Energia geotermica

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Cosa è?

L’energia geotermica, o "calore della Terra" è l’energia immagazzinata sotto forma di calore al di sotto della superficie terrestre, che deriva soprattutto dal decadimento di elementi radioattivi presenti in natura. Già a partire da circa 15 metri sotto il livello del suolo la temperatura del terreno è costante lungo tutto l’arco dell’anno. Vi sono diversi metodi per utilizzare questo calore:sonde geotermiche verticali, pozzi artesiani, geostrutture e acque calde provenienti dal drenaggio delle gallerie vengono di solito utilizzati, in unione ad una pompa di calore, per scopi di riscaldamento e, in alcuni casi, anche di refrigerazione.

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La temperatura dell’acqua sotto ai nostri piedi..

Nelle viscere della terra la temperatura è alta: il 99% del globo terrestre ha una temperatura superiore a 1'000 °C, mentre solo per lo 0,1% essa è inferiore a 100°C. Questa grande riserva di energia può essere sfruttata con metodi adeguati. Tecnologie consolidate come le sonde geotermiche e le geostrutture permettono di captare il calore terrestre fino a 500 metri di profondità. I progressi compiuti in questo campo rendono possibile raggiungere anche profondità di circa 5'000 metri e impiegare l’energia prelevata per la produzione di corrente elettrica e di calore senza generare sostanze nocive o CO2.

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Energia geotermoelettrica: 4 luglio 1904Il primo tentativo di produrre elettricità dall'energia geotermica è stato fatto a Larderello il 4 luglio 1904, quando il Principe Piero Ginori Conti avviò un motore, azionato dal vapore geotermico, collegato ad una dinamo (Figura 6). La riuscita di questo esperimento segnò l'inizio di una importante forma di utilizzazione del calore terrestre di grande importanza, che si sarebbe diffusa in tutto il mondo.

Attualmente le risorse geotermiche sono estesamente sfruttate per produrre elettricità e per usi diretti del calore (applicazioni non-elettriche). Diversamente da altre forme di energia rinnovabile, come solare ed eolica, sono indipendenti dalle stagioni e dalle condizioni climatiche e metereologiche e costituiscono una sorgente energetica continua. La posizione delle risorse geotermiche nei confronti della totalità delle fonti energetiche primarie è illustrata dalla Figura 7. Si valuta che lo sfruttamento dell'energia geotermica permetta di risparmiare annualmente 265 milioni di barili di petrolio e di evitare di immettere nell'atmosfera 115 milioni di tonnellate di CO2.

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Le risorse geotermiche sono anche sfruttate per il riscaldamento I sistemi di riscaldamento alimentati dall'energia geotermica hanno emissioni di biossido di carbonio praticamente nulle. In Italia, il sistema di riscaldamento urbano di Ferrara, alimentato da un acquifero a 100°C tra 1100 e 2000 m di profondità, fornisce calore ad un volume di 2,5 milioni di m3 in edifici privati e pubblici. Altri sistemi di riscaldamento si trovano nell'area geotermica toscana (Castelnuovo V.C., Larderello, Monterotondo Marittimo, Pomarance) e a Bagno di Romagna. Il riscaldamento di singoli edifici, soprattutto alberghi, è diffuso nell'area dei Colli Euganei (Abano Terme, Battaglia Terme, Galzignano, Montegrotto) e nell'Isola d'Ischia.

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Balneologia

La forma di utilizzazione più diffusa delle acque calde geotermiche è senza dubbio la balneologia. In moltissimi paesi esistono stabilimenti termali o piscine riscaldate dalle acque geotermiche. In Italia, gli stabilimenti termali sono numerosissimi e non è possibile elencarli. Alcuni sono, peraltro, notissimi, come Abano Terme, Ischia, Montecatini Terme, Saturnia, ecc.

