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Abc energia: il geotermico
Geotermico e mini-geotermico: il termine deriva dal greco (geos = Terra; termos = Calore). Per geotermico si intende l’energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore.
Il geotermico si basa sulla produzione di calore naturale della
Terra (geotermia) alimentato da tre componenti:
– Energia termica primordiale proveniente dal centro della Terra.
Il nostro pianeta può essere suddiviso in tre macrozone; il
nucleo centrale dove la materia si trova allo stato fuso, il
mantello e lo strato superficiale ovvero la crosta terrestre. il
calore tende a risalire con moti convettivi verso la superficie
alimentando il fenomeno geologico della tettonica a zolle. Vulcani,
geyser, fumarole e sorgenti termali sono alcune manifestazioni di
questo calore.
– Energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare di
elementi radioattivi contenuti naturalmente all’interno della Terra
quali l’uranio e il torio che tendono a trasformarsi in piombo e il
potassio, il cui decadimento porta alla formazione di argon e
calce.
– Energia termica proveniente dalla radiazione solare e riflessa
dalla superficie terrestre verso l’atmosfera sotto forma di
calore.
La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle
sorgenti d’acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla
produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo
per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra e il
termalismo. Il gradiente geotermico medio è di 30° per
ogni chilometro di profondità anche se il valore è
estremamente eterogeneo da zona a zona.
Sistema geotermico
E’ una riserva interna al pianeta dove è economicamente
vantaggioso estrarre calore sfruttando il principio di convezione
dei fluidi che tende a portare il calore verso la superficie. Un
sistema geotermico si compone di tre elementi: sorgente di calore
(rocce allo stato solido o fuso ad una temperatura in genere
superiore ai 600°); serbatoio e fluido (in genere costituito da
acqua). Gli ultimi due elementi possono essere di origine naturale
o artificiale.
Classificazione dei sistemi geotermici
Una prima distinzione fra sistemi geotermici divide gli impianti
geotermici veri e propri, di grandi dimensioni associati ad
un’elevata quantità di energia utilizzata e legati a
temperature interne di 600° e più, dai sistemi
microgeotermici che sfruttano la differenza di gradi centigradi a
basse profondità dalla superficie e la stabilità di
temperatura rispetto all’esterno nell’ambito del riscaldamento e
raffescamento domestico. Nell’ambito del geotermico classico
distinguiamo:
– Sistemi a vapore dominante: il fluido si trova allo stato di
vapore ed è associato a elevate pressioni
– Sistemi ad acqua dominante: la temperatura del liquido è
almeno 60° e può superare anche i 100.
Questi 2 sistemi, anche detti termali, sono in genere alimentati da
fonte magmatica e sono i più utilizzati in ambito
commerciale per la produzione di energia elettrica. Il flusso di
vapore proveniente dal sottosuolo produce una forza tale da far
muovere una turbina, l’energia meccanica della turbina viene infine
trasformata in elettricità tramite un sistema
alternatore.
– Sistemi geopressurizzati: ancora poco sfruttati commercialmente,
sono dei veri e propri bacini “intrappolati” in rocce permeabili a
notevoli profondità (3-7 km). Esperimenti volti ad un loro
utilizzo sono stati sviluppati al largo del Golfo del Messico
– Sistemi a rocce calde secche: in questa tipologia si fruttano
rocce calde del sottosuolo sopperendo alla mancanza di fluido che
viene iniettato artificialmente. I sistemi Hot Dry Rocks possono
prevedere anche la realizzazione di bacini artificiali
– Magma: sistema, ancora lontano dalla maturità economica,
consiste nel potenziale sfruttamento del calore diretto del magma.
esperimenti sono stati condotti sin dagli anni ’80 alle isole
Hawii.
