L’ENERGIA GEOTERMICA
Una raffica repente schiacciava il vapore contro il suolo, lo ricacciava nelle pozze, lo addensava
negli anfratti del monte. Tutto si confondeva nella nebbia crassa…".
La frase è tratta dal romanzo "Forse che sì, forse che no" di Gabriele D'Annunzio (1910).
• Cos’è?
• Da dove viene?
• In quali condizioni di territorio è possibile
trovarla?
• In quali quantità è disponibile?
• Come funziona?
• Per quali scopi è utilizzata?
• Con quali mezzi può essere utilizzata?
• Quali sono i vantaggi?
DEFINIZIONE
Per energia geotermica si intende l'energia
contenuta sotto forma di calore
Essa è all’origine di molti fenomeni geologici di scala planetaria.
Tuttavia, l’espressione “energia geotermica” è generalmente
impiegata, nell’uso comune, per indicare quella parte del
calore terrestre, che può, o potrebbe essere, estratta dal
sottosuolo e sfruttata dall’uomo.
FENOMENI
La dimostrazione che esiste una energia .
termica all'interno della terra è ormai un fatto
certo e ben conosciuto. Vulcani, sorgenti
termali, soffioni e gayser documentano bene
la presenza di un calore interno alla Terra che
fluisce verso l'esterno.
Possiamo ben dire che il calore della Terra è
l'energia naturale che da sempre accompagna
la storia dell'uomo fin dalle sue origini. La
stessa vita biologica è probabilmente nata in
particolari condizioni ambientali "tra acqua e
fuoco".
ORIGINE
All’origine del calore interno alla terra vi è
• il calore liberato dal decadimento degli isotopi radioattivi a
lunga vita dell’Uranio ( U238 e U235 ) Torio(Th 232) , Potassio (
K40)
• il calore originale del pianeta
• l'energia gravitazionale e la dispersione dell'energia cinetica
delle maree.
DOVE SI TROVA
Il gradiente geotermico, che dà la
misura dell'aumento della
temperatura con la profondità, ha un
valore medio di 2,5-3°C/100 m, ma,
nelle aree "geotermiche" esso può
essere anche dieci volte superiore alla
norma
•
Temperature nella sfera terrestre. La terra è un
serbatoio d'energia. Paragonandola a un uovo, la
crosta terrestre (fino a 50 km di profondità)
corrisponde al guscio. Nella crosta, la
temperatura aumenta di circa 30°C ogni km.
(Fonte: Infel AG)
Facendo riferimento alla teoria della
“tettonica a zolle" (secondo cui la crosta
terrestre si divide in una ventina di
macro-aree, dette appunto "zolle", che
ogni anno si spostano mediamente di
una misura che va da zero a 18
centimetri) le aree geotermiche più
calde del globo, si trovano,
generalmente, lungo i margini di rottura
o di collisione delle zolle.
Condizioni necessarie e sufficienti per l’esistenza, e quindi per il
possibile sfruttamento economico, dell’energia geotermica:
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A) È in primo luogo necessario avere una sorgente eccezionale di calore (heat–source) a
profondità non troppo elevata; l’unica sorgente con queste caratteristiche può essere costituita
da una massa magmatica. Sotto il profilo operativo, ciò è quello che accade nelle aree con
elevato valore del flusso di calore terrestre.
B) Nel sottosuolo, a profondità variabili da centinaia a migliaia di metri, deve essere presente
uno strato altamente permeabile, con valori di permeabilità e porosità tali da consentire lo
stabilirsi in condizioni stazionarie di circolazione convettiva dell’acqua che permea i pori
della roccia. A questo strato viene dato il nome di serbatoio (reservoir).
C) Uno strato impermeabile (caprock) che copre il serbatoio deve essere presente nella parte
più superficiale della serie. La permeabilità di questo strato deve essere bassa in modo da
evitare la fuoriuscita dei fluidi caldi contenuti nel serbatoio stesso. In questo ultimo caso
infatti i fluidi idrotermali raggiungerebbero direttamente la superficie e abbasserebbero la loro
temperatura sino a quella di ebollizione dell’acqua alla pressione atmosferica (circa 100 °C) e
quindi il campo geotermico ad alta entalpia non esisterebbe.
