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Articolo pubblicato il 30-07-2005
di Mary H. Dickson
Mario Fanelli
CNR, Istituto di Geoscienze e Georisorse, Pisa
Numero 18/19 - Anno 2
30 Luglio 2005
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 Le risorse geotermiche
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Il calore della Terra
L'energia geotermica è il calore contenuto nell'interno della Terra. E' stato stimato, assumendo una temperatura superficiale media di 15°C, che esso sia dell'ordine di 12,6 x 1024 MJ e che quello contenuto nella sola crosta sia dell'ordine di 5,4 x 1021 MJ. L'energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata.
Sino ad oggi, l'utilizzazione di questa energia è stata limitata a quelle aree nelle quali le condizioni geologiche permettono ad un vettore (acqua in fase liquida o vapore) di "trasportare" il calore dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino ad essa, formando quelle che chiamiamo risorse geotermiche.
All'origine del calore interno della Terra vi è principalmente il calore liberato dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell'uranio (U238, U235), del torio (Th232) e del potassio (K40), contenuti nella crosta e nel mantello, e, in proporzioni non esattamente definite, il calore originale del pianeta, l'energia gravitazionale e la dispersione dell'energia cinetica delle maree.
Il calore interno si manifesta in superficie in siti limitati, come vulcani, geysers, fumarole e sorgenti calde. Esso, tuttavia, ha dimensioni tali da essere la causa di fenomeni di scala planetaria, quali il movimento delle placche crostali. E' infatti il calore interno della terra che provoca nell'astenosfera i moti dei materiali fusi o semifusi che "trascinano" le placche litosferiche; queste placche si spostano in continuazione e reciprocamente, collidono, si formano e sono "digerite". Ai margini delle placche sono frequenti i terremoti; a causa della fratturazione della crosta, che permette la risalita di materiali fusi molto caldi, ai margini si formano anche vulcani ed aree a gradiente geotermico molto elevato (vedere anche l'articolo "La Dinamica dei Terremoti", Scienza online, nn. 11-12, 2005, dove è illustrato il meccanismo del movimento delle placche). 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. La Figura 1 mostra le placche tettoniche e la posizione delle aree geotermiche ad alta temperatura rispetto ai loro limiti.
Figura 1. 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.
I sistemi geotermici
Le risorse geotermiche sono presenti nella maggior parte della superficie del pianeta, in ambienti geologicamente diversi, in regioni sia a gradiente geotermico normale, sia superiore al normale. Esse possono inquadrarsi in varie tipologie di sistemi geotermici:
- Sistemi ad acqua dominante. In questi sistemi l'acqua liquida è la fase continua, che controlla la pressione nel serbatoio geotermico. Questi sistemi geotermici, la cui temperatura può andare da ‹125°C a ›225°C, sono i più diffusi nel mondo. Essi possono produrre, in funzione dalla loro temperatura e pressione, acqua calda, una miscela di acqua e vapore, vapore umido e, in alcuni casi, vapore secco.
- Sistemi a vapore dominante. Nel serbatoio di questi sistemi normalmente coesistono acqua liquida e vapore, che è la fase continua che controlla la pressione. Sono sistemi ad alta temperatura, che normalmente producono vapore secco o surriscaldato. I sistemi geotermici di questo tipo sono piuttosto rari; i più conosciuti sono Larderello in Italia e The Geysers in California.
- Sistemi geopressurizzati, che possono formarsi nei grandi bacini sedimentari (p.e. il Golfo del Messico) a profondità di 3-7 km. I sistemi geopressurizzati sono sistemi chiusi, privi di alimentazione, nei quali il fluido si trova a pressione litostatica; costituiscono una categoria a sé stante. Potrebbero produrre energia termica e idraulica (acqua calda in pressione) e gas metano. Questa risorsa è stata studiata in modo approfondito, ma, sino ad oggi, non è seguito uno sfruttamento industriale.
Un sistema geotermico (ad acqua o vapore dominante) può essere definito schematicamente come "un sistema acqueo convettivo, che, in uno spazio confinato della parte superiore della crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica al luogo, generalmente la superficie, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)". Un sistema geotermico è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio ed il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore (Figura 2). La sorgente di calore può essere una intrusione magmatica a temperatura molto alta (›600°C), che si è posizionata a profondità relativamente piccola (5-10 km), oppure, come in certi sistemi a bassa temperatura, il normale calore della Terra. Il serbatoio è un complesso di rocce calde permeabili, nel quale i fluidi possono circolare assorbendo il calore. Il serbatoio generalmente è coperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque meteoriche possono sostituire, totalmente o parzialmente, i fluidi perduti attraverso vie naturali (per esempio sorgenti) o che sono estratti mediante pozzi. Il fluido geotermico, per la maggior parte, è acqua meteorica in fase liquida o vapore, in dipendenza dalla sua temperatura e pressione.