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Geyser

I Geyser sono sorgenti calde che eruttano a

intermittenze colonne di vapore e acqua

bollente. La durata dell’eruzione può variare

da alcuni secondi a molte ore. La forza con

cui la colonna viene espulsa dipende dalla

sua profondità e quindi dal peso: con questo

aumenta la pressione esercitata alla base

della colonna e quindi sale il punto di ebollizione

dell’acqua. Quando l’acqua entra in ebollizione, la

quantità di liquido viene spinta violentemente fuori.

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Le sorgenti termali

Le sorgenti termali derivano dal processo di formazione deigeyser ma in questi avviene molto la formazione di laghi bollenti.

Le sorgenti sono situate o lungo le linee di frattura o in prossimità

di crateri spenti. I componenti principali sono i gas juvenili.

Geotermia dal suolo

La temperatura media del terreno ha circa 100mt di profondità si aggira intorno ai 12 °C . La pompa di calore sfrutta questa temperatura e la rende disponibile al sistema di riscaldamento comprimendola e portandola anche fino a 70 °C. Durante l’estate questo sistema può venire semplicemente convertito in raffreddamento, mandando freddo fino a 8/10 °C, che sono di fatto sufficienti per alimentare sistemi di raffreddamento a ventilconvettori utilizzati per fornire la cosiddetta “ aria condizionata”. Alternativamente , si può distribuire fresco con impianti a pannelli radianti, ottenendo maggiore efficienza garantendo nell’ambiente una temperatura di circa 8 °C inferiori rispetto a quella esterna.

Geotermia dall’acqua sotterranea

Se vi è disponibilità di acqua sotterranea per la prossimità di falde freatiche o di laghi o altre sorgenti, questa fonte di energia può essere usata nello stesso modo dell’energia del suolo. In questo caso sono di solito necessarie due perforazioni, una per portare l’acqua alla pompa di calore ed una per restituire l’acqua al sottosuolo. Questo sistema sotterraneo basato sull’acqua, funziona nello stesso modo del sistema basato sull’energia del suolo e garantisce la possibilità di scaldare e rinfrescare durante tutto l’anno, giorno e notte. Questo concetto di energia ci rende indipendenti dal gas e dal petrolio. È una centrale termica presente nel nostro territorio.

Calore della terra Come già detto, la temperatura immagazzinata nel

sottosuolo del nostro pianeta aumenta in maniera proporzionale mano a mano che si scende in profondità (gradiente geotermico). È possibile sfruttare questa energia gratuita presente sotto di noi, trasportandola in superficie utilizzando come vettore l’acqua contenuta all’interno di sonde geotermiche, che vengono inserite nel terreno a profondità generalmente variabile tra i 60 e i 120 metri. Il calore così ottenuto viene poi integrato con l’ausilio di pompe di calore. In questi ultimi anni, stiamo assistendo ad un vero e proprio boom delle pompe di calore geotermiche che vengono utilizzate per il riscaldamento e il raffreddamento di abitazioni, ma anche in itticoltura, serricoltura, balneologia e per impianti industriali; si tratta della cosiddetta bassa entalpia.

L’uso di pompe di caloreL’uso di pompe di calore, abbinato a sonde geotermiche, ha trovato applicazioni con centinaia di unità in molti paesi del mondo. La diffusione è destinata a diventare sempre maggiore grazie alla crescente sensibilità delle persone verso l’ambiente, che va salvaguardato dagli effetti nocivi dell’inquinamento dovuto principalmente all’uso di combustibili fossili.

