Il calore proveniente dalla terra può essere utilizzato come fonte di energia in molti modi, dalle grandi e complesse centrali elettriche ai piccoli e relativamente semplici sistemi di pompaggio.
Questa energia termica, nota come energia geotermica, può essere trovata quasi ovunque - tanto lontano quanto i remoti pozzi profondi in Indonesia e così vicino come nei nostri cortili.
Molte regioni del mondo stanno già sfruttando l'energia geotermica come una soluzione sostenibile e accessibile per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e i rischi che il loro uso comporta per il riscaldamento globale e per la salute pubblica.
Ad esempio, nel 2013 più di 11.700 megawatt (MW) di grande capacità geotermica su larga scala erano in funzione a livello globale, con altri 11.700 MW previsti per l'ampliamento della capacità.
Questi impianti geotermici hanno prodotto circa 68 miliardi di chilowatt/ora di energia elettrica, sufficienti a soddisfare il fabbisogno annuo di oltre 6 milioni di famiglie. Gli impianti geotermici rappresentano oltre il 25% dell' elettricità prodotta in Islanda e in El Salvador.
Con oltre 3.300 megawatt in otto stati, gli Stati Uniti sono leader globale nella capacità geotermica installata. L'80% di questa capacità si trova in California, dove oltre 40 impianti geotermici forniscono quasi il 7% dell' elettricità dello stato. In migliaia di abitazioni ed edifici in tutti gli Stati Uniti, le pompe di calore geotermiche sfruttano anche le temperature costanti appena interrate per riscaldare e raffreddare gli edifici, in modo pulito ed economico.
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La risorsa geotermica
Sotto la crosta terrestre, c'è uno strato di roccia calda e fusa, chiamata magma. Il calore viene prodotto continuamente in questo strato, principalmente dal decadimento di materiali radioattivi naturali come uranio e potassio. La quantità di calore entro 10.000 metri dalla superficie terrestre contiene 50.000 volte più energia di tutte le risorse di petrolio e gas naturale del mondo.
Le aree con le più alte temperature sotterranee si trovano in regioni con vulcani attivi o geologicamente giovani.
Questi "punti caldi" si verificano ai confini della piastra tettonica o nei punti in cui la crosta è abbastanza sottile da lasciare passare il calore. Il Pacific Rim, spesso chiamato Ring of Fire per i suoi numerosi vulcani, ha molti punti caldi, tra cui alcuni in Alaska, California e Oregon. Il Nevada ha centinaia di punti caldi, che coprono gran parte della parte settentrionale dello stato.
Anche queste regioni sono sismicamente attive. Terremoti e magma rompono la copertura rocciosa, permettendo all'acqua di circolare. Mentre l'acqua sale in superficie, si verificano sorgenti termali naturali e geyser, come Old Faithful al Parco Nazionale di Yellowstone. L'acqua in questi sistemi può superare i 200°C (430°F).
Gli hotspot sismicamente attivi non sono gli unici luoghi in cui si può trovare l'energia geotermica.
C'è una costante fornitura di calore più mite utile per il riscaldamento diretto a scopi di riscaldamento a profondità da 10 a poche centinaia di metri sotto la superficie praticamente in qualsiasi luogo sulla Terra.
Anche il terreno sotto il cortile o la scuola locale ha abbastanza calore per controllare il clima nella vostra casa o in altri edifici della comunità.
Inoltre, c'è una grande quantità di energia termica disponibile da formazioni rocciose secche molto profonde sotto la superficie (4-10 km).
Utilizzando la tecnologia emergente nota come Enhanced Geothermal Systems (EGS), potremmo essere in grado di catturare questo calore per la produzione di energia elettrica su scala molto più ampia di quanto le tecnologie convenzionali attualmente consentono.
Pur essendo ancora principalmente in fase di sviluppo, i primi progetti dimostrativi EGS hanno fornito elettricità alle reti negli Stati Uniti e in Australia nel 2013.
Se si riuscisse a realizzare appieno il potenziale economico delle risorse geotermiche, esse rappresenterebbero un'enorme fonte di capacità di produzione di energia elettrica. Nel 2012, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) degli Stati Uniti ha rilevato che le fonti geotermiche convenzionali (idrotermiche) in 13 stati hanno una capacità potenziale di 38.000 MW, che potrebbero produrre 308 milioni di MWh di elettricità ogni anno.