Figura 2. Schema semplificato di un sistema geotermico. Le acque meteoriche penetrano nel serbatoio attraverso la zona di ricarica
posta sulla destra della figura ed acquistano calore scendendo in profondità. Nel serbatoio il fluido tende
ad instaurare moti convettivi, uniformando la temperatura, e si possono avere cambiamenti di fase.
Le leggi che regolano la convezione dei fluidi sono alla base del meccanismo dei sistemi geotermici. La Figura 3 descrive questo meccanismo, prendendo ad esempio un sistema idrotermale a media temperatura. La convezione si attiva in seguito al riscaldamento ed alla conseguente espansione termica del fluido in un campo gravitazionale; il calore alla base del sistema di circolazione è l'energia che alimenta e muove il sistema. Il fluido caldo e di minor densità tende a salire e ad essere sostituito dal fluido più freddo e di densità maggiore, proveniente dai margini del sistema. La convezione, per sua natura, tende a far aumentare la temperatura delle parti alte del sistema, mentre la temperatura delle parti inferiori diminuisce.
Figura 3. Modello di sistema geotermico. Nel grafico a sinistra, la curva 1 è la curva di ebollizione dell'acqua; la curva 2 mostra l'andamento della temperatura del fluido
lungo il suo percorso dal punto di ingresso A a quello di uscita E. La curva tratteggiata a destra in basso (C-F-G) indica l'andamento previsto
della temperatura in profondità: F è la temperatura nella parte superiore del basamento cristallino, G quella dell'intrusione magmatica.
Ai sistemi geotermici naturali si potrebbero aggiungere in futuro i sistemi HDR (Hot Dry Rock o rocce calde secche), ottenuti creando, per idrofratturazione, un serbatoio artificiale in rocce compatte molto calde (Figura 4). Progetti HDR sono stati sviluppati con risultati alterni dagli anni '70 negli Stati Uniti, Giappone, Europa ed Australia. Recentemente l'attenzione è stata rivolta alla possibilità di aumentare la permeabilità di rocce già parzialmente fratturate presenti all'interno o ai margini di sistemi idrotermali naturali (progetti EGS, Enhanced Geothermal Systems o sistemi geotermici potenziati). E' probabile che, nei prossimi anni, i progetti HDR/EGS possano raggiungere la fase commerciale.
Figura 4. Schema di possibile progetto HDR. Il pozzo a destra inizialmente inietta acqua ad alta pressione, che frattura le rocce calde e crea il serbatoio artificiale; successivamente diventa una parte del sistema. Il pozzo a sinistra estrae il fluido (immesso dall'altro pozzo), che si è riscaldato circolando attraverso le fratture. L'insieme forma un sistema chiuso: pozzo di iniezione - serbatoio caldo- pozzo di estrazione - impianto di utilizzazione in superficie.
Con riferimento alla loro potenziale utilizzazione, le risorse geotermiche sono anche classificate come:
- risorse a bassa entalpia (o temperatura), < 125°C, adatte soprattutto ad usi diretti;
- risorse a media entalpia, 125° - 225°C, adatte sia ad usi diretti che alla generazione di elettricità;
- risorse ad alta entalpia, > 225°, adatte alla generazione di elettricità.
La rinnovabilità e la sostenibilità
L'energia geotermica è generalmente definita rinnovabile e sostenibile. Il termine rinnovabile si riferisce ad una proprietà della sorgente di energia, mentre il termine sostenibile descrive come la risorsa è utilizzata.
La ricarica di energia è il fattore critico della rinnovabilità di una risorsa geotermica. Quando si sfrutta un sistema geotermico naturale, la ricarica energetica avviene attraverso l'apporto al sistema di fluidi caldi contemporaneamente (o in tempi comparabili) allo sfruttamento. Questo permette di classificare l'energia geotermica come risorsa energetica rinnovabile. Nel caso delle rocce calde secche (HDR) e di certi acquiferi caldi in bacini sedimentari, la ricarica energetica avviene solo per conduzione termica; a causa della lentezza di questo fenomeno, le rocce calde secche ed alcuni serbatoi sedimentari dovrebbero essere considerati risorse energetiche limitate.
