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OrizzontEnergia

Geotermia

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PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

La fonte geotermicaLa fonte geotermica risiede nel calore terrestre proveniente dall’interno della Terra, che viene trasferito alla superficie.

Malgrado questo calore sia presente in tutto il pianeta e sia praticamente inesauribile (in un anno la Terra rilascia 33 miliardi di TEP sotto forma di calore!), solo in alcune aree si trova a profondità non elevate, accessibili con le attuali tecnologie di perforazione e quindi utilizzabile per fini energetici.

In altri termini, si può anche dire che in certe zone del pianeta vi è un'anomalia nel gradiente geotermico (l'aumentare della temperatura con la profondità). Solitamente infatti questa differenza si aggira intorno ai 30°C/km, mentre nelle aree con potenziale geotermico, può addirittura arrivare a valori dieci volte superiori. Ciò è dovuto alla presenza a basse profondità (5-10 km) di masse magmatiche fluide, già solidificate o in fase di raffreddamento, o all'energia termicaenergia termica
Calore.
accumulata
in particolari situazioni idrogeologiche.
Solitamente nei sistemi geotermici l’acqua piovana infiltratasi nel terreno, entra in contatto in profondità con delle rocce calde permeabili e forma acquiferi con temperature che possono raggiungere i 300°C, chiamati serbatoi geotermici.

Talvolta i fluidi geotermici contenuti in questi serbatoi, oltre che nella forma liquida, possono presentarsi anche allo stato di vapore. In tal caso, come accade in una pentola dove bolle dell’acqua, i fluidi riscaldati possono risalire spontaneamente in superficie, dando origine a sorgenti termali, geysergeyser
Sorgente di acqua molto calda e vapore che emerge con forza dalle profondità terrestri. Il calore generato dall'attività vulcanica profonda riscalda le rocce e quando l'acqua sotterranea vi penetra all'interno inizia a "bollire" ed a evaporare esercitando una notevole pressione nelle cavità.
e fumarole. Se invece nella parte superiore dei serbatoi vi sono litologie impermeabili, questi restano “confinati” nelle loro formazioni.

La perforazione di un pozzo, fino al raggiungimento del serbatoio geotermico, può permettere l’estrazione dei fluidi caldi, da utilizzare sia per la produzione di elettricità, che per gli usi diretti del calore: riscaldamento/raffrescamento di ambienti, serre, attività produttive, riscaldamento di piscine, ecc.

Le risorse geotermiche vengono solitamente suddivise in superficiali e profonde.

Nel primo caso si parla di acque calde presenti in falde superficiali (entro i 400m di profondità), con temperature relativamente basse ed utilizzate per il riscaldamento di ambienti, mediante pompe di calore.
Le risorse geotermiche profonde sono invece presenti in serbatoi geotermici, distanti pochi chilometri dalla superficie terrestre e hanno temperature più elevate. Queste risorse possono essere utilizzate in reti di teleriscaldamentoteleriscaldamento
Sistema che consente di distribuire calore presso le utenze, a partire da una centrale di produzione (per esempio centrale di cogonerazione, termovalorizzatore, ecc...). Il calore viene trasportato sotto forma di acqua calda o vapore all'interno di condotti interrati e può servire per riscaldare gli ambienti oppure per produrre acqua calda sanitaria. Nelle abitazioni servite dal teleriscaldamento la caldaia viene sostituita da uno scambiatore di calore, consentendo una diminuzione delle emissioni e un risparmio di combustibile.
o per la produzione di elettricità
.

Un’altra suddivisione delle risorse geotermiche è in base alla temperatura dei fluidi:

  • Basse temperature, se inferiori ai 90°C
  • Medie temperature, se comprese tra i 90° e i 150°C
  • Alte temperature, se superiori ai 150°C

Le medie e le alte temperature sono quelle che solitamente vengono utilizzate per la produzione di elettricità

CENNI STORICI

Fin dalla preistoria, l’uomo si era certamente accorto dell’utilità di questa grande fonte di calore presente sotto i nostri piedi, tuttavia i primi nel mediterraneo ad utilizzare in maniera sistematica la geotermia, principalmente per scopi terapeutici, sono stati i Greci e gli Etruschi.

Come ben noto, anche i Romani costruirono in tutto il loro impero terme, spesso alimentate anche da geotermia, come testimonia la Tabula Itineraria Peutrigeriana (III sec. d.C.): una mappa delle principali vie di comunicazione dell’impero romano, che in prossimità dell’attuale area geotermica compresa tra le provincie di Siena, Grosseto e Pisa, indica la presenza delle Aquas Volaterranas e Aque Populonie.

