GEOTERMIA UNA BREVE DESCRIZIONE

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1 GEOTERMIA UNA BREVE DESCRIZIONE di Luca Maffeo Albertelli 1 1. La terra come fonte di energia La Terra è da sempre fonte di energia per l uomo, il petrolio, il gas, l acqua, la coltivazione ed uso di minerali e tanto altro ancora. La vita dell uomo è stata condizionata sin dai tempi più antichi dall utilizzo di queste fonti di energia che, attraverso i progressi della scienza, abbiamo imparato a trasformare e modificare a nostro piacimento. Ci siamo però accorti che queste risorse non sono un bene infinito ma hanno un termine e vanno utilizzate con criterio e rispetto. Oltre ad essere un bene finito, ci siamo anche resi conto che forse esiste qualcosa di più conveniente in termini di rapporto impatto ambientale/energia prodotta, ed assistiamo oggi ad un interessante progresso nell utilizzo delle cosiddette fonti di energia alternativa. Tra queste fonti alternative si può sicuramente includere l uso della geotermia. In questo caso non si tratta di una nuova risorsa o nuovo sfruttamento, esistono impianti geotermici che ben funzionano sin dai primi del 900 e ancora oggi forniscono un interessante fonte di energia per il nostro paese. È cambiato invece il sistema di utilizzo, se prima si riteneva fosse possibile e conveniente utilizzare il solo geotermico di cosi detta alta temperatura (relativo alle sole zone dove le anomalie terrestri forniscono acque calde o temperature elevate superiori ai 150 C), assistiamo ora ad una diffusione nell uso della cosiddetta geotermia a bassa entalpia che utilizza il calore terrestre presente a basse profondità nella crosta. In questo caso si può anche parlare di un geotermico di carattere domestico, che può servire le singole abitazioni o palazzine, fornendo l acqua alle giuste temperature per il riscaldamento o raffrescamento degli ambienti, con l impiego di pompe di calore. Vale comunque la pena rimarcare che l Italia è un paese caldo dal punto di vista geotermico per la presenza di numerosi vulcani, aree termali e zone tettoniche di subsidenza 2. 1 Luca Maffeo Albertelli Geologo, Amministratore della società COGEO snc.

2 Fare energia Fiscalità e agevolazioni I primi studi sui possibili utilizzi geotermici a carattere nazionale risalgono invece agli anni 70, quando Eni ed Enel fecero numerose perforazioni e misure del gradiente geotermico in tutto il territorio nazionale, rilevando interessanti potenzialità di utilizzo di queste risorse. L investimento tecnologico subì pero un arresto negli anni 90 per il rientro del prezzo del petrolio e per la mancanza di incentivi economici necessari per continuare la ricerca. Nei successivi paragrafi si fornisce una descrizione generale del significato di energia geotermica, soffermandosi sull uso della geotermia a bassa entalpia per l uso riscaldamento, che può rappresentare un piccolo ma diffuso sistema di risparmio energetico da adottare per le nuove costruzioni. 2. Il calore geotermico La Terra è suddivisa in tre principali porzioni, rappresentate dalla Crosta Terrestre, dal Mantello e dal Nucleo che costituiscono i livelli che dalla superficie terrestre, con diverso spessore, si incontrano scendendo in profondità per circa Km (raggio terrestre). Dall interno della Terra, verso l esterno, il calore si propaga per il principio fisico che regola il trasferimento di calore da un corpo più caldo (nucleo e mantello) verso un corpo più freddo (crosta terrestre). Questo fenomeno si chiama flusso di calore (HFU =Heat Flow Unit). Misurandolo possiamo determinare la variazione di temperatura con la profondità, ricavando quello che viene definito gradiente Figura 1. Variazione del Gradiente con la profondità geotermico. Per la crosta terrestre questo gradiente rappresenta il risultato della divisione tra il flusso di calore (W/m 2 ) e la conducibilità termica delle rocce (W/m C). Il flusso di calore terrestre è di 65 mw/m 2, con una media ponderale globale di 87 mwm -2 (Pollack et al., 1993). 2 Si tratta di zone della crosta terrestre dove si verifica lo sprofondamento di parti della crosta o- ceanica al di sotto della crosta continentale, scendendo in profondità (subsidenza) la roccia viene fusa e contribuisce ad incrementare il flusso di magma che alimenta il mantello terrestre.