La sostenibilità dell'utilizzazione di una risorsa dipende dalla sua quantità iniziale, dalla velocità con cui si rigenera e dalla velocità con cui si consuma. Ovviamente, l'utilizzazione può essere sostenuta per tutto il tempo che si vuole, purché la risorsa si rigeneri ad una velocità maggiore di quanto non sia sfruttata. Il termine "sviluppo sostenibile" è usato dalla Commissione Mondiale per l'Ambiente e lo Sviluppo per descrivere lo sviluppo che "soddisfa le necessità della presente generazione senza compromettere le necessità delle generazioni future". In questo quadro, lo sviluppo sostenibile non richiede che tutte le risorse energetiche debbano essere usate in modo completamente sostenibile, ma, più semplicemente, che ad una data risorsa, che si esaurisce, se ne possa sostituire un'altra in grado di far fronte alle necessità delle generazioni future. Ne segue che un particolare campo geotermico non deve necessariamente essere sfruttato in modo sostenibile. I programmi per realizzare la sostenibilità dell'energia geotermica dovrebbero tendere a raggiungere, e poi sostenere, un certo livello di produzione, a livello nazionale o regionale, sia nel settore elettrico sia in quello dell'uso diretto del calore, per un dato periodo, ad esempio 300 anni, mettendo in produzione nuovi sistemi geotermici, man mano che altri si esauriscono.
Lo sfruttamento delle risorse geotermiche
Lo sfruttamento del calore terrestre è, curiosamente, presente anche nel regno animale. I Megapodi della Nuova Guinea, uccelli dell'ordine dei Galliformi, depongono le uova in piccole fosse, che scavano in terreni caldi vulcanici o geotermici, e attendono che il calore naturale provveda alla cova. Gli uomini hanno certamente utilizzato il calore della Terra per scopi semplici, come la cottura del cibo, sin dal Paleolitico. Nel Neolitico le acque calde naturali erano usate per scopi curativi e magici. In periodo etrusco gli usi balneologici erano già ampiamente diffusi, come dimostrano numerose testimonianze archeologiche. Successivamente, nell'area di espansione della civiltà romana, i fluidi geotermici sono stati usati, oltre che in balneologia, per il riscaldamento di edifici termali e di abitazioni dal I° secolo a.C. sino alla decadenza dell'Impero. Esempi di utilizzazione del calore geotermico sono presenti anche nei secoli seguenti, in Italia ed in vari paesi del mondo, sino alla Cina, ma in dimensione molto ridotta e con semplici tipologie (Figura 5).
Figura 5. Bagni termali medioevali in una stampa del XV° secolo.
Si deve attendere il XIX° secolo perché abbia inizio un vero e proprio sfruttamento dell'energia geotermica su scala industriale. Nei primi anni di quel secolo, nell'area che poi ha preso il nome di Larderello (Toscana), era stata avviata una piccola industria chimica per estrarre l'acido borico dalle acque calde boriche, che sgorgavano naturalmente dal suolo o erano estratte da pozzi di piccola profondità. L'acido borico era ottenuto facendo evaporare le acque calde ricche di boro in bollitori metallici, usando, come combustibile, il legname ricavato dai boschi vicini. Nel 1827 Francesco Larderel ideò un sistema per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di estrazione, invece di bruciare il legname dei boschi, che si andavano esaurendo rapidamente. Nello stesso periodo si cominciò anche ad utilizzare l'energia meccanica del vapore naturale. Questo venne usato per sollevare l'acqua in semplici sistemi a "gas lift" e, in seguito, per il funzionamento di pompe ed argani impiegati nelle operazioni di perforazione o nell'industria dell'acido borico. Nella medesima area, tra il 1910 ed il 1940, si avviò, ampliandosi progressivamente, l'utilizzazione del vapore geotermico a bassa pressione per il riscaldamento di edifici residenziali ed industriali, e di serre. Mentre questo accadeva in Italia, anche in altri paesi si sviluppava l'utilizzazione industriale dell'energia geotermica: nel 1892 a Boise (Idaho, USA) era inaugurato il primo sistema di riscaldamento urbano; nel 1928 l'Islanda cominciò a sfruttare i fluidi geotermici, soprattutto acqua calda, per il riscaldamento di edifici.
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Autore: Mary H. Dickson
Mario Fanelli
CNR, Istituto di Geoscienze e Georisorse, Pisa
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