consumi.Prima della formulazione della teoriadell'anticlinale, anche nella ricerca pe-trolifera si perforava quasi esclusiva-mente in prossimità degli indizi super-ficiali, che ormai da tempo sono consi-derati dai geologi del petrolio soltantopreziose indicazioni di valore regionale,in prossimità delle quali ben difficil-mente si procede oggi a perforazioni.

Nel campo della ricerca geotermica,la formulazione della teoria delle cor-renti di convezione è stata altrettantorivoluzionaria. Le sorgenti calde e glialtri indizi di ipertermalità hanno an-cora un valore decisivo, ma da solinon sono sufficienti a indicare dove unpozzo di ricerca debba essere perfora-to. Prima di esporre come si è giuntialla formulazione di questa teoria, ènecessaria una breve premessa di ca-rattere storico:

La teoria di Lotti è nota come teo-ria juvenile o magmatica (si dice juve-nile l'acqua proveniente direttamentedal magma), appunto perché postulaper il vapore un'origine magmatica. Perquasi cinquant'anni è stata l'unica teo-ria geologica sull'origine del vapore delcampo geotermico di Larderello, e co-stituí anche il punto di partenza per glistudiosi stranieri che si interessaronoall'esplorazione geotermica. La validitàdi questa teoria cominciò a essere mes-sa in dubbio soltanto dopo la fine dellaseconda guerra mondiale, al termine diuna serie di importanti ricerche teori-che e sperimentali.

I primi dubbi furono avanzati daigeochimici : Victor M. Goldschmidt,uno dei creatori della geochimica mo-derna, dimostrava che l'acido borico eil fluoro dei prodotti « esalativi » o« teletermali » potevano avere un'origi-ne differente da quella magmatica.Franco Tonani ottenne altri importan-ti dati in una serie di studi sul boro del-le sorgenti calde della Toscana e dellefumarole dei vulcani dell'Italia meridio-nale. Il geologo francese J. Goguelpubblicava, nel 1953, un importantelavoro sul regime termico delle acquesotterranee, nel quale sosteneva dueprincipi fondamentali : 1) un plutonegranitico profondo in via di raffredda-mento può riscaldare fino all'ebollizio-ne l'acqua di origine meteorica conte-nuta nelle rocce soprastanti; non si puòescludere l'origine magmatica di unapiccola percentuale dell'acqua, ma cer-tamente la sorgente essenziale del va-pore è rappresentata dall'acqua super-ficiale; 2) un plutone granitico in via diraffreddamento, a 5000 m di profon-dità, può originare correnti di conve-zione nell'acqua contenuta in una roc-cia permeabile soprastante; queste cor-renti di convezione possono originarsinei 3000 metri superficiali, quando ilgradiente geotermico è superiore a 1 'Cogni 8 metri.

Le idee di Goldschmidt, Tonani eGoguel sull'origine meteorica delle ac-que dei campi geotermici furono con-fermate nel 1956 da H. Craig, G. Boa-to e D.E. White, mediante lo studiodella composizione isotopica delle ac-que termali. Essi dimostrarono che al-meno il 90-95 % delle acque termaliera di origine meteorica. Questi studifurono ripetuti in seguito con gli stes-si risultati, e alle stesse conclusioni ègiunto anche Tonani studiando nuova-mente la geochimica delle altre sostan-ze contenute nelle acque termali.

Queste conclusioni sono ormai daconsiderarsi definitive. La loro impor-tanza è enorme sia dal punto di vistadell'esplorazione che da quello dellosfruttamento geotermico, in quanto

POZZO PRODUTTIVO

TEMPERATURA (CC)

Schema geologico di campo geotermico (Facca-Tonani). Il calore, proveniente da un'in-trusione magmatica. giunge per conduzione all'acquifero, dove si generano correnticonvettive (frecce in colore). Il gradiente ha l'andamento mostrato dalla linea (con-tinua e a tratti) in colore: quasi verticale nell'acquifero, inclinato nella copertura.