• Importanti aree geotermiche sono anche i
"punti caldi" come le Hawaii, le Galapagos, le
Canarie e il cosiddetto "bombamento
etrusco", tra la Toscana e l'Alto Lazio.
Nelle zolle continentali, invece, sono racchiusi
grandi bacini sedimentari con risorse
geotermiche a bassa temperatura come quelli
di Francia, Ungheria e Cina.
.
RISORSE GEOTERMICHE
Placche crostali, dorsali, zone di subduzione e campi geotermici. Le frecce indicano la direzione del
movimento delle placche.
(1) Campi geotermici che producono elettricità;
(2) dorsali interrotte dalle faglie trasformi (fratture trasversali); (
3) zone di subduzione nelle quali la litosfera si immerge sotto l'astenosfera.
STIMA
• . E' stato stimato, assumendo una temperatura superficiale media di
15°C, che esso sia dell'ordine di 12,6 x 1024 MJ e che l’energia
contenuta nella sola crosta sia dell'ordine di 5,4 x 1021 MJ. Tale
calore, anche se in quantità enorme e praticamente inesauribile,
risulta assai disperso e solo raramente concentrato.
• Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della
terra; la sua esistenza è percepibile dall'aumento progressivo della
temperatura delle rocce con la profondità; il gradiente geotermico è
in media di 3°C ogni 100 m di profondità, ossia 30°C a km.
• Esistono tuttavia nella crosta terrestre zone privilegiate ove il
gradiente è nettamente superiore a quello medio: ciò è dovuto alla
presenza, non lontano dalla superficie (5 ÷ 10 km), di masse
magmatiche fluide o già solidificate in via di raffreddamento.
COME FUNZIONA
• L’energia geotermica è energia fortemente dispersa e solo
raramente recuperabile in condizioni economicamente
vantaggiose. Per contro ha la caratteristica di essere relativamente
costante nel tempo, priva di fluttuazioni meteorologiche (diurne o
stagionali) e, cosa che più interessa dal punto di vista economico,
può concentrarsi in zone caratterizzate da anomalie termiche
(vulcanesimo secondario), ove può raggiungere livelli di
temperatura industrialmente sfruttabili.
• In tali zone l’acqua di falda viene riscaldata dal calore geotermico e
resa disponibile (in modo naturale oppure grazie a perforazioni
artificiali) sotto forma di fluido più o meno caldo (più raramente
anche vapore surriscaldato) utilizzabile per scopi termici
(riscaldamento) o per la produzione di energia elettrica, a seconda
della temperatura e delle caratteristiche del fluido stesso.
• Il flusso che misuriamo in superficie deriva dal fatto che, per
assicurare l’equilibrio termico in un corpo, il calore si sposta in vari
modi da zone ad alta temperatura a quelle a bassa temperatura in
vari modi, di cui i principali sono la conduzione e la convezione.
• Per salire in superficie il calore usa la tecnica della convezione che è
tipica dei fluidi (liquidi e gas).
• La materia che si trova sul fondo, è riscaldata per prima, di
conseguenza diventa più leggera e tende a salire verso l’alto,
mentre quella in superficie è più pesante e tende quindi a scendere
verso il basso dove si riscalderà e risalirà prendendo il posto della
prima che nel frattempo si è raffreddata; queste correnti
ascensionali continuano infinitamente il loro ciclo portando così il
calore terrestre in superficie
• Attraverso le rotture degli strati rocciosi, dovute ad assestamenti
della crosta terrestre o a eruzioni vulcaniche, le acque e i vapori
riscaldatisi in profondità salgono verso la superficie e possono
essere utilizzati come fonte di calore oppure per produrre energia
elettrica.
• Se il vapore è presente ad alta temperatura (200°-300°) viene
convogliato direttamente alla turbina che ne trasforma l'energia
cinetica in energia meccanica di rotazione. L'asse della turbina è
collegato al rotore dell'alternatore che, ruotando, trasforma
l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica alternata che viene
trasmessa al trasformatore. L'acqua di scarico delle centrali
geotermiche viene poi reiniettata in profondita' nel serbatoio,
attraverso appositi pozzi di reiniezione, mantenendo cosÏ la
pressione del serbatoio ed evitando l'inquinamento di falde o corsi
d'acqua in superficie.