Le politiche statali e federali sono suscettibili di spingere gli sviluppatori a sfruttare questo potenziale nei prossimi anni. L'Associazione per l'energia geotermica stima che 125 progetti attualmente in fase di sviluppo in tutto il mondo potrebbero fornire fino a 2.500 megawatt di nuova capacità.
Con il miglioramento e la competitività delle tecnologie EGS, si potrebbe sviluppare ancora di più la risorsa geotermica, in gran parte non sfruttata. Lo studio NREL ha rilevato che le risorse di roccia secca calda potrebbero fornire altri 4 milioni di MW di capacità, pari a più di tutto il fabbisogno energetico degli Stati Uniti.
Secondo NREL, i fattori di capacità degli impianti geotermici - una misura del rapporto tra l' energia elettrica effettivamente prodotta nel tempo e quella che si produrrebbe se l'impianto fosse in funzione senza sosta per quel periodo - sono paragonabili a quelli del carbone e dell' energia nucleare. Grazie alla combinazione delle dimensioni della base di risorse e della sua consistenza, la geotermia può svolgere un ruolo indispensabile in un sistema energetico più pulito e sostenibile.
Come viene catturata l'energia geotermica
Sorgenti geotermiche per centrali elettriche. Attualmente, il modo più comune per catturare l'energia da fonti geotermiche è quello di sfruttare i sistemi di "convezione idrotermale" presenti in natura, dove l'acqua più fredda sfocia nella crosta terrestre, viene riscaldata e poi riscalda fino alla superficie.
Una volta che l'acqua riscaldata viene portata in superficie, è relativamente semplice catturare quel vapore e utilizzarlo per azionare i generatori elettrici. Le centrali geotermiche perforano le proprie buche nella roccia per catturare il vapore in modo più efficace.
Ci sono tre progetti di base per le centrali geotermiche, che tirano fuori l'acqua calda e il vapore dal terreno, li usano, e poi li restituiscono come acqua calda per prolungare la vita della fonte di calore.
Nel design più semplice, noto come vapore secco, il vapore passa direttamente attraverso la turbina, per poi passare in un condensatore dove il vapore viene condensato in acqua. Nel secondo approccio, l'acqua molto calda viene depressurizzata o "soffiata" in vapore che può poi essere utilizzata per azionare la turbina.
Nel terzo approccio, chiamato sistema a ciclo binario, l'acqua calda passa attraverso uno scambiatore di calore, dove riscalda un secondo liquido, come l'isobutano, in un circuito chiuso. Isobutano bolle a una temperatura inferiore rispetto all'acqua, quindi è più facilmente convertibile in vapore per far funzionare la turbina. Questi tre sistemi sono illustrati nei diagrammi che seguono.
La scelta del design da utilizzare dipende dalla risorsa. Se l'acqua fuoriesce dal pozzo come vapore, può essere utilizzata direttamente, come nel primo progetto. Se si tratta di acqua calda ad una temperatura sufficientemente elevata, è possibile utilizzare un sistema flash, altrimenti si deve passare attraverso uno scambiatore di calore.
Poiché ci sono più risorse di acqua calda rispetto al vapore puro o quello di fonti di acqua ad alta temperatura, c'è più potenziale di crescita del modello del ciclo binario, ovvero il design con il scambiatore di calore.
Il più grande sistema geotermico attualmente in funzione è un impianto a vapore in un'area chiamata The Geysers, a nord di San Francisco, California.
Nonostante il nome, in realtà non ci sono geyser lì, e il calore che viene utilizzato per l'energia è tutto vapore, non acqua calda. Sebbene la zona fosse nota per le sue sorgenti calde già a metà del 1800, il primo pozzo per la produzione di energia elettrica fu perforato solo nel 1924.
Negli anni Cinquanta furono perforati pozzi più profondi, ma lo sviluppo reale non avvenne prima degli anni Settanta e Ottanta. Nel 1990 erano state costruite 26 centrali elettriche per una potenza di oltre 2.000 MW.
A causa del rapido sviluppo della zona negli anni' 80 e della tecnologia utilizzata, la risorsa vapore è in declino dal 1988. Oggi, con una capacità operativa netta di 725 MW, gli impianti Geysers soddisfano ancora quasi il 60% della domanda elettrica media della regione della costa settentrionale della California (dal Golden Gate Bridge a nord al confine con l'Oregon).
Gli impianti The Geysers utilizzano un processo evaporativo di raffreddamento ad acqua per creare un vuoto che tira il vapore attraverso la turbina, producendo energia in modo più efficiente. Ma questo processo perde il 60-80% del vapore nell'aria, senza reimmetterlo nel sottosuolo.