POZZI PRODUTTIVI

Pressione e temperatura dell'acqua in un campo geotermico schematico. Nell'acqui-fero la temperatura dell'acqua è pressoché costante, ma la pressione è maggiore nelpunto B: l'acqua in B è perciò al di sotto del punto di ebollizione, in A è circa atale punto. Un pozzo che raggiunga A può produrre vapore surriscaldato, mentre daun pozzo che raggiunga B è piú probabile ottenere vapore saturo o acqua calda.

La prima teoria geologica: l'originemagmatica del vapore

La prima ipotesi geologica valida suicampi di vapore è stata formulata daun grande geologo italiano, BernardinoLotti, ai principi del secolo. Allora siconosceva soltanto il campo geotermi-co di Larderello, che a quel tempo ve-niva sfruttato soltanto per la produzio-ne di acido borico, mentre lo sfrutta-mento del vapore come sorgente dienergia era ancora in fase sperimenta-le. Il principale problema geologico cheLotti si proponeva di risolvere era l'ori-gine dell'acido borico. Che i gas vulca-nici contenessero acido borico era no-to; si sapeva anche che un magma gra-nitico può contenere una certa quanti-tà d'acqua, che si libera nel processodi raffreddamento e cristallizzazione delplutone (che è la massa intrusiva origi-natasi per consolidamento, al di sottodella superficie terrestre, di un magmafuso). Perciò Lotti giunse alla conclu-sione che il vapore ricco di boro diLarderello proveniva da un'intrusionemagmatica profonda, e che arrivava insuperficie grazie a grandi fratture (fa-glie) che giungevano fino alla massa in-trusa in corso di raffreddamento (siveda la figura qui sotto).

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Veduta dal promettente campo geotermico di The Geysers, inCalifornia. I pozzi sono stati in produzione all'aria libera permolti mesi senza che fosse riscontrata alcuna diminuzione ap-

prezzabile della quantità di vapore prodotta. I pozzi miglioripossono produrre fino a 100 tonnellate di vapore surriscaldatol'ora a una temperatura di 250°C e una pressione di 6 atmosfere.

ACQUIFERO

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COPERTURA

ACQUIFERO PROFONDO

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ACQUIFERO SUPERFICIALE

cambiano completamente la prospetti-va della ricerca. Se il vapore fosse diorigine magmatica, infatti, vi sarebbe-ro due conseguenze fondamentali: inprimo luogo, l'obiettivo principale del-l'esplorazione geotermica dovrebbe es-sere quello di raggiungere mediantepozzi i canali di alimentazione, cioè levie attraverso cui il vapore magmaticosale verso l'alto: ciò vorrebbe dire chei rilievi geologici e geofisici dovrebbe-ro tendere soprattutto all'individuazio-ne delle fratture e delle faglie che rag-giungono il magma profondo. In secon-do luogo, poiché è noto che un magmagranitico può contenere in soluzione il5-10 % in peso di acqua (il che è suf-ficiente per assicurare una lunghissimaproduzione di vapore con volumi dimagma dell'ordine di quelli noti per lecomuni intrusioni granitiche) non ci sa-rebbe ragione di preoccuparsi delle con-dizioni idrologiche superficiali.

Nell'ipotesi invece dell'origine me-teorica dell'acqua, bisogna tener contodel bilancio idraulico e termico di uncampo geotermico. L'acqua prodottadai pozzi deve infatti venire sostituitada altra acqua meteorica infiltratasinel sottosuolo, anche in zone molto di-stanti dal campo e, inoltre, è necessa-rio che questa acqua venga riscaldataper conduzione dalle rocce che essa at-traversa muovendosi nel sottosuolo.L'accertamento dell'origine meteoricadei fluidi geotermici ha portato, ad

esempio, a superare la diffusa creden-za che il campo di Larderello nonavrebbe potuto aumentare ulteriormen-te la sua produzione anche con nuoveperforazioni, perché ormai i pozzi pro-ducevano tutto il vapore che arrìvavadalla roccia-serbatoio del magma attra-verso le faglie alimentatrici. Natural-mente, ogni campo geotermico ha ilsuo limite di produzione; questo limitepuò essere stabilito, ma i criteri validisono altri : la possibilità di ricarica diacqua meteorica e la possibilità di ri-scaldamento dell'acqua, per un datoflusso di calore del campo, in un certoperiodo di tempo.

