Geotermia avanzata: come calore, fluidi e permeabilità consentono di generare energia

Di cosa ha bisogno un sistema geotermico

La geotermia sfrutta il calore dell’interno della Terra. Per generare elettricità in un sistema idrotermale naturale sono necessari tre elementi: calore, fluido e permeabilità, cioè la possibilità per il fluido di spostarsi attraverso le rocce sotterranee. Le informazioni generali dell’Amministrazione per l’informazione energetica degli Stati Uniti (EIA) collocano questo calore nel contesto dell’energia terrestre: le rocce e l’acqua assorbono calore dal sottosuolo e, in generale, la temperatura aumenta con la profondità (EIA: energia geotermica).

La difficoltà affrontata dai sistemi geotermici avanzati (EGS, dall’inglese) è che in alcune zone la roccia è calda, ma il fluido naturale è insufficiente oppure le fratture non ne consentono una facile circolazione. U.S. Department of Energy spiega che, in queste condizioni, un EGS può creare un serbatoio artificiale per estrarre il calore. L’obiettivo non è produrre calore, bensì fare in modo che un fluido lo raccolga dalla roccia e lo trasporti in superficie.

Come si crea e si sfrutta il serbatoio

Secondo U.S. Department of Energy, si inietta fluido in profondità, in condizioni controllate, per aprire le fratture esistenti e crearne di nuove. Questo aumento della permeabilità consente al fluido di attraversare una porzione più ampia della roccia calda. Circolando, il fluido si riscalda; in seguito viene pompato in superficie, dove l’acqua calda genera elettricità per la rete (U.S. Department of Energy: sistemi geotermici avanzati).

Il processo dipende dal funzionamento congiunto di diversi componenti: la roccia deve fornire calore; le fratture devono consentire il movimento del fluido; e i pozzi devono collegare il serbatoio alla superficie. Per questo la permeabilità non è un dettaglio secondario: determina se il fluido può circolare nella roccia e raccogliere calore. La fonte del Dipartimento dell’Energia segnala che un’iniziativa sulle proprietà idrauliche mira a sviluppare tecnologie e tecniche per controllare il flusso all’interno della rete di fratture e ottimizzare l’estrazione del calore. Separatamente, i metodi in fase di sviluppo per modificare la permeabilità delle fratture potrebbero aumentare l’efficienza e la durata del serbatoio, ridurre costi e rischi e accelerare la commercializzazione.

Una volta che il fluido caldo raggiunge la superficie, la conversione in elettricità dipende dalla configurazione della centrale. L’EIA descrive tre tipi fondamentali di centrali geotermiche: quelle a vapore secco utilizzano direttamente il vapore del serbatoio per azionare una turbina; quelle a vapore flash riducono la pressione dell’acqua calda affinché una parte si trasformi in vapore; e quelle a ciclo binario trasferiscono il calore a un altro liquido, che vaporizza e aziona la turbina (EIA: centrali geotermiche). Questa classificazione offre un contesto per comprendere la generazione geotermica, ma non stabilisce di per sé quale configurazione venga utilizzata in ciascun progetto EGS.

Il confronto riassume le condizioni e il meccanismo descritti da U.S. Department of Energy; non costituisce una valutazione delle prestazioni relative dei due sistemi.

Cosa condiziona il loro sviluppo

La possibilità di costruire un serbatoio artificiale non elimina le sfide legate alla perforazione e al funzionamento. U.S. Department of Energy indica che la fattibilità economica dipende dal miglioramento delle tecnologie e delle conoscenze del sottosuolo, comprese le proprietà geologiche e la permeabilità. Individua inoltre nella costruzione dei pozzi una sfida tecnica ed economica. In particolare, secondo la fonte, i materiali e le operazioni di rivestimento e cementazione dei pozzi rappresentano circa dal 30 % al 40 % o più dei costi totali dei pozzi. Il Dipartimento segnala che le soluzioni commerciali disponibili per valutare il rivestimento e la cementazione non sono generalmente ritenute adeguate per i sistemi geotermici a temperatura più elevata.

Anche il monitoraggio sismico presenta delle sfide. U.S. Department of Energy descrive sensori sismici che raccolgono dati sui serbatoi geotermici e sulle condizioni del sottosuolo, informazioni essenziali per sviluppare sistemi EGS efficaci ed efficienti. Tuttavia, gli strumenti tradizionali di monitoraggio sismico potrebbero non resistere alle alte temperature, all’elevata resistenza delle rocce e ai fluidi corrosivi dei pozzi geotermici. Il Dipartimento descrive iniziative di ricerca e dimostrazione volte a migliorare le tecnologie, testare i sistemi in diversi ambienti geologici e avvicinarli alla fattibilità commerciale. L’esistenza di questi progetti non dimostra che la tecnologia sia già commercialmente fattibile in ogni luogo.

EGS e altre tecnologie geotermiche avanzate

EGS non è l’unica tecnologia geotermica di nuova generazione presentata dal Dipartimento dell’Energia. I sistemi a circuito chiuso, per esempio, non dipendono da una rete di fratture: utilizzano una serie di tubazioni sotterranee chiuse, attraverso le quali circolano acqua e fluidi di lavoro per assorbire il calore del sottosuolo e trasportarlo in superficie. I sistemi supercaldi sfruttano risorse a >375 °C; la fonte indica che l’acqua iniettata in tali ambienti può acquisire proprietà sia di liquido sia di gas e trasportare grandi quantità di energia termica.

Queste tecnologie rispondono a concezioni diverse. EGS mira a far circolare il fluido attraverso la roccia fratturata; il circuito chiuso trasferisce il calore tramite tubazioni senza dipendere dalle fratture; e i sistemi supercaldi sono definiti dalla temperatura della risorsa. Il Dipartimento segnala che le tecnologie geotermiche di nuova generazione potrebbero estendere lo sviluppo oltre le tradizionali regioni idrotermali. Presenta tale espansione come una possibilità, non come un risultato garantito: dipende dalle condizioni del sottosuolo, dallo sviluppo tecnico e dalla fattibilità economica.

In sintesi, EGS cerca di rendere accessibile il calore là dove la roccia è calda, ma il fluido o la permeabilità naturale non sono sufficienti. La sequenza — iniettare, facilitare la circolazione, riscaldare il fluido e portarlo in superficie — spiega il principio del sistema; la costruzione dei pozzi, il controllo delle fratture, il monitoraggio e i costi delimitano la sfida di trasformare questo principio in una fonte di generazione applicabile a diversi ambienti.