Tipi di connessione a terra

Verticale Verticale Terreno roccioso Più costoso Minore terra usata Alta efficienza

Orizzontale Orizzontale Più terra utilizzata Meno costoso Piccoli edifici Temp. variabili

Acqua di faldaAcqua di falda Acquifero+Iniezione Il sistema meno costoso Regolazione Sporcamento

• Anche con acqua superficiale e scambiatori a colonnaAnche con acqua superficiale e scambiatori a colonna

Risorse p.d.c. geotermiche: Temperature del terreno

Il terreno assorbe circa la metà dell’energia incidente del sole

Il terreno riduce le variazioni di temperatura

P.d.c. più efficienti

La variazione di temperatura diminuisce con la profondità

Trascurabile sotto 15 m

• Le temperature locali del terreno dipendono dal clima, dalle Le temperature locali del terreno dipendono dal clima, dalle coperture del terreno e nevose, inclinazione, propietà del suolo ecc.coperture del terreno e nevose, inclinazione, propietà del suolo ecc.

Grafico: Canadian Building Digest

INVERNO ESTATE AUTUNNOT

EM

PE

RA

TU

RA

°F

TE

MP

ER

AT

UR

A

°

C

Esempi di costi di sistemi con p.d.c. geotermiche

Possibili incentivi per minori carichi elettrici per climatizzazione

Costi Riscald. Raffred. Totale EnergiaIniziali Anno Anno Anno Anno

Gas/AC $16.000 $600 $900 $1.500 27 MWhPDCG $20.500 $450 $600 $1.050 11 MWh

Connecticut, USA, casa da 275 m2

Costi Riscald. EnergiaIniziali Anno Anno

Elettric. $8.000 $800 20 MWhPDCG $13.000 $350 6,5 MWh

Finlandia, casa da 150 m2

Foto: Suomen Lämpöpumpputekniikka Oy

Foto GeoExchange Consortium

• Aumento dei costi energeticiAumento dei costi energetici• Maggiore rispetto ambientaleMaggiore rispetto ambientale• Bonus climatizzazione estivaBonus climatizzazione estiva

Considerazioni sui progetti con pompe di calore geotermiche

Più economiche quando: E’ richiesto sia il riscaldamento che il raffrescamento

Sussistono forti variazioni stagionali di temperatura

Sono installazioni in nuove costruzioni o retrofit impianti di climatizzazione

Per il riscaldamento: bassi costi di energia elettrica con alti costi di gasolio e/o gas naturale

Per il raffrescamento: alti costi di energia elettrica ed alte tariffe elettriche nelle ore di punta

Disponibilità di tecnologie di trivellazione e di scavo

Variabilità del costo del sistema di scambio termico con il terreno

Fattibilità economica da valutare anche in base all’applicazione dell’utente finale

Foto: Craig Miller Productions and DOE (NREL PIX)

Installazione di p.d.c. geotermica

Scambio termico con il terreno, Edificio commerciale

Esempi: Australia, Germania e Svizzera

Installazioni in edifici residenziali

Case con grandi volumetrie

Costo iniziale più elevato

Ammortamento più lungo dei sistemi tradizionali

Benefici ambientali e di comfort

Gli incentivi delle società elettriche di distribuzione possono costituire un fattore importante

Foto Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V.

Foto GeoExchange Consortium Foto: Eberhard & Partner AG

20 kW p.d.c. geotermica, Germania Trivella per pozzi, Svizzera

320 appartamenti, Australia del sud

Esempi: GB e Stati Uniti

Impianti in siti commerciali

Tempi corti di ammortamento (< 5 anni)

Possibili problemi per disponibilità di terreno

Minor utilizzo di spazi interni

Controlli semplici e distribuiti

Ridotto rischio di atti vandalici

Consumi ridotti durante la tariffa elettrica di picco

Riscaldamento di integrazione non necessario

Foto: Groenholland B.V.

Foto: Marion Pinckley (NREL PIX) Foto: International Ground Source HeatPump Association

Complesso, Kentucky, USA Stazione di servizio, Kansas, USA

Edificio commerciale, Croydon, GB

Esempi: Canada e Stati Uniti

Impianti in edifici pubblici

Tempi di ammortamento più lunghi accettati

Più aperti a sistemi innovativi

Carichi termici e frigoriferi simultaneiFoto: Robert R. Jones/Oklahoma State University (NREL PIX)

Scavo per scambio term. orizzontale

Scuola, Quebec, Canada

Foto: Natural Resources Canada

L’Italia è posta su una zona ad alto flusso di calore.