3 Il valore del gradiente geotermico della crosta è pari a circa 25 C/Km (valore medio da risultati sperimentali di misure in varie zone del pianeta), che vale per la sola crosta e non può certo essere applicato agli strati profondi dove si otterrebbero valori di temperatura troppo elevati rispetto a quelli sperimentalmente desunti (temperatura presunta del nucleo pari ad oltre C). Il calore che si propaga dalla terra HFU, si genera in buona parte dal decadimento di alcuni elementi radioattivi tra cui Uranio (U 238 U 235 ), Torio (Th 232 ) e Potassio (K 40 ) a cui si associa il cosiddetto calore primordiale. Esistono alcune aree della crosta terrestre che presentano delle anomalie di carattere geologico che fanno si che il gradiente geotermico vari di molto rispetto al valore medio appena considerato, arrivando anche a valori dieci volte superiori a quelli medi. Queste sono proprio le zone dove esistono acque termali calde, geyser e acque calde profonde. Esistono però anche aree in cui il gradiente, localmente, può arrivare a valori di 1 C/100 mt e si tratta in tal caso di zone particolari dal punto di vista geologico, dove lo sprofondamento di sedimenti giovani 3 ha generato tali anomalie. L Italia presenta numerose aree con gradiente geotermico elevato, come il sito di Larderello, i Campi Flegrei e tante altre zone termali e vulcaniche. È proprio il sito di Larderello che nel 1904 ha visto nascere il primo esperimento/tentativo di produrre energia elettrica dal vapore generato dal calore geotermico, da allora si sono sviluppati una serie di nuovi impianti e tecnologie che oggi ritroviamo diffuse in tutto il mondo. 3. Caratteristiche degli impianti geotermici 19,00% 15,00% GEOTERMIA DIRETTA IN ITALIA 22,00% 8,00% 1,00% 35,00% Figura 2. Distribuzione usi geotermici in Italia pompe di calore industria balneologia termale riscaldamento itticoltura serricoltura Esistono varie possibilità di sfruttamento geotermico e le principali consistono nella produzione di energia elettrica (uso indiretto) o termica (uso diretto), nella balneazione termale, nell agricoltura o nelle lavorazioni di processo in campo industriale (vedi Figura 2.). Tralasciando gli usi più immediatamente comprensibili, si possono descrivere gli impianti utilizzati per la produzione di energia elettrica e termica, che spesso si possono ritrovare abbinati in un unico impianto. 3 Si intendono sedimenti giovani quei depositi formatisi in epoche geologiche recenti.