L'acqua reiniettata sara' di nuovo scaldata dalla Terra.
APPLICAZIONI
Le principali applicazioni del vapore naturale proveniente
dal sottosuolo sono due:
A)generazione di energia elettrica tramite il classico
metodo delle turbine.
B)calore geotermico incanalato in un sistema di
tubature utilizzato per attività locali di
teleriscaldamento.
SCHEMA DELLA CENTRALE
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Turbina a vapore
Alternatore
Trasformatore
Pompa
Condensatore
Torre di raffreddamento
Pozzi di estrazione
Pozzo di rieniezione
FUNZIONAMENTO DELLA CENTRALE
Vapore ad alta temperatura
•
Se il vapore e' presente ad alta
temperatura (150-250°C), viene portato
in superficie per mezzo di trivellazioni
piu' o meno profonde, poi viene
convogliato in tubazioni, chiamate
vaporodotti, ed infine inviato alla
turbina, dove la sua energia viene
trasformata in energia meccanica di
rotazione. L'asse della turbina e'
collegato al rotore dell'alternatore che,
ruotando, trasforma l'energia
meccanica ricevuta in energia elettrica
alternata che viene trasmessa al
trasformatore.
Il trasformatore innalza il valore della
tensione (400.000 Volt) e la immette
nella rete di distribuzione.
• Il vapore uscente dalla turbina
viene riportato alla stato liquido
in un condensatore, mentre i gas
incondensabili, contenuti nel
vapore, vengono dispersi
nell'atmosfera.
Una torre di raffreddamento
consente di raffreddare l'acqua
prodotta dalla condensazione del
vapore e di fornire acqua fredda
al condensatore.
L'acqua condensata viene
smaltita reiniettandola nelle
rocce profonde da cui il vapore e'
stato estratto
VAPORE A BASSA TEMPERATURA
• Quando la temperatura del
vapore e' bassa ed il suo
utilizzo in turbina difficile, il
calore dello stesso viene
utilizzato per portare
all'evaporazione, in un
apposito scambiatore di
calore, un altro liquido che a
sua volta trasformato in
vapore verra' convogliato nella
turbina innescando il
procedimento sopra descritto.
• Questo stesso procedimento e'
utilizzabile anche per lo
sfruttamento di acqua calda, la
cui energia termica puo' venire
trasmessa ad un fluido
secondario ed utilizzato sia per
riscaldamento che per
produzione di energia
elettrica.
La caldaia che produce vapore
o acqua calda e' il serbatoio
naturale geotermico, situato al
di sotto della crosta terrestre.
TELERISCALDAMENTO
• Altro uso abbastanza diffuso e' rappresentato
dal riscaldamento di edifici, sia privati che
pubblici, o di interi quartieri.
• Lo schema di questo tipo di applicazione e'
simile a quello delle centrali a ciclo binario, qui
pero' il liquido secondario e' acqua pulita di
citta' che scorre in tubazioni che si diramano
fino agli edifici da riscaldare
Il teleriscaldamento porta direttamente nelle case il calore per il riscaldamento e l'acqua
calda sanitaria senza bisogno di avere caldaie, bruciatori, serbatoi per il combustibile e canne
fumarie.
Gli altri usi del calore geotermico
• Oltre che per generare
elettricita', il calore
geotermico e' impiegato in
applicazioni dirette, che
assicurano un risparmio
d'energia fruttando acqua a
temperature comprese tra i 20
e i 150ƒC.
• Accanto alle cure termali,
l'acqua calda geotermica viene
usata per riscaldare serre per
la floricoltura e l'orticoltura,
vasche per l'itticoltura, per
pastorizzare il latte, per
essiccare cipolle o legname,
per lavare la lana.
Pompe di calore
• Infine e' da menzionare
l'impiego nei sistemi a
pompe di calore che
producono caldo in
inverno e fresco in
estate, consumando
pochissima elettricita' e
sfruttando la
temperatura del terreno.
Schema di una pompa di calore
DOVE VIENE SFRUTTATA
• L’energia geotermica è utilizzata in tutte le parti
del mondo.
