ENERGIA GEOTERMICA

ENERGIA GEOTERMICA, COS’ E’?

 

L’ energia geotermica è una fonte di energia rinnovabile che si ricava dal calore naturale della Terra. Può essere utilizzata sia per la produzione di energia elettrica e anche per il riscaldamento, per esempio calore e acqua calda.

L’energia geotermica trattiene il calore naturale della Terra, dovuto all’energia rilasciata durante il processo di decadimento nucleare di elementi radioattivi come uranio, torio e potassio, contenuti all’interno del nucleo, del mantello e della crosta terrestre, i tre livelli di stratificazione del nostro pianeta.
Questa fonte di energia venne utilizzata a livello industriale per la prima volta in Italia in un paesino della Toscana, Larderello, nel 1904, successivamente vennero create le prime centrali geotermiche; il calore della Terra veniva però già utilizzato, come sappiamo dalla storia, in particolare dai romani, come fonti termali.
Per alcuni paesi come l’Islanda questa energia è fondamentale, perché l’85% delle case vengono riscaldate grazie alla geotermia.

I maggiori produttori di questa energia sono gli Stati Uniti, l’Italia si trova invece al quinto posto e l’Islanda al settimo.

STORIA

Il rapporto tra l’uomo e l’energia geotermica ha radici antichissime; sin dalla Preistoria gli uomini hanno costruito i propri insediamenti vicino ad aree geotermiche attive, per utilizzare i prodotti vulcanici, sfruttare il calore per cucinare e per godersi i benefici delle acque termali.

ETRUSCHI

Gli Etruschi edificavano le loro città principalmente in corrispondenza di aree geotermiche e usavano i prodotti che ne derivano – alabastro, travertini, ossidi di ferro, fanghi termali – come merce di scambio. I resti più antichi dei complessi termali etruschi risalgono al III secolo a.C.

ROMANI

La passione per le terme è una delle tante che la civiltà etrusca ha trasmesso ai Romani. Dopo la caduta dell’Impero Romano il termalismo e l’uso dei sottoprodotti dell’energia geotermica subiscono un forte declino per tutta la parte iniziale del Medioevo.

LA RINASCITA IN TOSCANA

La balneoterapia (La balneoterapia è una delle terapie termali più praticate. Le acque minerali terapeuticamente attive, grazie alla loro composizione, esercitano un’azione curativa a vari livelli a beneficio del nostro organismo) e l’uso di minerali idrotermali ed altri sottoprodotti del calore terrestre cominciano ad avere una nuova fioritura in Italia, soprattutto in Toscana.

1777

Viene scoperto l’acido borico – che verrà poi largamente utilizzato in farmacia, soprattutto per le malattie degli occhi – nelle manifestazioni geotermiche toscane di Monterondo Marittimo e Castelnuovo Val di Cecina. Diventa di fondamentale importanza ottimizzarne i processi di estrazione.

 

1818

L’ingegnere ed imprenditore francese François Jacques de Larderel sviluppa una tecnica per la raccolta del vapore emesso dai lagoni (le fessure del suolo da cui sgorgano acqua bollente ed emanazioni dal sottosuolo), con l’uso del “lagone coperto”. Una cupola semisferica in muratura posta sopra il lagone capta il vapore e ne permette l’uso come fonte di calore: alimenterà le caldaie necessarie ad estrarre l’acido borico dai fanghi naturali.

1839

A dare manforte alle idee di F. J de Larderel arriva l’ingegnere italiano Vincenzo Manteri. È lui che promuove le prime perforazioni per reperire il vapore dal sottosuolo, ottenendo così una produzione più elevata.

1904

A Larderello Piero Ginori Conti, direttore generale dal 1894, accende le prime cinque lampadine alimentate a geotermico, grazie a una macchina composta da un motore alternato accoppiato ad una dinamo.

1913

Nasce la prima centrale geotermica del mondo, in Italia, a Lardarello

1967

L’Unione Sovietica presenta il modello di centrale a ciclo binario: il geofluido cede calore ad un secondo fluido che lavora in ciclo chiuso nell’impianto termoelettrico, operando da caldaia. Una volta raffreddato, il fluido geotermico viene reiniettato nel sottosuolo. Questa tecnologia permette la generazione di energia elettrica da fonti a temperatura più bassa e agevola la diffusione del geotermico, anche se con un rendimento minore.

1987

In California la centrale geotermica The Geysers fa segnare il record mondiale di produzione di energia geotermica, grazie a una capacità installata totale di 2.043 MW.

2018

La geotermia è un’energia rinnovabile dalle potenzialità riconosciute e consolidate. Viene impiegata anche nelle pompe di calore: dalla balneologia al riscaldamento di ambienti, alle serre, all’acquacoltura e altri impieghi industriali.