La teoria meteorica e le sue conse-guenze

Pur essendo nell'aria già da diversotempo, la teoria meteorica trovò la suaaffermazione completa soltanto nel1961, nel corso di una conferenza sul-le nuove sorgenti di energia (di cui unasezione era dedicata all'energia geoter-mica) organizzata a Roma dalle Na-zioni Unite nel 1961. Questa conferen-za offri agli studiosi, ai tecnici e aglieconomisti di tutto il mondo l'occasio-ne migliore per esporre i risultati ot-tenuti da ciascuno e per discutere leteorie e le tecnologie geotermiche.

La conferenza di Roma ha segnatouna svolta decisiva nella storia dellaenergia geotermica. Uno dei risultatifondamentali fu la descrizione scienti-

ficamente soddisfacente dei campi geo-termici in produzione nel mondo, euna visione generale delle grandi pos-sibilità geotermiche di vaste aree delglobo. Economisti e politici appreserocosí che l'energia geotermica offrivapossibilità economiche insospettate gra-zie al basso costo di produzione.

Inoltre, la quasi totalità degli inter-venuti riconobbe che la teoria dell'ori-gine magmatica del vapore surriscal-dato doveva essere abbandonata in fa-vore della teoria dell'origine meteorica.

Infine, si riconobbe che i campi geo-termici possono trovarsi anche in zoneprive di sorgenti calde o di altre ma-nifestazioni superficiali di calore, comeè dimostrato dai campi del monteAmiata, allora da poco scoperti.

Nella conferenza di Roma fu pre-sentato dall'autore di questo articolo eda F. Tonani uno schema di campogeotermico. Secondo il nostro schema,un campo geotermico risulta costituitofondamentalmente da tre elementi :

1) una sorgente di calore, cioè undeposito profondo di magma;

2) un acquifero, cioè una serie dirocce permeabili;

3) una copertura, cioè una serie dirocce impermeabili.

La sorgente di calore riscalda perconduzione l'acqua meteorica che sitrova nell'acquifero. Se il calore che

giunge all'acquifero dalla sorgente èabbastanza elevato (ad esempio dieci oventi volte più del normale) e se la per-meabilità delle rocce è grande, l'acquacontenuta nell'acquifero si muove perconvezione. Il sistema convettivo checosí si stabilisce tende a rendere la tem-peratura dell'acqua uniforme in tuttolo spessore dell'acquifero. Anche laroccia dell'acquifero si riscalda, e lasua temperatura diventa uguale a quelladell'acqua. Ciò significa che il gradientedi temperatura nell'acquifero è piccolo,come risulta dalla figura in alto a pa-gina 11, dove la linea della temperaturanell'acquifero è quasi verticale.

Al di sopra dell'acquifero vi è una se-rie impermeabile di copertura; al suointerno, quindi, il calore si trasmetteper conduzione. Il gradiente pertantoè più elevato di quanto non sia nell'ac-quifero sottostante. Nella condizioneideale di rocce termicamente uniformi(caso che non si verifica mai in natura)il gradiente diverrebbe una retta.

Per fissare meglio le idee, facciamoun esempio numerico. Consideriamoun campo geotermico che produca va-pore da uno strato poroso alla profon-dità di 500 m. La temperatura dellostrato produttivo sia di 263 °C, e latemperatura media annuale alla super-ficie di 13 °C; questa temperatura sia,come di solito avviene, quella della roc-cia a 30 m di profondità. Poiché latemperatura alla profondità di 30 m èdi 13 °C e a 500 m di 263°C, la diffe-renza, in 500 m, è di 250 °C. La tem-peratura cresce dunque di un gradoogni due metri, e il gradiente geoter-mico è quindi di 5 °C ogni 10 m, men-tre il gradiente normale è, come si ri-corderà, di 0,3 °C ogni 10 m. Gradien-ti di quest'ordine non sono inventati.ma sono stati misurati nei campi cheproducono vapore surriscaldato.