Esplorazione geotermica
Sebbene il gradiente geotermico medio sia di 3° per ogni 100
metri di profondità le reali potenzialità geotermiche
di un sito vanno verificate prima di un possibile reale utilizzo e
solo pochi sono i siti atti ad accogliere centrali geotermiche
classiche abbinate alla produzione di elettricità e allo
sfruttamento di calore in modo diffuso. Il principale limite della
fonte geotermica è proprio quella di dover essere confinata
nelle zone in cui sono presenti giacimenti con sufficiente
potenziale termico. Altra difficoltà è data dai costi
di analisi del territorio. Riconoscimento e potenzialità di
un sito possono essere verificati solo attraverso perforazione
della crosta, operazione molto costosa e complessa. Per ridurre i
costi si provvede ad una serie di indagini preliminari. Prima di
una reale perforazione dei pozzi e conseguente sfruttamento di un
sito si procede con studi geologici, idrogeologici, prospezioni
geochimiche e geofisiche che consentono di identificare i
giacimenti e le loro caratteristiche. Diverso è il caso del
micro geotermico che consente un utilizzo diretto del calore e
consente di sfruttare in ambito domestico anche esigue differenze
di temperatura fra l’atmosfera esterna e le basse profondità
alle quali vengono istallate le condutture.
Il diagramma di Lindal (1973) suddivide le sorgenti geotermiche in
relazione alle loro temperature e quindi in base allo sfruttamento
commerciale ottenibile. La produzione di elettricità
è la forma di utilizzazione più importante delle
risorse geotermiche ad alta temperatura (›150°C). A
temperature minori, oltre ad un utilizzo diretto del calore,
possono essere considerati usi termali, alimentari, pompe di calore
e acquacoltura.
Tra le possibili classificazioni delle risorse geotermiche
distinguiamo quelle ad alta, media e bassa entalpia. L’entalpia,
simile alla temperatura, esprime il contenuto termico dei fluidi.
Sistemi termali ad acqua o a vapore dominate sono sistemi ad alta
entalpia, associati alla produzione di grandi quantitativi di
energia.
La produzione di energia elettrica
L’energia elettrica è prodotta in impianti convenzionali o a
ciclo binario secondo le caratteristiche delle riserve geotermiche
disponibili. Gli impianti convenzionali richiedono fluidi con una
temperatura di almeno 150° e sono disponibili nel tipo a
contropressione (con scarico diretto nell’atmosfera, più
semplici e meno costosi) e a condensazione. Il vapore può
provenire direttamente dai pozzi oppure viene separato dalla parte
liquida se i pozzi producono vapore umido. Nel primo caso passa
attraverso la turbina per poi essere liberato in atmosfera; nel
secondo caso il vapore una volta azionata la turbina e condensato,
viene nuovamente reiniettato nel serbatoio per essere nuovamente
utilizzato realizzando un sistema chiuso con meno sprechi e minor
consumo di fluido. Questi sistemi, in genere più complessi
hanno potenze maggiori dei sistemi a contropressione, comprese in
genere tra i 50 e i 100 Mw. I notevoli progressi, registrati negli
ultimi decenni, nella tecnologia dei cicli binari hanno reso
possibile produrre elettricità sfruttando fluidi geotermici
a temperatura medio-bassa. Negli anni ’90 è stato
sperimentato un nuovo sistema binario, il ciclo Kalina che
utilizza, come fluido di lavoro, una miscela di acqua e ammoniaca.
Tali impianti sembrano avere un rendimento superiore agli impianti
binari classici ma rispetto a questi ultimi hanno una maggiore
complessità costruttiva e di funzionamento.