Nel Medioevo le acque termali venivano utilizzate per le proprietà terapeutiche e per i prodotti che da esse si possono ottenere (borace, allume, vetriolo e zolfo, ecc.) Più recentemente invece, agli inizi del XIX secolo, in corrispondenza dell’attuale Larderello (PI) e vicino a Monterotondo Marittimo (GR) inizia l’estrazione dell’acido borico presente nei lagoni (piccoli vulcani di acqua fangosa in ebollizione, ricca di boro).

Inizialmente il calore per l’evaporazione dell’acqua e l’estrazione del boro era ottenuto bruciando del legname, ma nel 1827 Francesco Larderel (che ha poi dato il nome a Larderello) idea un sistema per l’utilizzo del vapore geotermico per l’estrazione del sale. Inizia così l’era dell’industria geotermica, che tra il 1850 ed il 1880 ha consentito a Larderello di detenere il monopolio europeo della produzione di acido borico.

Nel 1904, sempre a Larderello, il Principe Ginori Conti accende cinque lampadine con una macchina da 500 W alimentata da vapore geotermico. Nove anni più tardi entra in esercizio la prima centrale geotermoelettricacentrale geotermoelettrica
Impianto in cui il vapore in pressione emergente dal sottosuolo viene sfruttato per produrre energia elettrica. Esso, infatti, dopo essere stato depurato dai sali disciolti, passa attreverso uno scambiatore di calore per la produzione di nuovo vapore che aziona una turbina. La turbina genera energia meccanica, trasformata successivamente in elettricità da un alternatore.
del mondo, che con i suoi 250 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
fornisce elettricità al villaggio di Larderello (abitazioni ed industrie), che già da qualche anno utilizzava la geotermia anche per il riscaldamento degli ambienti.

A seguire impianti geotermoelettrici sono stati realizzati in tutto il pianeta (Islanda, USA, Messico, Indonesia, Filippine, Nuova Zelanda, ecc.), arrivando a coprire circa lo 0,5% del fabbisogno mondiale di elettricità.

Ad oggi, con gli impianti delle due aree geotermiche toscane (tradizionale ed amiatina), l’Italia si conferma leader europeo per capacità installata (810 MWe) ed elettricità prodotta (5.234,9 GWh/anno). La geotermia in Toscana copre più del 25% dei fabbisogni regionali di elettricità e circa l’1,7% di quelli nazionali.

Larderello 1904

Larderello 1904. La macchina con cui il Principe Ginori Conti produsse per la prima volta elettricità con il calore geotermico.

LA TECNOLOGIA

Torre Evaporativa Impianto Geotermico

In generale la generazione di elettricità negli impianti geotermoelettrici avviene in maniera simile alle centrali termoelettriche: una fonte di calore crea del vapore in pressione, che a sua volta aziona una turbina producendo energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
che poi viene trasformata in energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
 
tramite un alternatorealternatore
Macchina elettrica rotante che trasforma l'energia meccanica fornita da un motore in corrente alternata, ovvero una corrente elettrica che inverte la direzione di flusso ad intervalli regolari.
.

Di fatto quindi l’energia geotermicaenergia geotermica
È una forma di energia termica accumulata nelle profondità terrestri grazie al flusso di calore proveniente dal mantello e dal nucleo del pianeta. Lo sfruttamento dell'energia geotermica avviene soltanto in zone particolari dove questo fenomeno è particolarmente attivo (per esempio in prossimità di vulcani, geyser, soffioni, ecc...). Essa trova impiego sia nella produzione di energia elettrica che nella produzione di calore per usi industriali o civili (geotermia a bassa entalpia).
 si sostituisce a quella generata in una camera di combustionecamera di combustione
È lo spazio all'interno di una caldaia o di un motore a combustione interna in cui ha luogo la combustione del combustibile. Qui, infatti, il combustibile alimentato si combina con aria comburente rilasciando un'enorme quantità di calore. In questo parte dell'impianto si sviluppano temperature e pressioni molto elevate.
, con evidenti vantaggi dal punto di vista ambientale ed energetico.

Le soluzioni impiantistiche in ambito geotermoelettrico sono molteplici ed in continua evoluzione, dato che negli ultimi anni si stanno facendo grandi passi in avanti per aumentare l’efficienza energeticaefficienza energetica
Con questi termini si intendono i miglioramenti che si possono apportare alla tecnologia per produrre gli stessi beni e servizi utilizzando meno energia, con conseguente riduzione dell' impatto ambientale e dei costi associati.
degli impianti, utilizzare temperature dei fluidi sempre più basse e per utilizzare il calore della Terra anche in assenza di serbatoi geotermici. Si tratta dei sistemi geotermici stimolati, più comunemente chiamati EGS (Enhanced Geothermal Systems), che permetteranno di estrarre il calore anche in aree in cui non vi sono sistemi idrotermali.