Oltre alla temperatura, bisogna pren-dere in considerazione anche la pres-sione. Nel nostro modello di campo, lostrato produttivo si trova al di sotto diuna serie di copertura, per cui l'acquain esso contenuta è normalmente allapressione idraulica, cioè la sua pressio-ne aumenta di circa un'atmosfera ogni10 metri di profondità. Riprendendol'esempio precedente, se l'acquifero sitrova a 500 m, i fluidi in esso conte-nuti avranno una pressione di 50 atmo-sfere. In queste condizioni, l'acqua bol-le a circa 263 °C, per cui non può esi-stere allo stato liquido al di sopra diquesta temperatura.

Noi ammettiamo che l'acqua sia ori-ginariamente in fase liquida nello stra-to produttivo dei campi di vapore co-nosciuti. Lo sfruttamento del vapore

Schema geologico di un campo geotermico senza copertura. Le frecce in colore indi.rano le correnti di convezione nell'acquifero, che affiora largamente in superficie. Poi-ché la temperatura di ebollizione alla pressione atmosferica è 100 °C, la temperaturain qualunque punto del sistema convettivo non può superare di molto questo valore.

SORGENTE CALDA SALATA

POZZO PRODUTTIVO

Rappresentazione schematica di un campo geotermico con due acquiferi. La presenzadi sorgenti calde salate è in genere un indizio negativo per l'esistenza di un campo divapore, che può invece rinvenirsi al di sotto di un secondo strato di rocce di copertura.

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SORGENTE DI FUGA

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Schema di campo geotermico detto di fuga (leakage manifestation). La faglia (in co-lore) collega l'acquifero con la superficie, agendo come una perforazione artificiale.

Piccola sorgente superficiale con acqua al di sotto del punto di ebollizione nella zonadel monte Amiata. L'importanza di questa zona, nella quale la potenza installata è dicirca 25 MW, è che essa ha dimostrato la possibilità di sfruttamento industriale diregioni con deboli o addirittura inesistenti manifestazioni superficiali. Due dei quattrocampi della zona del monte Amiata furono scoperti con un metodo geofisico nuovo: lamisurazione sistematica del gradiente geotermico in pozzi di 40-50 metri di profondità.

Fotografia aerea del campo geotermico di Wairakei, in Nuova Zelanda, che ha una po-tenza installata di 192 MW. Questo campo, insieme a qurello di Waiotapu, si trova nellagrande depressione di Taupo, in cui vi sono anche laghi di acqua bollente dalle rivebizzarramente conformate a causa della silice depositata dall'evaporazione dell'acqua.

può però portare all'abbassamento dellivello dell'acqua nello strato produtti-vo, e quindi, dopo un certo tempo, vipuò essere vapore nelle parti superioridi esso. Ciò si è verificato nel campodi Larderello, dove la produzione divapore è stata intensa per decine dianni. Nelle condizioni originarie, pe-rò, cioè prima dell'inizio dello sfrutta-mento, l'acqua si trova nell'acquiferoproduttivo allo stato liquido. Ciò equi-vale a dire che essa non può avere unatemperatura superiore a quella del pun-to di ebollizione corrispondente allapressione nel punto più alto dell'acqui-fero. Riferendoci alla figura in basso apagina 11, tale punto si trova in A, a500 m di profondità; qui la pressione èdi 50 atmosfere, il punto di ebollizioneè di 263 °C circa.

Poiché l'acqua è sede di movimenticonvettivi, la sua temperatura è pocodiversa nelle varie parti dell'acquifero.Ciò è confermato anche dall'esperien-za: le misure di temperatura nei pozzinon mostrano un aumento di tempera-tura con la profondità nello strato pro-duttivo, mentre indicano forti gradien-ti nella copertura. Ritornando alla fi-gura di pagina 11, si può concludereche nel punto B, a 700 metri di pro-fondità, la pressione è di 70 atmosfe-re, ma la temperatura è la stessa diquella del punto A: al massimo 263 'C.Il punto di ebollizione a 70 atmosfereè pari a 284,5 °C.

