L’energia geotermica

Le energie rinnovabili

Per “energie rinnovabili” intendiamo quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono “esauribili” nella scala dei tempi “umani” e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

La Direttiva europea 2009/28/CE (conosciuta anche come direttiva RES – Renewable Energy Sources) relativa all’uso dell’energia da fonti rinnovabili riconosce come tali (art. 2 – definizioni) l’energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas.

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L'energia geotermica

L’energia geotermica può essere sinteticamente indicata come il calore presente nel sottosuolo in quantità e a temperature pressochè costante per tutto l’anno, a prescindere dalle condizioni climatiche esterne. Questo calore può essere utilizzato se nel suolo viene immersa una tubazione all’interno del quale circola un fluido (acqua o acqua glicolata) ad una temperatura inferiore a quella del suolo.
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Approfondimento sull’energia geotermica

In ogni punto della superficie terrestre è presente un flusso di calore che, proveniente dal mantello terrestre (strato semifluido di roccia ad elevate temperature), si trasmette per conduzione attraverso le formazioni rocciose della crosta terrestre.
L’intensità del flusso geotermico è legata alla profondità alla quale nel punto considerato si trova il mantello terrestre e determina un gradiente di temperatura che varia generalmente da 0,10 K/m a 0,0167 K/m.
La dicitura K/m sta ad indicare la variazione di temperatura (in aumento se si scende, in diminuzione se si sale) rispetto alla quota zero, ovvero al livello della superficie. Quindi ad esempio se il gradiente di temperatura è 0,10 K/m per ottenere una differenza di 1 K bisognerà portarsi a una profondità di 10 m.
Così quindi tra la parte profonda e quella superficiale di una sonda geotermica verticale da 100 m, sempre considerando un gradiente di 0,10 K/m, ci sarà una differenza di temperatura di 10 K. Il fenomeno fisico brevemente descritto consente di ottenere migliori prestazioni di scambio termico in profondità grazie all’utilizzo di sonde geotermiche (particolari scambiatori di calore che consentono di recuperare il calore contenuto nel terreno, descritti nel dettaglio più avanti).
Tale fenomeno è chiaramente sfruttabile se il sistema geotermico utilizzato prevede l’adozione di sonde geotermiche verticali di idonea profondità.

È opportuno evitare di confondere i sistemi geotermici volti allo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia dai sistemi geotermici per generazione di potenza (i più noti dei quali si trovano in Toscana, a Larderello) che invece di sfruttare la costanza della temperatura del suolo sfruttano infiltrazioni di magma che risalgono verso la crosta terrestre e creano, in modo molto localizzato, delle sacche di vapore (con acqua presente in loco oppure immessa tramite perforazioni) e sfruttano questo vapore per la generazione elettrica. Si tratta di tipologie impiantistiche completamente diverse, che sfruttano il medesimo “motore”, ovvero il mantello terrestre, ma con costi e finalità opposti tra loro.
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I sistemi geotermici ad anello chiuso

Per sistemi geotermici ad anello chiuso si intendono le tipologie impiantistiche atte all’utilizzo del terreno come fonte rinnovabile d’energia termica a bassa entalpia (temperature del suolo medio basse), attraverso scambiatori di calore verticali o orizzontali inseriti direttamente nel suolo.

È stato osservato come l’ampiezza della variazione stagionale di temperatura del suolo nei vari mesi dell’anno diminuisce con l’aumentare della profondità e, oltre una certa quota, l’ampiezza delle variazioni si annulla. Per un terreno medio già a 10 m di profondità si osserva che la temperatura varia di un solo grado nell’arco dell’anno, quindi ai fini impiantistici si può già considerare trascurabile. Scendendo ulteriormente fino a 15-18 m tale variazione si annulla completamente e il terreno mantiene una temperatura assolutamente costante durante l’anno.

