L’energia geotermica è il calore generato all’interno della Terra. (Geo significa “terra”, e termico significa” calore ” in greco.) È una risorsa rinnovabile che può essere raccolta per uso umano.
Circa 2.900 chilometri (1.800 miglia) sotto la crosta terrestre, o superficie, è la parte più calda del nostro pianeta: il nucleo. Una piccola parte del calore del nucleo proviene dall’attrito e dall’attrazione gravitazionale formatisi quando la Terra è stata creata più di 4 miliardi di anni fa., Tuttavia, la stragrande maggioranza del calore terrestre è costantemente generata dal decadimento di isotopi radioattivi, come il potassio-40 e il torio-232.
Isotopi sono forme di un elemento che hanno un numero diverso di neutroni rispetto alle versioni regolari di atomo dell’elemento.

Il potassio, ad esempio, ha 20 neutroni nel suo nucleo. Il potassio-40, tuttavia, ha 21 neutroni. Quando il potassio-40 decade, il suo nucleo cambia, emettendo enormi quantità di energia (radiazioni). Il potassio-40 spesso decade in isotopi di calcio (calcio-40) e argon (argon-40).,
Decadimento radioattivo è un processo continuo nel nucleo. Le temperature salgono a più di 5.000 ° Celsius (circa 9.000° Fahrenheit). Il calore proveniente dal nucleo si irradia costantemente verso l’esterno e riscalda rocce, acqua, gas e altro materiale geologico.
La temperatura della Terra aumenta con la profondità dalla superficie al nucleo. Questo graduale cambiamento di temperatura è noto come gradiente geotermico. Nella maggior parte del mondo, il gradiente geotermico è di circa 25° C per 1 chilometro di profondità (1° F per 77 piedi di profondità).,
Se le formazioni rocciose sotterranee vengono riscaldate a circa 700-1.300° C (1.300-2.400° F), possono diventare magma. Il magma è roccia fusa (parzialmente fusa) permeata da gas e bolle di gas. Il magma esiste nel mantello e nella crosta inferiore, e talvolta bolle in superficie come lava.

Il magma riscalda le rocce vicine e le falde acquifere sotterranee. L’acqua calda può essere rilasciata attraverso geyser, sorgenti calde, prese d’aria a vapore, prese d’aria idrotermali subacquee e vasi di fango.

Queste sono tutte fonti di energia geotermica., Il loro calore può essere catturato e utilizzato direttamente per il calore, o il loro vapore può essere utilizzato per generare elettricità. L’energia geotermica può essere utilizzata per riscaldare strutture come edifici, parcheggi e marciapiedi.
La maggior parte dell’energia geotermica della Terra non bolle come magma, acqua o vapore. Rimane nel mantello, emana verso l’esterno a un ritmo lento e si raccoglie come sacche di calore elevato. Questo calore geotermico secco può essere raggiunto perforando e migliorato con acqua iniettata per creare vapore.
Molti paesi hanno sviluppato metodi per sfruttare l’energia geotermica., Diversi tipi di energia geotermica sono disponibili in diverse parti del mondo. In Islanda, abbondanti fonti di acqua sotterranea calda e facilmente accessibile rendono possibile per la maggior parte delle persone di fare affidamento su fonti geotermiche come fonte di energia sicura, affidabile e poco costosa. Altri paesi, come gli Stati Uniti, devono perforare per l’energia geotermica a costi maggiori.
Raccolta di energia geotermica: riscaldamento e raffreddamento
Energia geotermica a bassa temperatura
Quasi ovunque nel mondo, il calore geotermico è accessibile e utilizzato immediatamente come fonte di calore., Questa energia termica è chiamata energia geotermica a bassa temperatura. L’energia geotermica a bassa temperatura è ottenuta da sacche di calore di circa 150° C (302° F). La maggior parte delle sacche di energia geotermica a bassa temperatura si trovano a pochi metri sotto terra.
L’energia geotermica a bassa temperatura può essere utilizzata per il riscaldamento di serre, case, pesca e processi industriali. L’energia a bassa temperatura è più efficiente quando viene utilizzata per il riscaldamento, anche se a volte può essere utilizzata per generare elettricità.
Le persone hanno a lungo utilizzato questo tipo di energia geotermica per l’ingegneria, il comfort, la guarigione e la cottura., Le prove archeologiche mostrano che 10.000 anni fa, gruppi di nativi americani si riunivano intorno alle sorgenti termali naturali per recuperare o rifugiarsi dai conflitti. Nel terzo secolo AC, studiosi e leader si riscaldarono in una sorgente calda alimentata da una piscina di pietra vicino a Lishan, una montagna nella Cina centrale. Una delle più famose terme termali si trova nella città di Bath, in Inghilterra. A partire costruzione in circa 60 CE, conquistatori romani costruito un elaborato sistema di bagni di vapore e piscine utilizzando il calore dalle sacche poco profonde della regione di energia geotermica a bassa temperatura.,