Confrontiamo ora questo modellogeologico, illustrato nelle due figure apagina 11, con il modello illustrato nellafigura in alto a pagina 13. L'unica dif-ferenza tra questi due modelli sta nellostrato di copertura, che nel primo esi-ste e nel secondo manca. In quest'ulti-mo, l'acquifero affiora in superficie, do-ve esistono sorgenti calde o altre mani-festazioni superficiali. La pressione inquesto caso è quella atmosferica e ilpunto di ebollizione a circa 100 °C.

In questo modello, poiché l'acquiferocontenente l'acqua calda affiora larga-mente in superficie, si riscontrerannoanche nelle sue parti più profonde tem-perature di quest'ordine, cioè vicine a100 °C. L'acqua calda affiorante potràessere sfruttata per riscaldare le abita-zioni o le serre, o per altri usi di questotipo, ma soltanto in condizioni eccezio-nali sarà vantaggioso utilizzarla perprodurre energia elettrica. Dal confron-to di questi due modelli di campo geo-termico emerge anche un fatto fonda-mentale, di cui però non tutti i ricer-catori riconoscono l'importanza. Piùprecisamente, risulta evidente che, aifini dello sfruttamento industriale, l'esi-stenza di una copertura è determinante.

Nel primo modello, in cui lo stratopermeabile è protetto verso l'alto dauna roccia impermeabile, cioè da unacopertura, l'acqua calda convettiva èsottoposta alla pressione idraulica cor-rispondente alla profondità e può rag-giungere una temperatura elevata. Ilpunto di ebollizione cresce infatti conla pressione, e le perdite di calore ver-so la superficie sono minori, tanto mi-nori quanto più efficace è la copertura,che non soltanto impedisce la fuga deifluidi caldi, ma garantisce anche unisolamento termico.

Nel secondo modello, l'acquiferopermeabile giunge fino alla superficie,l'acqua sgorga in una sorgente calda oevapora su una larga zona (steaminggrounds), per cui molto calore natu-rale si disperde, e soltanto quando ilflusso di calore è estremamente eleva-to, come nei vulcani attivi, è possibileavere temperature superiori al puntodi ebollizione alla pressione ordinaria.

La copertura riduce quindi la disper-sione di calore verso la superficie, einoltre esercita un'azione analoga an-che in profondità. L'acqua calda chesfugge dalle correnti termali viene so-stituita infatti in profondità da altraacqua che ricarica l'acquifero. Que-st'acqua raffredda il sistema tanto piùquanto .più sono abbondanti le sorgen-ti calde superficiali; uno strato in pro-duzione deve avere la possibilità di ri-caricarsi dell'acqua che perde attraver-so i pozzi, al fine di conservare ilbilancio idrologico e termico sufficien-te a garantire la produzione. Acquameteorica nuova deve entrare nel si-stema convettivo, e questo rifornimen-to deve avvenire secondo modi e tem-pi tali da permettere il suo riscalda-mento fino a una temperatura prossimaa quella di ebollizione.

Le manifestazioni geotermiche

Quanto detto nel paragrafo prece-dente spiega molti degli insuccessi chesi sono avuti perforando in prossimi-tà di grandi sorgenti di acqua calda.Non tutte le manifestazioni superficialidi anomalie profonde di calore sonoperò di questo tipo. Sfortunatamentenon siamo ancora in grado di propor-re una classificazione scientifica dei va-ri tipi di manifestazioni superficiali dicalore. Possiamo però riferirci, ai solifini pratici e senza alcuna pretesa di ri-gore scientifico o di completezza, auna classificazione operata suddividen-do le diverse manifestazioni superficiali in quattro categorie.