Questa caratteristica del suolo consente una costanza della temperatura della sorgente termica della pompa di calore, la quale quindi mantiene costante durante l’intera stagione d’esercizio la sua efficienza energetica. Tale vantaggio è sfruttabile a pieno nel caso dei sistemi costituiti da scambiatori di calore verticali (sonde geotermiche) e, in misura minore e variabile in funzione della profondità raggiunta, anche dai campi geotermici orizzontali.
Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso presente negli edifici viene dato al terreno. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore, motori che tutti noi conosciamo nella forma più diffusa, rappresentata dal frigorifero. Gli impianti geotermici sfruttano la temperatura costante che il terreno ha lungo tutto il corso dell’anno. Più la differenza tra temperatura esterna e temperatura costante del suolo è alta, migliore sarà il rendimento della pompa di calore. Infatti questa tecnologia è particolarmente diffusa nel nord dell’Europa dove, a causa dei climi estremamente rigidi, le tecnologie convenzionali avrebbero difficoltà di esercizio e costi di funzionamento più alti.
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Le sonde geotermiche

Per trasferire il calore dal terreno agli edifici da riscaldare si utilizzano particolari scambiatori di calore detti sonde geotermiche: tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido (generalmente una soluzione acqua-glicole, per evitare il congelamento in presenza di basse temperature) che assorbe il calore e lo porta in superficie (o nel sottosuolo nel caso di funzionamento estivo). Le sonde possono essere di tre tipi:

  • verticali;
  • orizzontali;
  • pali energetici.

Nel primo caso la sonda scende nel terreno andando verso temperature più uniformi e necessita di idonei studi (svolti da società specializzate) per individuare sia la numerosità che la profondità delle perforazioni da realizzare, a seconda del tipo di terreno. Questo perché ogni terreno possiede delle caratteristiche di scambio termico proprie, che possono anche variare con la profondità, ed è quindi necessario uno studio approfondito delle caratteristiche del suolo dove si andranno ad installare le sonde prima di realizzare le perforazioni dove alloggiare le sonde stesse. Queste sonde hanno le prestazioni migliori rispetto a quelle orizzontali, ma di contro hanno i costi di realizzazione più elevati, dovuti principalmente alla necessità di realizzare perforazioni profonde e numerose, specie se il terreno ha scarse proprietà di scambio termico.

Nel secondo caso è necessario un terreno sufficientemente pianeggiante nel quale i tubi vengono posati a seguito di un semplice scavo ad una profondità non elevata (da 1,5 m a un massimo di 5 m). Ovviamente secondo quanto esposto sopra la temperatura del suolo a questa profondità risulterà influenzata dalla temperatura esterna in modo molto più significativo che nel caso delle sonde geotermiche verticali. Tale svantaggio viene in parte compensato dalla riduzione di costo rispetto alle sonde verticali.
Nel caso delle sonde orizzontali le stesse possono essere posizionate anche sul fondo di un lago artificiale o naturale sfruttando, in questo caso, il calore dell’acqua e la sua migliore conducibilità termica rispetto alla roccia. In tale caso tuttavia va valutato il quadro legislativo locale in quanto numerose amministrazioni hanno regolamenti ben precisi sugli squilibri termici che si possono apportare alle acque di superficie o alle falde acquifere sotterranee.

Il terzo caso, ancora poco diffuso, prevede di installare delle sonde geotermiche verticali in corrispondenza dei pali di fondazione della struttura, ed è quindi applicabile solo ad edifici ancora da realizzare per cui sia stata espressamente prevista questa tipologia di impianto. La possibilità, di per sé interessante, è ancora poco sfruttata a causa dei costi di realizzazione dovuti ai materiali speciali da impiegare e al sovradimensionamento delle sonde necessario in quanto, a differenza delle sonde verticali tradizionali, non è possibile intervenire in caso di guasto essendo le sonde annegate nel calcestruzzo di fondazione dell’edificio.
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La pompa di calore ad assorbimento geotermica

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