COME FUNZIONA

Come detto prima l’energia geotermica viene generata grazie al calore geotermico, che viene generato a causa di processi di decadimento nucleare di uranio, torio e potassio che avvengono naturalmente all’interno del nucleo, del mantello e della crosta terrestre. Quest’energia si accumula nel sottosuolo, e fuoriesce sulla superficie terrestre grazie a acqua e vapore.

Esistono tre principali fonti di energia geotermica:

• Fonti idrotermiche: sono le più sfruttate a livello industriale e sono costituite da sacche di acqua calda presenti sotto la superficie terrestre, a circa 1000/2000 metri di profondità.
• Fonti geopressurizzate: tra i 2500 e i 9000 metri di profondità si trovano queste sacche contenenti principalmente gas naturali a temperature relativamente basse ma con pressione molto alta.
• Fonti petrotermiche: in questo caso ad essere fonte energetica sono le rocce stesse, molto calde, ma, non possedendo un liquido che si riscaldi o si trasformi in vapore, vengono stimolate direttamente con l’iniezione di acqua fredda.

Le centrali geotermiche vengono poste principalmente dove la crosta terrestre è più sottile e frastagliata.    Anche in questo caso esistono tre principali tipologie di centrali geotermiche:

• A vapore secco: Il calore viene trattenuto da un pozzo d’estrazione, profondo fino a 3.000 metri, che permette ai vapori naturali di risalire verso la superficie ed essere instradati alla turbina. Quest’ultima trasforma l’energia cinetica del vapore ad alta pressione in un movimento meccanico, il quale, una volta trasferito ad un alternatore, si converte in elettricità.

La corrente viene quindi trasportata ad un trasformatore, che ne innalza la tensione e la                distribuisce sulla rete. Dopo esser stato utilizzato per attivare la turbina, il vapore viene indirizzato         verso un condensatore, che ne abbassa la temperatura e lo trasforma in acqua.

A questo punto l’acqua fredda ha due possibili utilizzi: o viene utilizzata nel condensatore, dove            contribuisce ad abbassare la temperatura del vapore, oppure viene reiniettata nel sottosuolo, dove si trasformerà di nuovo in vapore e darà nuova vita ad un altro ciclo di produzione per creare                 nuova energia verde.

• Flash: si tratta di centrali che trasformano l’acqua bollente e ad alta pressione in acqua più fredda e con minor pressione.
• Binarie: In questo caso un fluido con punto di ebollizione minore dell’acqua viene fatto scorrere sottoterra a fianco dell’acqua bollente, quest’ultima trasformerà in vapore il primo liquido che servirà poi ad azionare una turbina.

RENDIMENTO REALE E IDEALE A CONFRONTO

Per parlare del rendimento ideale e reale, abbiamo pensato innanzitutto di introdurre 2 concetti, il primo è quello del COP, con questo termine si intende l’efficienza di una pompa di calore data dal rapporto tra energia resa ed energia elettrica consumata, più il COP è alto e più la macchina risulterà efficiente. Il COP può essere espresso anche in funzione del costo unitario dell’energia elettrica e termica In questo modo è possibile calcolare quale debba essere il COP minimo affinché si abbia convenienza, dal punto di vista economico.

Il secondo termine di cui abbiamo voluto fare una breve descrizione è quello della macchina di Carnot, ma più precisamente quello di ciclo di Carnot, si tratta di un ciclo termodinamico diretto costituito solo da trasformazioni reversibili 2 isotermiche e due adiabatiche. Il ciclo di Carnot ha la proprietà di essere il ciclo termodinamico che evolve tra le due sorgenti con il rendimento termodinamico maggiore. Non esiste nessun altro ciclo con temperature estreme pari a quelle delle isoterme del ciclo di Carnot, tale da avere un rendimento superiore a quello di Carnot. Per questi motivi viene usato come ciclo di riferimento per applicazioni reali come pompe di calore e cicli frigoriferi. La macchina teorica si dice macchina di Carnot. Essa necessita di due sorgenti di calore a temperature differenti e si schematizza generalmente come un cilindro chiuso con un pistone con le pareti isolate come un Sistema adiabatico contenente del gas che può scambiare calore solo attraverso il fondo del cilindro. È possibile riassumere l’enunciato di Carnot in due importanti parti:

• Nessuna macchina termica che sfrutti il ciclo di Carnot è in grado di trasformare completamente calore in lavoro, poiché una parte del calore fornito inizialmente al sistema viene ceduta al mezzo a temperatura più bassa rispetto alla temperatura alla quale esso è stato somministrato e di conseguenza tale calore non può essere più utilizzato. Da ciò si deduce che il rendimento di una macchina termica non può mai essere pari all’unità poiché non può mai essere nullo.
• Il rendimento di una macchina termica reversibile che si basa sul ciclo di Carnot non dipende dalla natura del fluido utilizzato ma solo dalle temperature delle sorgenti termiche fra cui la macchina opera.