La prima categoria, che chiameremodi contatto, raggruppa le sorgenti caldeoriginate dal contatto in superficie tra

un acquifero caldo affiorante e una roc-cia impermeabile. Uno dei casi possibi-li è mostrato nella figura in alto a pagi-na 13, ma possono presentarsene nu-merosi altri. Dal punto di vista geochi-mico, queste sorgenti calde hanno ingenerale un contenuto di sali più ele-vato di quello delle acque superficialidella zona. La ragione è che le acquecalde possono arricchirsi di sali diver-si a seconda della natura geologica del-le rocce che attraversano. I sali più co-muni sono i cloruri, i solfati e i carbo-nati. Per questo motivo nell'esplora-zione geotermica vale la regola empiri-ca di diffidare delle aree immediata-mente prossime a sorgenti calde ricchedi sali. Come tutte le regole empiri-che, anche questa deve essere consi-derata un'indicazione per un'indaginepiù approfondita. In nessun modo de-ve portare a concludere che un'areacon sorgenti calde salate esclude lapossibilità di un campo di vapore : peresempio, la sorgente calda può deriva-re da un acquifero superficiale, interca-lato cioè nella copertura di un acqui-fero più profondo, come nella figura inbasso a pagina 13 e nelle sue innume-revoli variazioni.

La seconda categoria, che Tonanichiama di fuga, è schematizzata nellafigura qui sotto. Vi è un acquifero pro-fondo, che contiene acqua a tempera-tura elevata e che è coperto da uno

spessore sufficiente di rocce impermea-bili che impediscono alle correnti diconvezione di giungere in superficie.La comunicazione tra l'acquifero caldoprofondo e la superficie è assicurata dauna faglia, la quale ha un effetto si-mile a quello di un pozzo che raggiun-ga l'acquifero caldo: essa cioè provocanel punto in cui incontra l'acquifero lavaporizzazione dell'acqua, quando que-sta si trova a una temperatura prossi-ma a quella di ebollizione. La ragionedi ciò è che la fessura, mettendo in co-municazione l'acquifero con la superfi-cie, abbassa la pressione di strato, e ilvapore che si produce può risalire lun-go la frattura fino alla falda d'acquasuperficiale nella quale si condensa.

Poiché l'acqua profonda arriva insuperficie sotto forma di vapore, e poi-ché in superficie si raffredda e si con-densa, essa è priva di sali. E invece ric-ca in gas e in alcuni costituenti volatilidisciolti nell'acqua profonda. Questigas possono rivelare la vera naturadell'acqua delle sorgenti.

Questa concezione delle sorgenti difuga (leakage manifestations) è dovutaagli studi geochimici, in gran parte ine-diti, di Tonani. Egli ha potuto dimo-strare l'esistenza di questo fenomenoattraverso una serie di lunghe e siste-matiche investigazioni geochimiche con-dotte specialmente nelle zone di Lar-derello, The Geysers (C ali f orni a),

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Nel planisfero sono indicate le centrali geotermiche in esercizio(cerchietti neri), le aree in cui sono in corso ricerche (triangoliin colore) e le regioni nelle quali le condizioni geologiche gene-rali sono tali da consentire l'eventuale presenza di campi geo-termici (retino grigio). L'unica regione in cui l'energia geoter-mica non serve a produrre elettricità è l'Islanda, i cui abbondanti

soffioni vengono sfruttati per riscaldare case e serre. Il numerodelle installazioni geotermiche aumenterà certamente con granderapidità nel prossimo futuro, in conseguenza dei numerosi studiin corso. In Italia è incorso l'esplorazione della fascia vulcanicatirrenica tra Pisa e Napoli; l'ONU ha già conseguito brillantirisultati in due dei tre programmi finanziati (si veda l'illustra-

Ahuachapan (EI Salvador), e in alcuneregioni dell'Algeria e della Turchia.Secondo i risultati di questi studi è ra-gionevole affermare che le sorgenti difuga possono venire rivelate soprattut-to dalle anomalie di concentrazione delboro e dell'ammonio. Anche in questocaso bisogna però guardarsi dalle sem-plificazioni: soltanto uno studio geo-chimico su scala regionale può fornirecriteri di giudizio ai fini della classifi-cazione di una sorgente nella categoriadelle manifestazioni di fuga. Il ricono-scimento di una sorgente di questo ti-po è d'altra parte un indizio di grandeimportanza, sufficiente per attirare l'at-tenzione sulle possibilità di produzionedi vapore di una zona. Anche in que-sto caso, comunque, sono necessari stu-di geotermici sistematici prima dellaperforazione di un pozzo di ricerca.