4 Fare energia Fiscalità e agevolazioni In Italia sono presenti 32 centrali geotermoelettriche (dato riferito al dicembre 2006), localizzate prevalentemente in Toscana. Questi impianti producono energia attraverso la pressione generata dal vapore presente negli acquiferi 4 caldi, che mette in rotazione una turbina e genera energia meccanica, trasformata poi in energia elettrica per mezzo di un alternatore o generatore. Questi impianti vengono in gergo definiti a vapore dominante. Quando invece si ritrova dell acqua calda in profondità, con temperature superiori ai 200, vengono eseguite delle perforazioni e l acqua che risale in superficie produce vapore al contatto con l aria fredda esterna. Il vapore prodotto viene immesso direttamente nella centrale mentre l acqua raffreddata, viene reimmessa in profondità dove continua il suo ciclo di riscaldamento e quindi di utilizzo in superficie. In questo caso si parla di impianti ad acqua dominante. Di questa tipologia di impianti ne esistono anche alcuni che sfruttano acque con temperature più basse, tra i 110 e 200, portando a vapore un secondo fluido che viene messo a contatto con l acqua calda. Di più recente utilizzo sono poi gli sfruttamenti geotermici delle cosiddette Rocce Secche (Hard Dry Rock). Si tratta di serbatoi geotermici profondi, creati attraverso la perforazione a profondità di circa mt in cui viene immessa dell acqua che satura le rocce sottostanti, preventivamente fratturate con particolari sistemi. L acqua così immessa viene riscaldata e risale in superficie dove, con uno scambiatore, si trasferisce l energia ad un turbogeneratore che produce elettricità. Tutti gli impianti descritti necessitano di acque calde o calde temperature del sottosuolo che ritroviamo solo in specifiche e in ben circoscritte aree del pianeta. Oltre alle particolari condizioni ambientali, sono necessari anche ingenti capitali per la realizzazione e messa in esercizio di questi impianti. Esiste invece la possibilità di usufruire dell energia geotermica anche dove non esistono queste anomalie terrestri, senza necessariamente dover far fronte a pesanti costi di realizzazione. Si tratta della geotermia a bassa entalpia che in I- talia sta cominciando a muovere i primi passi ma che in Europa e, in altri paesi al mondo, è già consolidata e ben utilizzata. In questo caso si tratta di impianti di uso domestico, che possono assolvere al compito di energia rinnovabile ed eco-compatibile per la singola abitazione o condominio e possono fornire riscaldamento e climatizzazione degli ambienti. Rimando al paragrafo successivo la descrizione ed approfondimento della geotermia a bassa entalpia che credo meriti un trattamento a parte. Tornando invece agli impianti geotermici classici, vale la pena ricordare che il nostro paese, come già precedentemente accennato, ben si presta per 4 Si intende per acquifero un livello di terreno o roccia che contiene una falda

5 l esecuzione di centrali geotermiche. Nelle aree caratterizzate da alte temperature della crosta è infatti possibile ritrovare acque calde negli acquiferi compresi tra i ed i mt di profondità, considerando comunque che tutti gli acquiferi a mt di profondità possono essere utilizzati per la produzione di energia elettrica o termica. Tabella 1. Caratteristiche di conducibilità termica e potenza di estrazione del sottosuolo

6 Fare energia Fiscalità e agevolazioni 4. Geotermia a bassa entalpia Figura 3. Variazione della temperatura con la profondità nei primi 150 mt La tecnologia geotermica di utilizzo del naturale calore terrestre presente dalla superficie sino a 200 mt di profondità, prende il nome di geotermia a bassa entalpia, per differenziarla dalle classiche applicazioni viste in precedenza, che sfruttano le acque aventi temperature superiori ai 40. Si tratta di impianti che possono servire alla produzione di acqua calda per uso riscaldamento e per il raffrescamento degli ambienti. Sino alla profondità di circa mt, la temperatura del sottosuolo è infatti condizionata dalle variazioni atmosferiche stagionali, ma al di sotto di questa profondità si mantiene costante e risulta compresa tra i 12-14, per poi crescere secondo il gradiente geotermico locale di circa 2,5-3 ogni 100 mt (vedi Figura 3.). Il sistema sfrutta proprio questa temperatura costante durante il corso dell anno, per immettere nell abitazione aria calda nel periodo invernale attraverso il passaggio ad una pompa di calore 5 o aria fresca nel periodo estivo (in cui la temperatura dell aria esterna è decisamente più alta rispetto a quella dell acqua estratta dal sottosuolo). In un impianto geotermico si possono pertanto distinguere lo scambiatore di calore o sonda geotermica (tubazioni immesse nel terreno che catturano il calore terrestre), la pompa di calore ed il circuito o impianto di distribuzione. Si tratta di impianti che vanno correttamente dimensionati e calcolati in relazione alla natura del sottosuolo e alla sua capacità di condurre calore (vedi Tabella 1.). In questo capitolo si tratta il solo sistema suolo e pertanto lo scambiatore di calore-sonda geotermica, accennando alle possibili tecnologie di impianto oggi disponibili, tralasciando ad altre trattazioni l illustrazione del funzionamento delle pompe di calore. 5 Macchina in grado di trasferire il calore da un corpo ad un altro, forzando il naturale flusso di calore da un corpo caldo ad uno freddo.