Mentre la pressione del vapore può diminuire, le rocce sotterranee sono ancora calde. Per porre rimedio alla situazione, vari stakeholder hanno collaborato per creare il Progetto di Ricarica dei The Geyser di Santa Rosa, che prevede il trasporto di 11 milioni di galloni al giorno di acque reflue trattate dalle comunità vicine attraverso un gasdotto di 40 miglia e l' iniezione nel terreno per fornire più vapore.
Il progetto è stato realizzato online nel 2003 e nel 2008 ha fornito elettricità supplementare sufficiente per circa 100.000 abitazioni.
Un problema con i sistemi aperti come i The Geyser è che emettono alcuni inquinanti atmosferici. Acido solfidrico - un gas tossico con un odore "uovo marcio" altamente riconoscibile, insieme a tracce di arsenico e minerali, viene rilasciato nel vapore. Anche il sale può costituire un problema ambientale.
In una centrale elettrica situata nel bacino del Salton Sea nella California meridionale, si accumula una notevole quantità di sale nei tubi e deve essere rimossa. Mentre la pianta inizialmente metteva i sali in una discarica, ora li inietta nuovamente in un pozzo diverso.
Con i sistemi ad anello chiuso, come il sistema a ciclo binario, non ci sono emissioni e tutto ciò che viene portato in superficie viene restituito nel sottosuolo.
Utilizzo diretto del calore geotermico
Le sorgenti geotermiche possono essere utilizzate anche direttamente per il riscaldamento. L'acqua calda geotermica viene utilizzata per riscaldare gli edifici, aumentare le piante nelle serre, seccare pesci e colture, eliminare i ghiacci, migliorare il recupero dell'olio, aiutare i processi industriali come la pastorizzazione del latte, e termali e acqua nelle aziende ittiche.
In Klamath Falls, Oregon e Boise, Idaho, l'acqua geotermica viene utilizzata per riscaldare case ed edifici da oltre un secolo. Sulla costa orientale, la città delle sorgenti calde, Virginia si riscalda anche direttamente dall'acqua sorgiva, utilizzando le sorgenti per riscaldare una delle località turistiche locali.
In Islanda, praticamente tutti gli edifici del paese sono riscaldati con acqua di sorgente calda. Infatti, l' Islanda ottiene più del 50% della sua energia primaria da fonti geotermiche. A Reykjavik, per esempio (118.000 abitanti), l'acqua calda viene convogliata a partire da 25 chilometri di distanza, e i residenti la utilizzano per il riscaldamento e anche per bere.
Pompe di calore a terra
Un modo molto più convenzionale di sfruttare l'energia geotermica è quello di utilizzare pompe di calore geotermiche per fornire calore e raffreddamento agli edifici. Chiamate anche pompe di calore a terra, sfruttano la temperatura costante di circa 50°F durante tutto l'anno, che si trova a pochi metri sotto la superficie del terreno.
L'aria o il liquido antigelo viene pompato attraverso tubazioni interrate e ricircolate nell'edificio. In estate, il liquido trasporta il calore dall'edificio al terreno. In inverno fa il contrario, fornendo aria e acqua preriscaldata all'impianto di riscaldamento dell'edificio.
Nell'uso più semplice del riscaldamento e del raffreddamento a terra, un tubo scorre dall'aria esterna, sotto il suolo e nel sistema di ventilazione di un edificio. I sistemi più complessi, ma più efficaci, utilizzano compressori e pompe, come nei sistemi di condizionamento dell'aria elettrica, per massimizzare il trasferimento di calore.
Nelle regioni con temperature estreme, come gli Stati Uniti settentrionali in inverno e quelli meridionali in estate, le pompe di calore da terra sono i sistemi di riscaldamento e raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico e puliti dal punto di vista ambientale. Molto più efficienti rispetto al riscaldamento e raffreddamento elettrico, questi sistemi possono circolare da 3 a 5 volte l' energia utilizzata nel processo. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha scoperto che le pompe di calore possono risparmiare centinaia di dollari di costi energetici ogni anno, con il sistema che normalmente si paga da solo in 8 a 12 anni. I crediti d' imposta e altri incentivi possono ridurre il periodo di ammortamento a 5 anni o meno.