La terza categoria, della quale pos-siamo dare soltanto un accenno appros-

simativo, è quella delle manifestazionifredde, legate tuttavia all'esistenza difenomeni ipertermali. Dobbiamo limi-tarci a qualche esempio : i depositi re-centi di silice idrotermale, i travertinirecenti, le mineralizzazioni recenti dimercurio, i depositi recenti di borati,le alterazioni idrotermali delle rocce,certi vulcanetti di fango e certe mani-festazioni di anidride carbonica e aci-do solfidrico. Questa terza categoria dimanifestazioni è stata pochissimo stu-diata, e vorrei attirare l'attenzione suquesto promettente campo di studi. Misembrano di particolare interesse glistudi sulla mobilizzazione da calore delmercurio e quelli sui travertini e su al-tre manifestazioni di anidride carbonicadi possibile origine metamorfica, cosícome sui depositi di silice. La geochi-mica, compresa quella degli isotopi, cioffre molti metodi validi in questocampo poco esplorato.

La quarta categoria è quella dellemanifestazioni molto calde, cioè dellemanifestazioni con fluidi oltre il puntodi ebollizione dell'acqua alla pressioneordinaria. Al limite più caldo di que-sta categoria si trovano le fumarole deivulcani attivi. Mi limito soltanto ad ac-cennare a questa categoria perché lostato attuale dell'esplorazione geoter-mica non permette ancora una valuta-zione delle possibilità di sfruttamentoindustriale dei vulcani attivi.

Le condizioni essenziali per un campogeotermico industriale

Un campo geotermico industrialepuò essere definito come un sistemanaturale di fluidi caldi che possono es-sere sfruttati in modo economico e suvasta scala. Ciò significa che un campogeotermico deve produrre energia a uncosto competitivo rispetto alle altreforme di energia nella stessa zona di

utilizzazione. Come in tutte le attivitàdell'industria mineraria, anche nell'in-dustria geotermica soltanto lo studioeconomico della situazione locale puòstabilire se vi è convenienza nell'impie-go di capitali.

Come abbiamo già detto, un siste-ma di acque calde naturali al di sottodel punto di ebollizione alla pressioneatmosferica non è in generale attraen-te dal punto di vista economico per laproduzione di energia elettrica. Può es-sere invece di grande importanza peril riscaldamento delle città e delle ser-re, come avviene in Islanda, dove que-sto tipo di industria ha trovato la suapiena realizzazione su vasta scala. Sipuò prevedere con sicurezza chel'esempio islandese sarà seguito damolti altri paesi nel prossimo decennio.Importanti programmi in questo sensosono in corso in varie parti del mondo,tra cui in prima linea nell'Unione So-

zione a pagina 8); in California sono al-l'opera società private con ottime pro-spettive. Oltre che nelle regioni indicatenel planisfero, si stanno preparando va-sti programmi per la ricerca dell'energiageotermica anche in numerose altre zone.

vietica e in Ungheria. Sono possibilialtre interessanti applicazioni non an-cora attuate : per esempio, lo sfrutta-mento del calore delle acque calde peril preriscaldamento di certi mineraliche devono essere trattati a caldo, ladissalazione delle acque salmastre, sva-riati impieghi agricoli (certe lavorazio-ni industriali, essiccamento dei cibi, re-frigerazione, eccetera). In generale, leacque calde naturali possono esseresfruttate industrialmente in tutti queiprocessi che richiedono grandi quanti-tà di calore a modesta temperatura.

La produzione economica di energiaelettrica da fluidi caldi naturali ha esi-genze molto diverse. Normalmente neipaesi industrializzati, cioè in regime diconcorrenza tra le varie fonti di ener-gia elettrica, una centrale geotermicadeve poter utilizzare vapore, in quantoil costo degli impianti elettrici chesfruttano l'acqua calda è troppo eleva-to, e il kWh cosí prodotto non è ingenerale competitivo col kWh nucleare,idroelettrico o termico. Una buonaproduzione di vapore naturale anchesaturo permette al contrario di produr-re elettricità a prezzi abbastanza bassi.