Utilizzazione diretta del calore
L’utilizzazione diretta del calore è la forma di
sfruttamento dell’energia geotermica più antica, più
versatile e più comune. La balneologia, il riscaldamento
urbano e di ambieti, gli usi agricoli, l’acquacoltura ed alcuni
impieghi industriali sono le utilizzazioni meglio conosciute, ma le
pompe di calore sono la forma d’uso più diffusa. Il
riscaldamento di ambienti e quello urbano hanno avuto un grande
sviluppo in Islanda, dove sono operativi sistemi di riscaldamento
geotermico per una potenza di 1200 Mw; ma questa forma d’uso
è molto diffusa anche in Europa Orientale, negli Stati
Uniti, in Cina, Giappone e Francia. Il riscaldamento geotermico di
quartieri abitativi richiede un investimento ingente di capitali. I
costi maggiori sono quelli iniziali per i pozzi di produzione e
reiniezione, i costi delle pompe in pozzo e di distribuzione, delle
condutture e della rete di distribuzione, delle strumentazioni di
sorveglianza e di controllo, degli impianti integrativi per i
periodi di punta e dei serbatoi-polmone (di riserva). In confronto
ai sistemi convenzionali, però, i costi operativi sono
più bassi. In regioni dove il clima lo permette, si possono
avere vantaggi economici combinando i sistemi di riscaldamento e
raffreddamento degli ambienti. Il raffreddamento degli ambienti
è realizzabile quando impianti ad assorbimento possono
essere adattati al funzionamento con i fluidi geotermici
disponibili. essi funzionano seguendo un ciclo che utilizza il
calore invece dell’elettricità come sorgente di energia. Il
raffreddamento è ottenuto utilizzando due fluidi: un
refrigerante che circola, evapora (assorbendo calore) e condensa, e
un fluido secondario o assorbente.
Microgeotermico
Il condizionamento di ambienti (riscaldamento e raffreddamento) con
l’energia geotermica si è diffuso notevolmente a partire
dagli anni ’80, a seguito dell’introduzione nel mercato e della
diffusione delle pompe di calore. I diversi sistemi di pompe di
calore disponibili permettono di estrarre ed utilizzare
economicamente il calore contenuto nei corpi a bassa temperatura,
come il terreno, acquiferi poco profondi, masse d’acqua
superficiali. Molte pompe di calore sono reversibili, potendo
operare alternativamente come unità riscaldanti o
raffreddanti.
Le pompe di calore richiedono energia elettrica per funzionare ma,
in condizioni climatiche adatte il bilancio energetico è
positivo, tanto più se il carico è alimentato da
generatori fotovoltaici. Utilizzi domestici di questo tipo
consentono la produzione di calore da sorgenti a temperatura molto
bassa (bassa entalpia). Nella UE La Svezia è il Paese a
possedere la maggiore capacità installata di questa
tipologia di impianti (2.909 MWth) e il più alto numero di
impianti (320.687), seguita da Germania (1.652,9 MWth e 150.263
impianti) e Francia (1.366 MWth e 124.181 impianti).
Il dimensionamento dell’impianto dipende dal tipo di utenza e dalla
volumetria che si intende riscaldare. Le pompe di potenza fino a
circa 2 kW sono adatte ai monolocali e possono essere usate anche
per il riscaldamento dell’acqua sanitaria. Le pompe di potenza
compresa tra 10 e 20 kW sono adatte a servire più locali,
mentre quelle di potenza superiore a 20 kW sono ideali per
più appartamenti, per uffici e per servizi commerciali.
Nella scelta di una pompa di calore occorre considerare le
caratteristiche climatiche del luogo in cui viene installata, le
caratteristiche tipologiche dell’edificio, le condizioni di impiego
(solo riscaldamento, riscaldamento e raffrescamento con o senza
produzione di acqua sanitaria). I sistemi a bassa entalpia o mini
geotermico, quindi, sfruttano il sottosuolo come serbatoio termico
dal quale estrarre o cedere calore. Tale tipologia di impianto
è adattabile a qualsiasi edificio qualunque sia il suo
posizionamento. Elementi costitutivi sono: scambiatori di calore,
pompe di calore e il sistema di distribuzione (meglio se pannelli
radianti bocchette di ventilazione). Gli scambiatori di calore sono
sistemi chiusi in polietilene orizzontali (serpentine) o verticali
(sonde) inseriti in perforazioni riempite con cemento e bentolite
nei quali circola un liquido termovettore atossico, generalmente
acqua più liquido antigelo. La stabilità di
temperatura nel sottosuolo, anche a profondità ridotte, e il
gradiente geotermico consentono di sfruttarne i benefici sia
d’inverno (calore) che d’estate (fresco).