• In particolare, la geotermia è la fortuna
energetica dell'Islanda. La grande isola del nord
Atlantico basa l'intera sua esistenza energeticoclimatica sul naturale equilibrio tra l'acqua calda
in profondità e l'atmosfera glaciale esterna.
L'esempio dell'Islanda
•
. Questo piccolo paese (102.819 km2,
289.000 abitanti) si trova in corrispondenza
della dorsale medio-atlantica, tra la placca
eurasiatica e quella nord-americana. E' una
delle aree tettonicamente più attive del
mondo, ricca di vulcani (più di 200, di cui
almeno 30 sono entrati in eruzione in tempi
storici) e di sorgenti calde (più di 600 con
temperatura >20°C). Le risorse geotermiche,
localizzate soprattutto nelle aree di
vulcanismo attivo o ai loro margini, sono
usate per generare elettricità e per usi diretti
del calore. Gli impianti per produzione di
elettricità sono attualmente operativi a
Svartsengi, Krafla e Nesjavellir per un totale
di 202 MWe installati. Altri 30 MWe sono in
costruzione a Nesjavellir e circa 180 tra
Husavik e Reykjanes.
La più importante forma di utilizzazione
non-elettrica delle risorse geotermiche è il
riscaldamento di ambienti. In Islanda l'87%
delle case sono riscaldate con fluidi
geotermici e si prevede che in futuro sarà
raggiunto il 92%. Il riscaldamento di piscine
pubbliche è un altro importante uso del
calore geotermico. Nel paese ci sono circa
130 impianti di questo tipo. L'acqua a 35°C
scaricata dagli impianti di riscaldamento
delle case è usata per sciogliere il ghiaccio e
la nave sui marciapiedi e le aree di
parcheggio
Energia geotermica in Italia
•
•
L'Italia oltre ad essere il Paese
"geotermicamente" più caldo d'Europa,
è stato anche il primo paese a costruire
un impianto per sfruttare l’energia
geotermica. (Larderello)
In Italia sono attualmente operative 32
centrali geotermiche, che producono
elettricità sfruttando il vapore naturale,
per un totale di 790,5 MWe (2005). La
produzione è stata nel 2003 di 5340,4
GWh/a. Tutti gli impianti si trovano in
Toscana nelle aree di Larderello (20
centrali, 542,5 MWe), Travale Radicondoli (6 centrali, 160 MWe) e
Monte Amiata (6 centrali, 88 MWe)
(Figura 8).
Larderello
•
•
Un tempo la zona del Larderello era detta la
“valle del diavolo” per il pesante odore di
zolfo e i suggestivi fenomeni naturali: geyser,
fumarole, lagoni bollenti. Molti ritengono che
Dante si sia immaginato l’Inferno visitando
proprio questi luoghi
4 luglio del 1904 il principe Piero Ginori
Conti dimostrò che il demonio non aveva
nulla a che spartire con il vapore e con il
puzzo che dominava la Val di Cecina. Come
per magia incanalò un soffione in una
condotta, inviò il vapore a un piccolo
impianto trasformatore e accese cinque
lampadine.
Fu da quel momento che l'Italia si segnalò al
mondo come primo stato a sfruttare l'energia
geotermica per produrre energia. Nel 1913 a
Larderello nacque il primo impianto di
generazione che produceva 20, timidi, kW/h
(kilowatt/ora). Via via il complesso si è poi
fatto più articolato: nel 1963 l'Enel entrò in
scena acquistando tutte le attività minerarie
e geotermoelettriche e dando nuovo slancio
all'attività produttiva.
Aree geotermiche potenzialmente sfruttabili
• Aree con temperature = di
50 °C a 5000 metri di
profondità.
• Aree con temperature = di
70 °C a 2000 metri di
profondità
• Aree con temperature = di
100 °C a 2000 metri di
profondità
• Aree con rocce
carbonatiche fino ai 1000
metri di profondità e
• temperatura di 175 °C
VANTAGGI
• l'energia geotermica è una fonte di energia pulita
( non inquinante) e rinnovabile
• non è prevista manutenzione
• un impianto geotermico dura più di 100 anni
• l'energia geotermica non viene importata
• si ha un risparmio fino all' 80% dei costi di
esercizio
• è possibile generare riscaldamento e
raffreddamento con lo stesso impianto