Geotermia: come il calore terrestre genera elettricità e climatizza gli edifici

Un’unica risorsa, usi diversi

L’energia geotermica è il calore della Terra. Secondo l’U.S. Department of Energy (DOE), le risorse geotermiche comprendono giacimenti sotterranei di acqua calda, naturali o creati mediante intervento umano, a diverse temperature e profondità. Si possono perforare pozzi da pochi piedi fino a diverse miglia per raggiungere vapore o acqua calda e portare il calore in superficie. Il DOE descrive queste risorse e le loro applicazioni.

Gli usi non sono univoci. Il calore può essere trasformato in elettricità; la temperatura stabile del sottosuolo può servire a riscaldare o raffrescare gli edifici; e l’acqua calda può essere sfruttata direttamente negli edifici o nei processi industriali. Si tratta di percorsi diversi: non tutti gli impianti geotermici producono elettricità e la climatizzazione con pompe di calore non equivale a estrarre vapore per azionare una turbina.

La differenza fondamentale sta in ciò che si ottiene dal sottosuolo e nella trasformazione necessaria. Per generare elettricità, il processo dipende dal tipo di centrale: può utilizzare il vapore del serbatoio, trasformare parte dell’acqua calda in vapore riducendone la pressione oppure trasferire il calore a un altro liquido che vaporizza e aziona la turbina. Per climatizzare, una pompa di calore scambia energia con il terreno, che funge da fonte o pozzo termico. Nell’uso diretto, l’acqua calda viene impiegata per fornire calore, senza che lo scopo descritto sia generare elettricità.

Dalle rocce calde all’elettricità

Nei sistemi geotermici descritti dal DOE, le rocce calde, un fluido e la permeabilità — la capacità del fluido di muoversi tra le rocce — offrono le condizioni per generare elettricità. Il DOE osserva che la permeabilità può essere naturale o creata; il fluido circola tra le rocce calde, assorbe calore e può portarlo in superficie attraverso pozzi. La sua spiegazione generale descrive la conversione di questa energia termica in vapore per azionare turbine; le configurazioni delle centrali, tuttavia, differiscono per il modo in cui viene prodotto il vapore. Il DOE illustra queste condizioni e il processo geotermico.

La EIA, come riferimento di contesto, descrive tre tipi fondamentali di centrali geotermiche. In quelle a vapore secco, il vapore del serbatoio aziona direttamente la turbina. In quelle a vapore flash (flash steam), l’acqua calda ad alta pressione raggiunge la superficie e, quando la pressione diminuisce, una parte si trasforma rapidamente in vapore. In quelle a ciclo binario, l’acqua geotermica trasferisce calore a un altro liquido il cui punto di ebollizione è inferiore; questo secondo fluido vaporizza e aziona la turbina. La EIA indica che, in quest’ultimo sistema, l’acqua geotermica non entra in contatto con la turbina e viene reimmessa nel sottosuolo. EIA: tipi di centrali geotermiche.

La tabella riassume i meccanismi descritti dal DOE e dalla EIA; non indica quale sia più efficiente né quale sia più adatto a un luogo specifico. La EIA afferma che le centrali geotermiche descritte necessitano di acqua molto calda o vapore, in un intervallo da 300 °F a 700 °F. Questo intervallo si riferisce alle centrali nel loro complesso, non a un requisito distinto per ciascun tipo di tecnologia né a un requisito generale per tutte le applicazioni geotermiche. EIA: risorse e sfruttamento geotermico.

Riscaldamento, raffrescamento e calore per uso diretto

Le pompe di calore geotermiche usano il terreno come scambiatore termico. Quando le temperature in superficie sono più calde, il sottosuolo funge da pozzo che assorbe calore; quando sono più fredde, funziona da fonte di calore. Il DOE distingue questa funzione dai sistemi di riscaldamento e raffrescamento distrettuale, che possono combinare diverse tecnologie geotermiche — per esempio, una serie di pompe di calore — per servire edifici, campus o comunità. Il DOE illustra questi usi termici.

L’uso diretto segue un’altra logica: pozzi, generalmente più profondi di quelli delle pompe di calore, portano acqua calda sotterranea per fornire acqua calda agli edifici, riscaldamento degli ambienti o calore ai processi industriali. Tra gli esempi citati dal DOE figurano l’acquacoltura, le serre e l’essiccazione di pasta di cellulosa, carta, legno e altri materiali. In questi casi, lo scopo è sfruttare direttamente il calore, non descrivere una conversione in elettricità.

La differenza pratica tra queste opzioni dipende dalla risorsa disponibile e dalla domanda da soddisfare: elettricità, climatizzazione o calore per un processo. Le fonti consultate illustrano i meccanismi, ma non forniscono un confronto quantitativo dei costi, del rendimento o dei requisiti di installazione tra i tre percorsi. Pertanto, la descrizione consente di distinguere le funzioni, non di decidere quale sia superiore in qualsiasi situazione.

Portata e limiti delle informazioni

La pagina del DOE presenta la geotermia come una risorsa con molteplici usi e descrive opportunità, tecnologie e programmi di lavoro. Espone inoltre stime del potenziale per gli Stati Uniti: oltre 17.000 sistemi di riscaldamento distrettuale e pompe di calore geotermiche equivalenti a 28 milioni di abitazioni entro il 2050. Per la capacità elettrica, distingue due analisi: l’analisi GeoVision del 2019 indicava un potenziale fino a 60 gigawatt; l’analisi Enhanced Geothermal Shot™ del 2022 indicava un potenziale di 90 gigawatt entro il 2050, subordinato al conseguimento di riduzioni aggressive dei costi nei sistemi geotermici avanzati. Sono proiezioni del potenziale, non risultati già raggiunti né garanzie di diffusione. Il DOE presenta le stime e il loro contesto.

Il DOE osserva inoltre che le centrali possono generare elettricità in modo costante e adeguare la produzione alle variazioni della domanda. Queste caratteristiche descrivono ciò che l’istituzione attribuisce alle centrali geotermiche; il materiale fornito non presenta un confronto indipendente delle prestazioni con altre fonti di energia. La EIA aiuta a contestualizzare le tecnologie di generazione, ma non costituisce una conferma indipendente delle stime o delle affermazioni del DOE.

In sintesi, la geotermia non è un’unica tecnologia: il calore terrestre può essere convertito in elettricità, scambiato con gli edifici mediante pompe di calore oppure fornito direttamente per usi termici. Le informazioni disponibili consentono di distinguere questi meccanismi, ma non di stabilirne la fattibilità, il costo o l’impatto in un sito specifico.