Le sorgenti termali di Chaudes Aigues, in Francia, hanno fornito una fonte di reddito ed energia per la città fin dal 1300. I turisti affollano la città per le sue terme d’elite. L’energia geotermica a bassa temperatura fornisce anche calore alle case e alle imprese.
Gli Stati Uniti hanno aperto il suo primo sistema di teleriscaldamento geotermico nel 1892 a Boise, Idaho. Questo sistema fornisce ancora calore a circa 450 case.
Energia geotermica co-prodotta
La tecnologia geotermica co-prodotta si basa su altre fonti di energia., Questa forma di energia geotermica utilizza l’acqua che è stata riscaldata come sottoprodotto nei pozzi di petrolio e gas.
Negli Stati Uniti, circa 25 miliardi di barili di acqua calda vengono prodotti ogni anno come sottoprodotto. In passato, questa acqua calda veniva semplicemente scartata. Recentemente, è stato riconosciuto come una potenziale fonte di ancora più energia: il suo vapore può essere utilizzato per generare elettricità da utilizzare immediatamente o vendere alla rete.
Uno dei primi progetti di energia geotermica co-prodotto è stato avviato presso il Rocky Mountain Oilfield Testing Center nello stato americano del Wyoming.,

La tecnologia più recente ha permesso agli impianti di energia geotermica co-prodotti di essere portatili. Anche se ancora in fase sperimentale, le centrali elettriche mobili hanno un enorme potenziale per comunità isolate o impoverite.
Pompe di calore geotermiche
Le pompe di calore geotermiche (GHP) sfruttano il calore della Terra e possono essere utilizzate quasi ovunque nel mondo. I GHP sono perforati da circa 3 a 90 metri (da 10 a 300 piedi) di profondità, molto meno profondi della maggior parte dei pozzi di petrolio e gas naturale. I GHP non richiedono la frattura del substrato roccioso per raggiungere la loro fonte di energia.,

Un tubo collegato a un GHP è disposto in un ciclo continuo—chiamato “loop slinky”—che circonda sottoterra e fuori terra, di solito in tutto un edificio. Il loop può anche essere contenuto interamente sotterraneo, per riscaldare un parcheggio o un’area paesaggistica.
In questo sistema, acqua o altri liquidi (come il glicerolo, simile all’antigelo di un’auto) si muovono attraverso il tubo. Durante la stagione fredda, il liquido assorbe il calore geotermico sotterraneo. Trasporta il calore verso l’alto attraverso l’edificio e emana calore attraverso un sistema di canali., Questi tubi riscaldati possono anche attraversare serbatoi di acqua calda e compensare i costi di riscaldamento dell’acqua.
Durante l’estate, il sistema GHP funziona in modo opposto: il liquido nei tubi viene riscaldato dal calore nell’edificio o nel parcheggio e trasporta il calore da raffreddare sottoterra.
L’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha definito il riscaldamento geotermico il sistema di riscaldamento e raffreddamento più efficiente dal punto di vista energetico e sicuro per l’ambiente. Il più grande sistema GHP è stato completato nel 2012 presso la Ball State University in Indiana., Il sistema ha sostituito un sistema di caldaie a carbone, e gli esperti stimano l’università farà risparmiare circa million 2 milioni l’anno in costi di riscaldamento.
Raccolta di energia geotermica: elettricità
Per ottenere energia sufficiente per generare elettricità, le centrali geotermiche si basano sul calore che esiste a pochi chilometri sotto la superficie della Terra. In alcune zone, il calore può naturalmente esistere sottoterra come tasche vapore o acqua calda. Tuttavia, la maggior parte delle aree deve essere “migliorata” con acqua iniettata per creare vapore.,
Centrali a vapore secco
Le centrali a vapore secco sfruttano le fonti naturali sotterranee di vapore. Il vapore viene convogliato direttamente in una centrale elettrica, dove viene utilizzato per alimentare turbine e generare elettricità.
Il vapore secco è il più antico tipo di centrale elettrica per generare elettricità utilizzando l’energia geotermica. La prima centrale a vapore secco fu costruita a Larderello, in Italia, nel 1911. Oggi, le centrali a vapore secco di Larderello continuano a fornire energia elettrica a più di un milione di abitanti della zona.,
Ci sono solo due fonti conosciute di vapore sotterraneo negli Stati Uniti: Parco Nazionale di Yellowstone nel Wyoming e Geyser in California. Poiché Yellowstone è un’area protetta, i Geyser sono l’unico luogo in cui è in uso una centrale elettrica a vapore secco. Si tratta di uno dei più grandi complessi di energia geotermica del mondo, e fornisce circa un quinto di tutta l’energia rinnovabile in California.