Più di 600.000 pompe di calore a terra forniscono il controllo del clima nelle abitazioni e negli altri edifici degli Stati Uniti, con nuovi impianti che si verificano a un ritmo di circa 60.000 all'anno. Pur essendo significativo, esso rappresenta ancora solo una piccola parte del mercato statunitense del riscaldamento e del raffreddamento, e permangono diversi ostacoli ad una maggiore penetrazione nel mercato. Ad esempio, nonostante i risparmi a lungo termine, le pompe di calore geotermiche hanno costi iniziali più elevati. Inoltre, l'installazione in abitazioni e attività commerciali esistenti può essere difficile, poiché comporta lo scavo di aree intorno alla struttura di un edificio. Infine, molti installatori di riscaldamento e raffreddamento non conoscono la tecnologia.
Tuttavia, in alcune zone, le pompe di calore a terra sono ancora in funzione. Nelle zone rurali senza accesso ai gasdotti, le abitazioni devono utilizzare propano o elettricità per il riscaldamento e il raffreddamento. Le pompe di calore sono molto meno costose da utilizzare rispetto a questi sistemi convenzionali e, dato che gli edifici sono generalmente largamente diffusi, l'installazione di circuiti sotterranei spesso non è un problema. Gli anelli sotterranei possono essere facilmente installati anche durante la costruzione di nuovi edifici, con conseguente risparmio per la vita dell'edificio. Inoltre, i recenti sviluppi politici offrono forti incentivi ai proprietari di abitazioni a installare questi sistemi.
Il futuro dell'energia geotermica
L'energia geotermica ha il potenziale per svolgere un ruolo significativo nel far evolvere gli Stati Uniti (e altre regioni del mondo) verso un sistema energetico più pulito e sostenibile.
È una delle poche tecnologie di energia rinnovabile in grado di fornire energia continua e a carico di base.
Inoltre, a differenza del carbone e delle centrali nucleari, gli impianti geotermici binari possono essere utilizzati come una fonte flessibile di energia per bilanciare l'approvvigionamento variabile di risorse rinnovabili come l'eolico e il solare. Gli impianti binari hanno la capacità di aumentare e diminuire la produzione più volte al giorno, dal 100 per cento della potenza nominale fino a un minimo del 10%.
Anche i costi dell' energia elettrica prodotta dagli impianti geotermici stanno diventando sempre più competitivi.
La U. S. Energy Information Administration (EIA) ha previsto che il costo dell'energia livellato (LCOE) per i nuovi impianti geotermici (provenienti online nel 2019) sarà inferiore a 5 centesimi per chilowattora (kWh), rispetto a più di 6 centesimi per i nuovi impianti a gas naturale e a più di 9 centesimi per il nuovo carbone convenzionale.
C'è anche un futuro brillante per l'uso diretto delle risorse geotermiche come fonte di riscaldamento per case e aziende in qualsiasi luogo.
Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale dell' energia geotermica, due tecnologie emergenti richiedono un ulteriore sviluppo: i sistemi geotermici potenziati (EGS) e la coproduzione di elettricità geotermica nei pozzi petroliferi e di gas.
Sistemi geotermici potenziati
Il calore geotermico si verifica ovunque sotto la superficie della terra, ma le condizioni che fanno circolare l'acqua alla superficie si trovano in meno del 10 % della superficie terrestre. Un approccio per catturare il calore nelle zone secche è noto come sistemi geotermici avanzati (EGS) o "roccia secca calda".
I serbatoi di roccia calda, in genere a profondità maggiori rispetto alle fonti convenzionali, vengono prima scomposti pompando l'acqua ad alta pressione attraverso di essi. Le piante quindi pompano più acqua attraverso le rocce calde rotte, dove si riscalda, ritorna in superficie sotto forma di vapore e aziona le turbine per generare elettricità.
L'acqua viene poi restituita al serbatoio attraverso i pozzi di iniezione per completare il circuito di ricircolo. Impianti che utilizzano un ciclo binario ad anello chiuso non rilasciano fluidi o emissioni per la cattura del calore diversi dal vapore acqueo, che possono essere utilizzati per il raffreddamento.
Uno studio del 2006 condotto dal MIT ha rilevato che la tecnologia EGS potrebbe fornire 100 gigawatt di elettricità entro il 2050. Il Dipartimento dell' Energia, diverse università, l'industria geotermica e le imprese di venture capital (inclusa Google) stanno collaborando a progetti di ricerca e dimostrazione per sfruttare il potenziale dell'EGS.