L'esplorazione geotermica deve te-ner conto di questo fatto essenziale.Non è possibile infatti limitarsi alla ri-cerca di un campo geotermico qualun-que, ma occorre fissare l'obiettivo ditale ricerca, ossia mirare a ottenere unbuon campo di vapore con alta produ-zione.

Le realizzazioni industriali

Tra i campi geotermici oggi in pro-duzione, quelli che finora presentanole migliori caratteristiche di sfrutta-mento industriale sono i campi di Lar-derello in Italia, di Salton Sea e TheGeysers in California e di Cerro Prie-to in Messico. I primi due e l'ultimohanno un'ottima copertura di argilla ecorrispondono bene al modello geolo-gico della figura in alto a pagina 11.

In questi campi, le rocce che costi-tuiscono l'acquifero caldo profondohanno nell'insieme una permeabilitàmolto grande, mentre le rocce di coper-tura hanno una litologia molto diversae mostrano spessori considerevoli dirocce argillose. Al contrario, il campodi The Geysers, che ho avuto mododi studiare personalmente, sembrò ini-zialmente contraddire l'ipotesi della co-pertura, in quanto gli strati superioririsultano costituiti di arenarie dure, chesono permeabili perché intensamentefratturate. Indagini successive hannoperò smentito questa primitiva convin-zione: si tratta di un campo geotermi-co autosigillante (self-sealing), ossia di

un tipo di campo da poco scoperto incui la copertura si è formata in segui-to a processi di impermeabilizzazione.I processi principali di impermeabiliz-zazione sono due: l'argillificazione, pro-dotta direttamente dai fluidi caldi chehanno alterato intensamente gli stratidi copertura superficiali, e la deposizio-ne di silice, calcite o altri minerali nel-le fratture delle arenarie, che le hatrasformate in una copertura efficace.Avendo avuto la possibilità di visitaremoltissime aree ipertermiche del mon-do, ho l'impressione che i fenomeni diself-sealing siano molto diffusi, e nonmi meraviglierei se nei prossimi anni siscoprissero molti campi geotermici diquesto tipo, o se si riconoscesse chemolti campi già noti appartengono aquesta categoria.

Oltre a questi quattro campi, ve nesono altri attualmente in produzionenel mondo; tutti questi campi sono ri-portati nella cartina a sinistra. Inol-tre, governi e industrie cominciano arivolgersi con sempre maggior fiduciae interesse all'energia geotermica, e ciòporta alla diffusione dell'esplorazione edella ricerca. Oltre ai lavori in corsoin California, sostenuti da alcune gran-di società private che hanno già inve-stito ingenti capitali nello studio di im-pianti pilota, sono attualmente in cor-so lavori di esplorazione geotermica si-stematica in diversi paesi. In Turchia,a El Salvador e nel Cile le NazioniUnite stanno lavorando a tre grossiprogetti : essi hanno già portato al suc-cesso nei primi due paesi. In Algeriauna società petrolifera francese è al-l'opera nella parte settentrionale delpaese; in Jugoslavia, Bulgaria, Tunisia,Kenya, Cina nazionalista, Filippine,Ungheria e Francia sono stati da pocoavviati lavori di esplorazione geoter-mica. Anche l'Unione Sovietica ha incorso un massiccio programma di ri-cerche.

Grazie alle realizzazioni industriali,la ricerca geotermica non appare piùuna cosa nuova e azzardata. La diffi-denza, che sempre ritarda l'impiego dicapitali in campi tecnologici nuovi, staora scomparendo per la geotermia; inCalifornia si assiste a un vero e pro-prio « boom » geotermico. Ormai, tan-to la grande industria quanto gli orga-nismi finanziari importanti stanno com-prendendo che l'energia geotermica haun avvenire sicuro : essa è infatti unadelle fonti di energia a più basso prez-zo, abbondante e diffusa in ampie zonedel mondo. Contrariamente ai campipetroliferi, un campo geotermico pro-duce per lunghissimi periodi, valutabilia secoli o millenni.

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