7 Figura 4. Possibili installazioni della sonda geotermica Gli impianti geotermici a bassa entalpia possono essere distinti in due principali categorie, quelli a circuito chiuso (sonde geotermiche verticali o orizzontali) che catturano il calore terrestre attraverso un liquido termovettore di circolazione e quelli a circuito aperto che si basano sul prelievo e restituzione dell acqua che può essere di falda, di fiume o di lago. Il sistema geotermico a bassa entalpia più classico è quello a circuito chiuso con sonde verticali (vedi Figure 5 e 7), che viene realizzato attraverso una serie di perforazioni di lunghezza compresa tra i 100 ed i 200 mt all interno delle quali viene fatto passare il circuito di tubazioni che contengono il fluido termovettore. Si tratta di fori del diametro di millimetri riempiti di boiacca cemento-bentonitica a chiudere il foro tra il terreno o la roccia in posto e le tubazioni di circolazione del fluido. Possono essere realizzati sistemi con tubazioni in polietilene ad U, a singolo o doppio tubo, coassiali o coassiali complessi, a secondo della situazione locale dell intervento (vedi Figura 4.). Il sistema più stabile e sicuro dal punto di vista dell installazione è certamente quello con tubo ad U che oggi è ormai largamente impiegato, con materiali in polietilene ad alta densità PEAD o HDPE, PE100 o PN10/16, con diametro esterno compreso tra 40 e 32 mm, e spessore variabile da 3,7 a 2,9 mm. La cementazione del foro rappresenta l aspetto più delicato del sistema poiché deve essere garantita la completa chiusura dei vuoti e la miglior aderenza della biacca al terreno/roccia per trasferire il calore alle tubazioni di circolazione del liquido termovettore e arrivare quindi alla pompa di calore (vedi Figura 5.). Per quanto riguarda il fluido termovettore, viene in genere utilizzata una soluzione di glicole propilenico 1,2 propandiolo, che consente un buon trasferimento di calore ed evita il con- Figura 5. Schema semplificato del funzionamento dell impianto geotermico

8 Fare energia Fiscalità e agevolazioni gelamento in uscita dalla pompa di calore nei mesi invernali. Un altro importante aspetto è l interferenza tra sonde, determinata dal fatto che nell intorno della perforazione si genera una sorta di imbuto termico causato dallo scambio di calore tra il terreno e la sonda installata. In genere questo aspetto viene sottovalutato ma nel tempo può comportare una riduzione della resa e va ben dimensionato. Come valore cautelativo si può considerare di mantenere una distanza tra le sonde di almeno mt. I sistemi a circuito aperto (vedi Figura 7.), prevedono invece l utilizzo diretto di acqua che, nella maggior parte dei casi, è prelevata dalla falda freatica. in genere proviene dalla falda freatica. Per queste installazioni l interferenza con il sistema ambiente è maggiore e le cautele da adottare devono essere rivolte alla salvaguardia dell acquifero garantendo che non vengano interrotti eventuali orizzonti protettivi e che non si alterino le condizioni di prelievo esistenti. Il principio di funzionamento è il medesimo delle sonde a circuito chiuso con la differenza che non esiste un liquido termovettore ma è l acqua stessa prelevata che, immessa nella pompa di calore, raggiunge le temperature necessarie per produrre il riscaldamento o raffrescamento dell ambiente. In genere i pozzi hanno profondità inferiori ai 30 mt ed oltre al pozzo di prelievo, dotato di apposita pompa immersa, deve essere previsto un pozzo di scarico dopo che l acqua ha completato il suo ciclo nell impianto domestico. Figura 6. Distribuzione dell uso del geotermico in Svizzera Rybach e al. 2000) esempio). Oltre alle installazioni appena descritte, esistono altre possibilità di utilizzo del calore terrestre, attraverso la realizzazione di serpentine superficiali, pali energetici o tramite lo stoccaggio del calore solare nel terreno, tutti sistemi validi, che hanno però una minore diffusione ed utilizzo (vedi Figura 6 come