La trasformazione dell’energia geotermica in elettricità si può ottenere con tecnologie diverse a seconda della temperatura e della pressione del sistema idrotermale disponibile: 1) a vapore secco o a vapore dominante (vapordotti)2) ad acqua calda (centrali a flash)3) ad acqua con temperatura moderata (ciclo binario)

1) I sistemi a vapore secco o “a vapore dominante” sono costituiti da vapore secco che si trova a pressioni e temperature elevate, accompagnato da altri gas o sostanze solubili. La temperatura del vapore oscilla dai 600°C ai 250°C a seconda della profondità del pozzo. Quando ci si trova in presenza di un tale campo, il vapore può essere inviato direttamente in una turbina, adatta alle caratteristiche termodinamiche del fluido (pressione e temperatura), attraverso dei vapordotti. In questo caso si parla di centrali a vapore secco (dry-steam plants), in quanto il fluido geotermico è solamente vapore.

2) I serbatoi a vapore umido o “ad acqua dominante” con temperatura superiore a 180°C sono impiegati per alimentare centrali a singolo o doppio flash. L'acqua, la cui temperatura varia da circa 180 a 370°C, arriva in superficie tramite i pozzi e poiché passa rapidamente dalla pressione di serbatoio a quella dell'atmosfera, si separa (flash) in una parte di vapore, che è mandato alle turbine per produrre energia, e una parte di liquido che è reiniettato in serbatoio. Se il fluido geotermico arriva in superficie con temperature particolarmente elevate, allora può essere sottoposto per due volte ad un processo di "flash" (cioè di separazione). Il fluido entra in un primo separatore dove con il primo flash si genera vapore ad alta pressione; il liquido di questo stadio alimenta un secondo separatore per la produzione di vapore a pressione minore. La maggior parte delle centrali geotermoelettriche del mondo, tra le quali anche quelle di Travale e dell'Amiata, della potenza di 108 MWe, appartengono a questa tipologia.

Il fluido secondario si espande in turbina e viene quindi condensato e riavviato allo scambiatore attraverso un circuito chiuso, senza contatti con l’esterno.L’acqua geotermica, dopo aver attraversato lo scambiatore, torna al pozzo di reiniezione per essere ripompata nel serbatoio. La reiniezione in questo caso assume notevole importanza in quanto quasi tutto il liquido estratto deve essere reintegrato: i pozzi reiniettivi sono quindi uguali in numero a quelli estrattivi. I due fluidi sono confinati in sistemi di circolazione distinti e non vengono mai a contatto tra loro. Il vantaggio di un impianto di questo genere risiede nella possibilità di utilizzare fluidi a temperatura medio-bassa (100÷150°C) o caratterizzati da elevata salinità (fluidi incrostanti), grazie all’utilizzo di un fluido secondario avente punto di ebollizione inferiore rispetto all’acqua.

3) In questi sistemi il fluido geotermico viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un secondo fluido di lavoro (ad esempio isopentano, ammoniaca, freon), con temperatura di ebollizione più bassa rispetto all’acqua.

Per sfruttare la risorsa geotermica si possono anche utilizzare centrali a “ciclo combinato”, in cui vengono accoppiati un ciclo binario ed uno a singolo flash. Si cerca così di massimizzare il rendimento del sistema in quanto il ciclo binario utilizza come fluido primario il liquido che si ottiene dopo aver separato il vapore dal fluido geotermico iniziale. In altri termini da quest’ultimo si ricava, dopo il flash, una parte di vapore (che va in turbina) ed una parte liquida, la quale, a sua volta, serve per vaporizzare il fluido secondario del ciclo binario (anche questo vapore aziona una turbina).