Centrale elettrica a vapore flash

Le centrali elettriche a vapore flash utilizzano fonti naturali di acqua calda sotterranea e vapore., L’acqua più calda di 182 ° C (360 ° F) viene pompata in un’area a bassa pressione. Parte dell’acqua “lampeggia” o evapora rapidamente in vapore e viene incanalata per alimentare una turbina e generare elettricità. Qualsiasi acqua rimanente può essere balenata in un serbatoio separato per estrarre più energia.

Le centrali elettriche a vapore flash sono il tipo più comune di centrali geotermiche. La nazione insulare vulcanicamente attiva dell’Islanda fornisce quasi tutte le sue esigenze elettriche attraverso una serie di centrali geotermiche a vapore istantaneo., Il vapore e l’acqua calda in eccesso prodotta dal processo flash-vapore riscaldano marciapiedi ghiacciati e parcheggi nel gelido inverno artico.
Le isole delle Filippine si trovano anche su un’area tettonicamente attiva, l ‘ “Anello di fuoco” che circonda l’Oceano Pacifico. Il governo e l’industria nelle Filippine hanno investito in centrali elettriche a vapore flash, e oggi la nazione è seconda solo agli Stati Uniti nel suo uso dell’energia geotermica. Infatti, la più grande centrale geotermica singola è un impianto flash-vapore a Malitbog, Filippine.,
Centrali a ciclo binario
Le centrali a ciclo binario utilizzano un processo unico per conservare l’acqua e generare calore. L’acqua viene riscaldata sottoterra a circa 107 ° -182 ° C (225°-360° F). L’acqua calda è contenuta in un tubo, che cicli fuori terra. L’acqua calda riscalda un composto organico liquido che ha un punto di ebollizione inferiore all’acqua. Il liquido organico crea vapore, che scorre attraverso una turbina e alimenta un generatore per creare elettricità. L’unica emissione in questo processo è il vapore., L’acqua nel tubo viene riciclata a terra, per essere nuovamente riscaldata dalla Terra e fornire nuovamente calore per il composto organico.
L’impianto geotermico di Beowawe nello stato americano del Nevada utilizza il ciclo binario per generare elettricità. Il composto organico utilizzato nella struttura è un refrigerante industriale (tetrafluoroetano, un gas serra). Questo refrigerante ha un punto di ebollizione molto più basso dell’acqua, il che significa che viene convertito in gas a basse temperature. Il gas alimenta le turbine, che sono collegate a generatori elettrici.,
Sistemi geotermici potenziati
La Terra ha quantità praticamente infinite di energia e calore sotto la sua superficie. Tuttavia, non è possibile utilizzarlo come energia a meno che le aree sotterranee non siano ” idrotermali.”Ciò significa che le aree sotterranee non sono solo calde, ma contengono anche liquidi e sono permeabili. Molte aree non hanno tutti e tre questi componenti. Un sistema geotermico potenziato (EGS) utilizza la perforazione, la fratturazione e l’iniezione per fornire fluido e permeabilità in aree con roccia sotterranea calda ma asciutta.,
Per sviluppare un EGS, un “pozzo dell’iniezione” è perforato verticalmente nella terra. A seconda del tipo di roccia, questo può essere superficiale come 1 chilometro (0,6 miglia) fino a 4,5 chilometri (2,8 miglia). L’acqua fredda ad alta pressione viene iniettata nello spazio perforato, che costringe la roccia a creare nuove fratture, espandere le fratture esistenti o dissolversi. Questo crea un serbatoio di fluido sotterraneo.

L’acqua viene pompata attraverso il pozzo di iniezione e assorbe il calore delle rocce mentre scorre attraverso il serbatoio., Questa acqua calda, chiamata salamoia, viene poi convogliata fino alla superficie terrestre attraverso un ” pozzo di produzione.”La salamoia riscaldata è contenuta in un tubo. Riscalda un fluido secondario che ha un basso punto di ebollizione, che evapora a vapore e alimenta una turbina. La salamoia si raffredda e torna indietro attraverso il pozzo di iniezione per assorbire nuovamente il calore sotterraneo. Non ci sono emissioni gassose oltre al vapore acqueo dal liquido evaporato.
Pompare acqua nel terreno per EGSs può causare attività sismica o piccoli terremoti., A Basilea, in Svizzera, il processo di iniezione ha causato centinaia di piccoli terremoti che sono diventati un’attività sismica più significativa anche dopo che l’iniezione di acqua è stata interrotta. Ciò ha portato alla cancellazione del progetto geotermico nel 2009.
Energia geotermica e ambiente
L’energia geotermica è una risorsa rinnovabile. La Terra ha emesso calore per circa 4,5 miliardi di anni e continuerà a emettere calore per miliardi di anni nel futuro a causa del decadimento radioattivo in corso nel nucleo della Terra.,
Tuttavia, la maggior parte dei pozzi che estraggono il calore finirà per raffreddarsi, specialmente se il calore viene estratto più rapidamente di quanto non sia dato il tempo di ricostituire. Larderello, Italia, sito del primo impianto elettrico al mondo fornito da energia geotermica, ha visto la sua pressione del vapore scendere di oltre il 25% dal 1950.
Re-iniezione di acqua può talvolta aiutare un sito geotermico raffreddamento durare più a lungo. Tuttavia, questo processo può causare ” micro-terremoti.,”Sebbene la maggior parte di questi siano troppo piccoli per essere percepiti dalle persone o registrati su una scala di grandezza, a volte il terreno può tremare a livelli più minacciosi e causare la chiusura del progetto geotermico, come ha fatto a Basilea, in Svizzera.