9 Figura 7. Schemi tipo di impianti geotermici a circuito chiuso e aperto. 5. Vantaggi e svantaggi nell uso della geotermia I vantaggi nell uso delle risorse geotermiche sono molteplici e sono riconducibili in prima battuta al fatto che si tratta di energie pulite, con basso impatto ambientale (solo per gli impianti a circuito aperto vanno considerate le possibili interferenze con la falda), considerate a tutti gli effetti una fonte energetica rinnovabile. Si tratta inoltre di una fonte energetica continua e inesauribile che consente di eliminare completamente le immissioni di CO 2 in atmosfera. Sono impianti sicuri dal punto di vista delle eventuali perdite di gas o combustibile o del rischio connesso alla necessità di stoccare grandi quantità di carburante, con nulle o basse manutenzioni e durate superiori a quelle dell edificio che le utilizza.

10 Fare energia Fiscalità e agevolazioni Vanno comunque attentamente analizzate le condizioni di progettazione ed utilizzo degli impianti a circuito aperto perché in questo caso valgono le premesse sopra richiamate ma vi sono una serie di cautele da tenere in considerazione per la protezione della falda o delle acque superficiali (Decreto Legislativo 3 Aprile 2006 n 152). Si tratta quindi a tutti gli effetti di impianti che utilizzano energie rinnovabili pulite, come peraltro sancito dal D.L. n.387 del 29 Dicembre 2003 (Decreto che recepisce la Direttiva Europea 2001/77/CE) Attuazione della direttiva 2001/77/CE relativa alla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità" che all art. 2 lettera a cita come rinnovabili: a) fonti energetiche rinnovabili o fonti rinnovabili: le fonti energetiche rinnovabili non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas). Il principale svantaggio nell utilizzo di questa fonte energetica è rappresentato dalla necessaria dipendenza dall energia elettrica per il funzionamento della pompa di calore. Va tuttavia evidenziato che nel contesto di una progettazione globale, ad esempio di un edificio, si possono prevedere sistemi alternativi di produzione di energia elettrica in grado di sopperire nel tempo a questo possibile ostacolo. Il costo iniziale è sicuramente più elevato rispetto a quello di un sistema tradizionale e, non sono ancora disponibili sistemi di agevolazione finanziaria o incentivi economici che riducano il costo di realizzo. Bisogna inoltre evidenziare che spesso per carenza progettuali e di analisi tecnica, questi impianti vengono sovradimensionati, portando ad un eccessivo costo che dilata il tempo di ammortamento dell investimento. Si tratta di sistemi che basano il loro funzionamento su principi semplici ma che per essere realizzati necessitano di lavorazioni specialistiche, soprattutto per quanto riguarda la realizzazione delle perforazioni per la posa degli scambiatori di calore, che sono la parte più sensibile del sistema, in grado di garantire la trasmissione del calore dalla terra alla pompa. 6. Situazione normativa La normativa che regola l esecuzione di impianti geotermici ad alta entalpia è molto varia e si sofferma in particolare sugli aspetti legati alla ricerca delle fonti geotermiche come richiamato nel DPR 385/1991 e nella Legge n 9 del 9 Gennaio La concessione dell utilizzo della risorsa geotermica è delegata alle Regioni ai sensi dell art. 34 del DLGS 112/1998 e l iter amministrativo le-