In linea generale vi sono due tipologie principali di impianti geotermici:

  • Impianti convenzionali, che utilizzano fluidi con temperature superiori ai 150°C
  • Impianti a ciclo binario, di concezione più recente, che permettono di utilizzare temperature comprese tra gli 85° ed i 170°C

GLI IMPIANTI CONVENZIONALI

Gli impianti convenzionali più semplici ed economici, utilizzati fin dagli inizi del secolo scorso, sono quelli a contropressione. Qui il vapore geotermico in uscita dal pozzo, viene separato dalla condensa, azionando poi una turbina che tramite un alternatore genera elettricità. Il vapore in uscita dalla turbina è immesso direttamente in atmosferaatmosfera
Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
.

Schema impianto geotermico a contropressione

Schema di impianto a contropressione
Fonte: UGI

Questi sistemi hanno piccole dimensioni (2,5-5 MWe), sono veloci da costruire (13-14 mesi) e sono meno diffusi rispetto a quelli a condensazione (presenti ad esempio nelle aree geotermiche toscane) che, sebbene più complessi (richiedono il doppio del tempo) e costosi da realizzare, presentano rendimenti maggiori.

Gli impianti a condensazione, che generalmente hanno capacità di qualche decina di MWe, hanno a valle della turbina un sistema di condensazione del vapore, dove sono separati i gas incondensabili poi rilasciati in atmosfera. La torre di raffreddamentotorre di raffreddamento
Dispositivo che serve a raffreddare un liquido (tipicamente acqua) attraverso lo scambio con aria. Il meccanismo prevede sia una cessione di calore da parte dell'acqua che un contemporaneo scambio di massa in quanto all'uscita dalla torre di raffreddamento l'aria si umidifica (aumenta il suo contenuto d'acqua ).
consente invece di raffreddare l’acqua condensata, che andrà poi a fornire acqua fredda al condensatorecondensatore
Dispositivo in cui si realizza il raffreddamento di un gas (o vapore) che si trasforma in liquido (cedendo energia) grazie al contatto con un altro fluido che, invece, acquista energia e si riscalda.
. L'acqua condensata in uscita dalle centrali viene reiniettata nelle formazioni di provenienza dei fluidi. Se la risorsa estratta si presenta alla testa del pozzo come fluido bifase (acqua più vapore) e a temperature superiori ai 170°C, si utilizzano unità ad espansione o flash, per ottenere maggiore vapore.

Schema impianto geotermico a condensazione

Schema di impianto a condensazione
Fonte: UGI

GLI IMPIANTI A CICLO BINARIO

Impianti a ciclo binario, di concezione più recente, permettono di utilizzare temperature comprese tra gli 85° ed i 170°C. In questi sistemi il fluido geotermico scambia nell’evaporatore il calore con un fluido di lavoro a basso punto di ebollizione. Questo fluido si espande azionando una turbina che mediante un alternatore genera elettricità. Successivamente un condensatore ad aria o ad acqua condensa il fluido di lavoro, che è pompato nuovamente all’evaporatore (ciclo Rankine). Una volta ceduto il suo calore, il fluido geotermico è inviato ai pozzi di reiniezione. In questo modo i fluidi estratti dal sottosuolo vengono totalmente reiniettati nelle formazioni di provenienza, senza emettere sostanze in atmosfera.

Schema impianto geotermico a ciclo binario

Schema di impianto a ciclo binario
Fonte: UGI

Come fluido di lavoro viene solitamente utilizzato n-pentano o iso-butanobutano
Gas incolore, inodore, non tossico (formula C4H10) prodotto dalla raffinazione del petrolio greggio e del gas naturale. Avendo densità maggiore di quella dell'aria ed avendo un limite di infiammabilità molto basso è pericoloso perché forma miscele facilmente infiammabili; viene quindi odorizzato per renderne evidente l'eventuale presenza nell'aria.
(ORC, Organic Rankine Cycle), mentre negli ultimi dieci anni in alcuni impianti (p.e. ad Unterhaching, Germania) si utilizza una miscela di acqua ed ammoniaca (ciclo Kalina). Il ciclo Kalina ha rendimenti maggiori rispetto agli ORC, tuttavia la realizzazione di questi impianti è più complessa.

Una volta ceduta parte della sua energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
termica, il fluido ancora caldo in uscita dalla centrale (o quello presente in acquiferi con temperature non idonee alla produzione di elettricità) può essere utilizzato per il riscaldamento di ambienti mediante ad esempio reti di teleriscaldamento, o per attività produttive quali la serricoltura, piscicoltura, industria casearia, ecc. Se invece i fluidi hanno temperature superiori ai 90-100°C, possono essere utilizzati anche per il raffrescamento degli ambienti o la produzione di freddo per le celle frigorifere. In generale abbinare un impianto geotermoelettrico agli usi a cascata del calore geotermico, oltre a dare benefici in termini energetici ed ambientali, migliora i business plan di realizzazione e gestione.