Nel caso di sonde verticali la profondità è in genere
compresa fra i 100 e i 300 metri a seconda della composizione del
terreno e della sua conducibilità termica. Le sonde vanno
distanziate, se possibile 8-10 metri fra loro per evitare fenomeni
di saturazione termica.
Impatto ambientale e considerazioni economiche
L’energia prodotta da geotermia è una forma di energia
pulita e rinnovabile; non implica la produzione di gas
climalteranti ed è in grado di rigenerarsi nell’ambito della
scala dei tempi umani (a differenza delle fonti non rinnovabili,
combustibili fossili e nucleare). L’energia geotermica non emette
CO2, è una fonte gratuita (si paga solo il costo
dell’impianto) e programmabile, garantendo una continuità di
produzione che garantisce un maggior numero di ore di esercizio
rispetto ad altre fonti rinnovabili quali eolico o fotovoltaico. E’
tuttavia opportuno citare implicazioni di microinquinamento
connesse allo sfruttamento dell’energia geotermica classica. E’
possibile un lieve incremento della temperatura in
prossimità dei pozzi e l’insorgere di nebbie più
frequenti di quelle che si avrebbero in assenza di sfruttamento
della fonte potrebbero verificarsi fenomeni di subsidenza
(abbassamento del suolo) e una maggiore siccità.
I costi di realizzazione per impianti sono variabili in funzione
del sito. In tutti i casi l’investimento maggiore è
rappresentato dal costo di eplorazione e trivellazione dei pozzi.
Nell’ambito della produzione di energia elettrica i costi diretti
vanno dai 1.000 ai 2.000 $ per kwp di potenza istallato più
costi indiretti e di manutenzione che oscillano tra il 10 e il 30%
dei costi diretti. Ovviamente gli impianti per la produzione di
energia elettrica sono caratterizzati da potenze molto consistenti
e possono quindi beneficiare di economie di scala che ne contengono
i prezzi. Distinguiamo in questo senso tra impianti di piccole
dimensioni (<5Mw), medie dimensioni (tra 5 e 30 Mw) e di grandi
dimensioni (>30Mw). Il vantaggio economico derivante da questi
impianti non è solo legato alla vendita dell’energia
elettrica sul mercato ma anche all’ottenimento di Certificati
Verdi, alla semplificazione burocratica in fase realizzativa di cui
beneficiano le fonti rinnovabili e a meccanismi incentivanti quali
lo Scambio sul Posto (entro 200Kwp) e la Tariffa Omnicomprensiva
(entro 1 Mwp).
Il costo di realizzazione di impianti mini geotermici, variabile in
funzione delle caratteristiche del sito, può essere
approssimabile ad un valore compreso fra 40 e 100 € per metro
lineare di profondità. In funzione delle caratteristiche del
terreno possiamo valutare la potenza estraibile per metro (per
esempio 50Wp). Se volessimo quindi realizzare un impianto da 16Kwp,
per conoscere la lunghezza necessaria delle sonde basterà
fare la semplice operazione 16.000/50 = 320 metri lineari che
possono essere suddivisi in 3 sonde da 106 metri ciascuna. Il costo
di realizzazione di un impianto simile (circa
28.000€)può risultare notevolmente superiore rispetto
ad un impianto tradizionale ma implica costi di esercizio
pressochè nulli con un consistente risparmio in termini di
combustibile usato; 2.500€ se metano e fino a 4.000 se gasolio
o gpl. Questo comporta tempi di ammortamento molto ridotti compresi
fra i 5 e gli 8 anni a fronte di una vita media d’impianto di
almeno 20 anni.
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