11 gato alla realizzazione di nuovi impianti vede, coinvolti diversi organismi a scala locale, regionale e nazionale, dal Ministero dell Ambiente all Ufficio Nazionale Minerario. Per quanto riguarda gli impianti a bassa entalpia, va premesso che l Italia utilizza da poco queste risorse e pertanto non è ancora disponibile una normativa specifica, mentre in Europa (soprattutto del nord e nella vicina Svizzera), gli utilizzi sono da tempo consolidati e normati. Per quanto riguarda la realizzazione delle sonde geotermiche verticali a circuito chiuso, dove cioè non vi alcun prelievo di acqua ma solo uno scambio termico con il sistema terra, valgono a livello nazionale gli obblighi di comunicazione delle perforazioni che superano la profondità di 30 mt. La comunicazione va inoltrata al Servizio Geologico, Direzione Generale delle Miniere del Ministero dell Industria (oggi Ministero dello Sviluppo Economico). Per alcune regioni o province, che hanno cercato di trattare l argomento, valgono ad esempio le seguenti norme: - Regione Lombardia: si fa riferimento alla Legge Regionale 26/2003 Disciplina dei servizi locali di interesse economico generale. Norme in materia di gestione dei rifiuti, di energia, di utilizzo del sottosuolo e di risorse idriche alla quale si richiama il Regolamento N. 2/2006 che disciplina l uso delle acque superficiali e sotterranee. Legge Regionale 2 dicembre 2006 n.24 art Regione Toscana: si fa riferimento alla Legge Regionale n 39 del Provincia di Bolzano: fa riferimento alla deliberazione provinciale n 3564 del 26 settembre Ben più complesso è il trattamento degli impianti a circuito aperto, dove si intrecciano normative finalizzate alla salvaguardia della risorsa idrica e degli acquiferi, con leggi che regolano e disciplinano lo scarico delle acque e la salvaguardia ambientale (d.lgs n. 152 del 3 aprile 2006 e s.m.i.) La domanda per la concessione di un impianto geotermico che utilizza l acqua di falda va inoltrata alla provincia che può essere più o meno organizzata nel gestire l istruttoria. 7. Le possibili evoluzioni future Le potenzialità e vantaggi del sistema geotermico, sia ad alta entalpia per la produzione di energia elettrica, sia a bassa entalpia per il riscaldamento di abitazioni e fabbricati, sono ampiamente dimostrate dalla diffusione estera ormai consolidata negli anni (vedi Figura 8.).

12 Fare energia Fiscalità e agevolazioni Figura 8. Potenza geotermoelettrica installata nel mondo ed energia elettrica prodotta (Bertani 2005 e 2007). Per quanto riguarda gli impianti geotermici a bassa entalpia la maggior presenza si registra negli USA, in nord Europa, in Germania ed in Svizzera. Le prospettive di sviluppo futuro per il nostro paese sono molto promettenti con ipotesi di incremento annuo che vanno dal 5% al 10% 6, sicuramente influenzate dalle variazioni del costo dell energia e potenzialmente incrementate dall introduzione di incentivi economici o sgravi fiscali per la realizzazione di tali impianti. Il processo di privatizzazione del mercato elettrico, può in tal senso rappresentare un interessante elemento di sviluppo. Per quanto riguarda invece il geotermoelettrico, si è registrata una forte crescita negli ultimi 30 anni pari ad una media del 15% annuo, ridotta poi al 3% negli ultimi 10 anni 7. Questo aspetto sembra direttamente legato al processo di 6 John W.Lund utilizzazione attuale e prospettive di sviluppo dell energia geotermica nel mondo John W.Lund utilizzazione attuale e prospettive di sviluppo dell energia geotermica nel mondo 2006.

13 riduzione del costo dei combustibili fossili che però oggi, con la crescita del costo del petrolio risulta essere in controtendenza. L uso del calore geotermico sembra invece in costante crescita con valori prossimi al 10% annuo. L Italia può giocare un ruolo importante poiché come più volte richiamato, ha tutte le potenzialità per credere ed investire in questa fonte di energia alternativa. Dott. Geol. Luca Maffeo Albertelli