ANALISI ECONOMICA

Gli impianti di più recente concezione per la produzione di energia elettrica da fonte geotermica sono quelli a ciclo binario: tra i più diffusi vi sono gli impianti geotermici a media entalpia che sfruttano il calore della Terra in profondità (a circa 150°C) per trasformare in vapore dei fluidi che godono di una temperatura di vaporizzazione inferiore a quella dell’acqua.

La taglia più comune per questa tipologia impiantistica è compresa tra i 4 e i 5 MWe, con un Fattore di Utilizzo (Capacity Factor) pari a circa 8.300 ore.

Generalmente infatti un impianto a regola d’arte, considerando un’indisponibilità impiantistica del 5% per manutenzione o imprevisti, opera intorno a 8.300 ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominalepotenza nominale
Potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni, generalmente specificate dal costruttore.
, dove per ore equivalenti di funzionamento si intende il rapporto tra la produzione elettrica e la potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
 installata (kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
/kWe), mentre per potenza nominale si intende la potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni generalmente specificate dal costruttore.

costi di investimento (CAPEX - Capital Expenditures*) legati all'installazione di tali impianti, il cui periodo di costruzione è di circa 6 anni, si attestano attorno ai 5.500 €/kWe (con valori tipici che oscillano tra i 4.500 e i 6.500 €/kWe), mentre i costi di gestione si attestano mediamente attorno ai 10 cent/€ per kWh.

I costi di dismissione di tali impianti, che possono operare 30 o più anni, equivalgono invece a circa il 5% del costo di investimento iniziale: circa 275€/kWe.

*CAPEX - Capital Expenditures: rappresentano flussi di cassa in uscita per la realizzazione di investimenti in attività immobilizzate di natura operativa. Si tratta cioè di investimenti in capitale fisso.

 

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lA GEOTERMIA IN ITALIA

Secondo quanto riportato nel "Renewable energy report 2018 - Il futuro delle rinnovabili in Italia" redatto dall'Energy&Strategy Group, la produzione di elettricità generata dall'energia geotermica contribuisce al 2% della domanda nazionale. Questo contributo viene generato quasi complessivamente dai grandi impianti geotermici che si trovano in Toscana, ovvero le centrali di Larderello-Travale-Valle Secolo (707MWe) e del Monte Amiata (117MWe).

Nel 2017 la potenza complessivamente installata del geotermico è sostanzialmente rimasta invariata rispetto ai valori registrati nel 2016 ovvero 824MW. La crescita che ha registrato questo comparto (nel 2010 la potenza installata era pari a 772MW) è stata principalmente dovuta alla sostituzione di impianti obsoleti ed allo sviluppo di nuovi progetti (Bagnore IV entrato in funzione nel 2014 con 40MWe di capacità installata). 

GLI INCENTIVI ALLA GEOTERMIA

Il Decreto Ministeriale del 6 luglio 2012 regola le nuove modalità di incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti alimentati da fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
, diverse da quella solare fotovoltaica, con potenza non inferiore a 1 kW. 

Gli incentivi previsti dal Decreto si applicano agli impianti nuovi, integralmente ricostruiti, riattivati, oggetto di intervento di potenziamentopotenziamento
Operazioni grazie a cui è possibile aumentare la potenza di un impianto, migliorandone allo stesso tempo il rendimento.
 o di rifacimento, entrati in esercizio a partire dal 1° gennaio 2013.

Incentivi geotermia

Tra le altre modalità di incentivazione alle rinnovabili elettriche non fotovoltaiche vi sono poi i Certificati VerdiCertificati Verdi
I certificati verdi, introdotti con il cosiddetto decreto Bersani sulla liberalizzazione del settore elettrico, costituiscono una forma di incentivazione dell'energia prodotta con fonti rinnovabili. Essi vengono assegnati agli impianti rinnovabili entrati in funzione dopo il 1° aprile 1999 che producono energia elettrica, ad esclusione della fonte solare. Dal 2002, produttori e importatori di energia elettrica prodotta da fonti non rinnovabili hanno l'obbligo di immettere ogni anno in rete una certa quota di energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili. L'obbligo può essere soddisfatto anche attraverso l'acquisto di CV da altri soggetti. La quota imposta (cioè la percentuale di energia da rinnovabili rispetto a quella prodotta con fonti tradizionali) è decretata per legge.
, titoli negoziabili rilasciati dal GSE che costituiscono una forma di incentivazione dell’energia prodotta con impianti qualificati IAFR (impianti alimentati da fonti rinnovabili), e la Tariffa Omnicomprensiva, un meccanismo di incentivo previsto dalla Legge Finanziaria 2008 riservato agli impianti IAFR entrati in esercizio dopo il 31 dicembre 2007, di potenza nominale media annua non superiore ad 1 MW o 0,2 MW per gli impianti eolici.

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