Vantaggi La geotermia consente di trarre dalle forze naturali una grande energia

rinnovabile e pulita.Svantaggi La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche: 1. Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico

odore di uova marce delle zone termali, causato dall’idrogeno solforato. Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una centrale geotermica. Il problema è risolvibile mediante installazioni di particolari impianti di abbattimento.

2. L’impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature anti-estetiche. Un’immagine che non è diversa da quella di molti altri siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente risolto unendo l’approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di un’architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico.

Panorama mondiale … Panorama geotermico mondiale per gli usi elettrici e per gli usi

diretti L'uso del calore endogeno della Terra, dopo le prime applicazioni di

Larderello, si è sviluppato in tutto il mondo con progetti che utilizzano fluidi ad alta e bassa entalpia e che mirano alla produzione di energia elettrica ed agli usi termici diretti.

Complessivamente, con riferimento al 2000, la potenza installata nel mondo era di circa 7.974 MWe e 15.145 MWt ed i campi geotermici in esercizio o in via di sviluppo sono in tutto 95 su oltre 250 accertati.

Continente Americano.Gli Stati Uniti (2228 MWe, 3766 MWt al 2000) sono uno dei paesi più all'avanguardia nella geotermia con 26 campi in esercizio ad alta entalpia; si tratta soprattutto di campi "ad acqua dominante" distribuiti nell'Imperial Valley in California settentrionale, vi è, inoltre, un campo gigante "a vapore dominante“, The Geysers.

In Italia le leggi spesso non prevengono i problemi, ma con ritardo li rincorrono

Anche in materia di geotermia il quadro normativo non è ancora esaustivo

Quale percorso amministrativo?Vista l’esistenza di un gap normativo per gli impianti geotermici, ci siamo interrogati su quale fosse la più corretta procedura di autorizzazione.

Gli impianti geotermici si distinguono in due tipologie:- Gli impianti a CICLO APERTO- Gli impianti a CICLO CHIUSO

BASSA ENTALPIA

Impianti a CICLO CHIUSO

Si può fare riferimento all’Art. 95 del vecchio TU sulle acque n. 1775/1933, che dovrebbe permettere il rilascio da parte della Regione di un’autorizzazione per la ricerca di acque sotterranee o per lo scavo di pozzi.

Da recenti contatti con la Regione sembrerebbe che la sola fase di perforazione sia da sottoporre al Regolamento Regionale n. 41/2001 (“Regolamento per la disciplina del procedimento di concessione di acqua pubblica”), che sembrerebbe sostituire solo la prima parte dell’art. 95 del T.U., mantenendo salva la parte relativa allo scavo di pozzi.

Secondo l’Avvocatura della Regione si dovrebbe fare riferimento all’art. 17 del Reg. n. 41/2001 che si riferisce però a perforazioni finalizzate a sondaggi per il controllo del livello piezometrico della falda e della qualità delle acque.

Impianti a CICLO APERTOTale tipologia di impianti prevede estrazione d’acqua dalle falde.

Pertanto, un impianto a ciclo aperto ricadrebbe nella procedura di VIA (secondo quanto sostenuto dalla Regione potrebbe infatti figurarsi la categoria A.1.3. della LR 9/99), con le soglie previste per i pozzi (100 l/s – All. III, lett. b, Parte II D.Lgs. 152/06 e smi).

Al di sotto di tali soglie: tra i 50 e i 100 l/s ricadrebbe nella procedura di screening, mentre al di sotto dei 50 l/s ricadrebbe nella normativa settoriale relativa alle concessioni.

In quest’ultimo caso sarebbe quindi necessario richiedere la concessione di derivazione con prelievo di acqua pubblica al Servizio Tecnico di Bacino.

Inoltre, lo scarico in corpo idrico superficiale e/o sul suolo oppure la reimmissione nella stessa falda di prelievo devono essere sottoposti al rilascio dell’autorizzazione settoriale allo scarico da parte della Provincia o del Comune, a seconda che tale scarico sia industriale o domestico.