Ora che abbiamo chiarito questi due concetti, possiamo confrontare rendimento ideale e reale delle centrali geotermiche. Generalmente il rapporto fra il COP ideale della macchina di Carnot e quello reale realizzato è variabile dal 30 al 50% a seconda delle condizioni della macchina termica e a quelle dell’ambiente. Questo implica che, ad oggi, anche nelle migliori condizioni termodinamiche e con le migliori macchine non esistono macchine inverse con COP maggiori di 5,5.

Nel corso degli anni molti studiosi stanno cercando di sviluppare nuove idee e tecnologie per cercare di migliorare il rendimento di molte macchine, in questo caso particolare delle macchine geotermiche si sono concentrati su due soluzioni migliorative:

• Evaporatori: la progettazione e l’ottimizzazione di un evaporatore dipende essenzialmente dal coefficiente di scambio termico realizzato che a sua volta è funzione del fluido utilizzato, della geometria dello scambiatore e delle condizioni operative della macchina. La possibile soluzione per migliorare le prestazioni sta nel massimizzare il rapporto fra il coefficiente di scambio termico e le cadute di pressione del fluido termo-vettore.
• Compressori: Il compressore è un componente che va dimensionato e scelto a seconda della potenza termica che l’impianto deve avere. In generale si deve fare in modo che il calore sviluppato dal suo funzionamento sia minimo nei cicli frigoriferi e sia invece recuperabile nei cicli a pompa di calore.

 

DOVE È DIFFUSA

In Italia l’energia geotermica è più diffusa in Toscana e nel Lazio settentrionale, queste regioni sono note, per ospitare le serre geotermiche più grandi d’Italia e d’Europa. Esse si trovano nei pressi di Piancastagnaio, sulle pendici del Monte Amiata, e a Civitavecchia.

Nel mondo invece la centrale geotermica più grande è nominata “The Geysers”, essa si trova circa 140 chilometri a Nord di San Francisco in California con una potenza totale di 750 megawatt.

Gli stati leader della produzione di energia geotermica sono in ordine: Stati Uniti, Filippine e Indonesia.

VANTAGGI

• Disponibile sempre: L’energia geotermica può essere considerata illimitata come le altre fonti di energia, inoltre ha la caratteristica di essere sempre disponibile, non dipende dalle stagioni, dal clima o dal meteo e non risente significativamente dell’escursione termica tra giorno e notte pertanto la si può sfruttare continuamente indipendentemente dai fattori sopra citati.
• Energia silenziosa: Mentre l’impianto è in funzione il rumore che provoca è bassissimo, quasi impercettibile, gli unici suoni nei grandi impianti sono dati dalla rotazione di alcune turbine.
• Permette un riciclo di energia: Durante il funzionamento dell’impianto sono presenti vapordotti con lo scopo di rimettere in circolo il calore che non può essere utilizzato immediatamente
• Impianti longevi e sicuri: La durata media di un impianto geotermico, che sia domestico o su larga scala, va dagli 80 fino ai 100 anni, questa durata è straordinariamente lunga paragonata a quella di una caldaia domestica che in media dura una quindicina d’anni. Un altro punto a favore del geotermico è che nei suoi impianti non vengono sfruttate combustioni, ciò significa che il rischio di incendi è veramente basso se non nullo.
• Richiede poca manutenzione: Gli impianti geotermici non richiedono manutenzioni specifiche, gli elementi elettrici e meccanici che si possono guastare sono veramente pochi e inoltre essendo un flusso a circuito chiuso la pressione nelle tubature rimane sempre costante.
• Utilizzabile per raffreddare: Al contrario di ciò che si pensa, l’energia geotermica non è solamente sfruttabile in termini di riscaldamento ma bensì anche di raffreddamento, ciò è possibile poiché il suolo è più caldo d’inverno e più freddo d’estate.
• Non inquina: Le centrali geotermiche sono considerate non inquinanti poiché non essendoci combustioni nel processo non si produce alcuna CO2 né tantomeno polveri sottili

SVANTAGGI

A fronte dei numerosi vantaggi sopra elencati l’energia geotermica non presenta rilevanti svantaggi, gli unici sono:

• La maggior parte dei giacimenti sono dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo sfruttamento.
• Gli odori sgradevoli emessi sono un altro problema infatti assieme al vapore dalle zone termali fuoriesce un odore particolarmente sulfureo che può andare a infastidire le persone residenti attorno alle zone degli impianti.
• Ultimo problema minore è che gli impianti sono un groviglio di tubi che danneggiano l’estetica del luogo in cui sono costruiti, questo è un problema abbastanza superabile e si hanno già numerose soluzioni applicabili.

Cariati Franco, Clivio Manuel, Verde Andrea 3^F 2020-2021