Il progetto Newberry Geothermal Project a Bend, Oregon, ha recentemente compiuto progressi significativi nella riduzione dei costi del progetto EGS e nell'eliminazione dei rischi per lo sviluppo futuro. Il DOE spera di avere un EGS pronto per lo sviluppo commerciale entro il 2015. Anche Australia, Francia, Germania e Giappone hanno programmi di R&S per rendere EGS commercialmente redditizio.
Una delle ragioni per un'attenta considerazione con EGS è la possibilità di attività sismica indotta che potrebbe verificarsi durante la perforazione e lo sviluppo di rocce calde e secche.
Questo rischio è simile a quello associato alla fratturazione idraulica, un metodo sempre più utilizzato per la perforazione di petrolio e gas, e alla cattura e stoccaggio dell'anidride carbonica nelle falde acquifere saline profonde.
Benché potenzialmente preoccupante, il rischio di un evento sismico indotto connesso all'EGS che possa essere avvertito dalla popolazione circostante o che possa causare danni significativi appare attualmente molto basso quando i progetti sono situati a una distanza adeguata dalle principali linee di faglia e adeguatamente monitorati.
Sono fondamentali anche la selezione del sito, la valutazione e il monitoraggio della frattura delle rocce e l'attività sismica durante e dopo la costruzione, nonché la comunicazione aperta e trasparente con le comunità locali.
Bassa temperatura e coproduzione di energia elettrica geotermica nei pozzi petroliferi e gassosi
L'energia geotermica a bassa temperatura deriva dal fluido geotermico presente nel terreno a temperature uguali o inferiori a 150ºC (300ºF). Queste risorse sono tipicamente utilizzate in applicazioni ad uso diretto, come il riscaldamento di edifici, ma possono anche essere utilizzate per produrre elettricità attraverso processi geotermici a ciclo binario.
I giacimenti di petrolio e gas già in produzione rappresentano un'ampia fonte potenziale di questo tipo di energia geotermica.
In molti giacimenti esistenti di petrolio e gas sono presenti una quantità significativa di acqua ad alta temperatura o adeguate condizioni di alta pressione, che potrebbero consentire la coproduzione di energia elettrica geotermica insieme all'estrazione di petrolio e gas.
In alcuni casi, lo sfruttamento di queste risorse geotermiche potrebbe addirittura migliorare l'estrazione di petrolio e gas.
Uno studio del MIT ha stimato che gli Stati Uniti hanno il potenziale per sviluppare 44.000 MW di capacità geotermica entro il 2050, coproducendo l'elettricità geotermica nei giacimenti di petrolio e gas, principalmente nel Sud-Est e nel Sud-est degli Stati della Pianura.
Lo studio ha previsto che tali sistemi geotermici avanzati potrebbero fornire il 10% dell'elettricità di base negli Stati Uniti entro il 2050, data la ricerca e lo sviluppo e la diffusione nei prossimi 10 anni.
Secondo il DOE, ogni anno negli Stati Uniti producono in media 25 miliardi di barili di acqua calda nei pozzi di petrolio e gas. Quest'acqua, che storicamente è stata considerata un inconveniente per gli operatori del pozzo, potrebbe essere sfruttata per produrre fino a 3 gigawatt di energia di base pulita e affidabile.
Questa energia non solo potrebbe ridurre le emissioni di gas a effetto serra, ma potrebbe anche aumentare la redditività e prolungare la vita economica delle infrastrutture esistenti nel settore petrolifero e del gas.
L'ufficio per le tecnologie geotermiche del DOE sta lavorando per raggiungere l'obiettivo di una produzione diffusa di energia geotermica a bassa temperatura entro il 2020.
Questi nuovi entusiasmanti sviluppi nel settore geotermico saranno sostenuti da livelli di finanziamento federale della R&S senza precedenti. Nell'ambito della legge americana sulla ripresa e il reinvestimento del 2009, sono stati stanziati 400 milioni di dollari di nuovi finanziamenti a favore del programma per le tecnologie geotermiche del DOE.
Di questi 90 milioni di dollari sono stati destinati a finanziare sette progetti dimostrativi per dimostrare la fattibilità della tecnologia EGS. Altri 50 milioni di dollari hanno finanziato 17 progetti dimostrativi per altre nuove tecnologie, tra cui la coproduzione con petrolio e gas e la geotermia a bassa temperatura.
I fondi rimanenti sono stati destinati alle tecnologie di esplorazione, all'espansione dell' impiego delle pompe di calore geotermiche e ad altri usi. Questi investimenti stanno già iniziando ad ampliare gli orizzonti della produzione di energia geotermica e probabilmente continueranno a produrre significativi benefici netti in futuro.