I sistemi geotermici non richiedono enormi quantità di acqua dolce. Nei sistemi binari, l’acqua viene utilizzata solo come agente di riscaldamento e non viene esposta o evaporata. Può essere riciclato, utilizzato per altri scopi o rilasciato nell’atmosfera come vapore non tossico., Tuttavia, se il fluido geotermico non è contenuto e riciclato in un tubo, può assorbire sostanze nocive come arsenico, boro e fluoro. Queste sostanze tossiche possono essere trasportate in superficie e rilasciate quando l’acqua evapora. Inoltre, se il fluido perde in altri sistemi idrici sotterranei, può contaminare fonti pulite di acqua potabile e habitat acquatici.

Vantaggi
L’utilizzo diretto o indiretto dell’energia geotermica ha molti vantaggi:

  • L’energia geotermica è rinnovabile; non è un combustibile fossile che alla fine verrà esaurito., La Terra irradia continuamente calore dal suo nucleo, e continuerà a farlo per miliardi di anni.
  • Qualche forma di energia geotermica è accessibile e raccolto in qualsiasi parte del mondo.
  • L’utilizzo di energia geotermica è relativamente pulito. La maggior parte dei sistemi emettono solo vapore acqueo, anche se alcuni emettono quantità molto piccole di anidride solforosa, ossidi di azoto e particolato.
  • Le centrali geotermiche possono durare per decenni e forse secoli. Se un serbatoio è gestito correttamente, la quantità di energia estratta può essere bilanciata con il tasso della roccia di rinnovare il suo calore.,
  • A differenza di altre fonti energetiche rinnovabili, i sistemi geotermici sono “baseload.”Ciò significa che possono lavorare in estate o in inverno e non dipendono da fattori mutevoli come la presenza di vento o sole. Le centrali geotermiche producono elettricità o calore 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana.
  • Lo spazio necessario per costruire un impianto geotermico è molto più compatto rispetto ad altre centrali elettriche., Per produrre un GWh (un gigawatt ora, o un milione di kilowatt di energia per un’ora, un’enorme quantità di energia), un impianto geotermico utilizza l’equivalente di circa 1.046 chilometri quadrati (404 miglia quadrate) di terra. Per produrre lo stesso GWh, l’energia eolica richiede 3.458 chilometri quadrati (1.335 miglia quadrate), un centro solare fotovoltaico richiede 8.384 chilometri quadrati (3.237 miglia quadrate) e le centrali a carbone utilizzano circa 9.433 chilometri quadrati (3.642 miglia quadrate).
  • I sistemi di energia geotermica sono adattabili a molte condizioni diverse.,

Possono essere utilizzati per riscaldare, raffreddare o alimentare singole case, interi distretti o processi industriali.

Svantaggi
La raccolta di energia geotermica pone ancora molte sfide:

  • Il processo di iniezione di flussi d’acqua ad alta pressione nella Terra può provocare una minore attività sismica o piccoli terremoti.
  • Gli impianti geotermici sono stati collegati alla subsidenza, o al lento affondamento del terreno. Questo accade mentre le fratture sotterranee collassano su se stesse. Ciò può portare a condotte danneggiate, strade, edifici e sistemi di drenaggio naturale.,
  • Gli impianti geotermici possono rilasciare piccole quantità di gas serra come idrogeno solforato e anidride carbonica.
  • L’acqua che scorre attraverso i serbatoi sotterranei può raccogliere tracce di elementi tossici come arsenico, mercurio e selenio. Queste sostanze nocive possono essere fuoriuscite alle fonti d’acqua se il sistema geotermico non è adeguatamente isolato.
  • Anche se il processo richiede quasi nessun combustibile per funzionare, il costo iniziale di installazione della tecnologia geotermica è costoso., I paesi in via di sviluppo potrebbero non avere le sofisticate infrastrutture o i costi di avviamento per investire in una centrale geotermica. Diverse strutture nelle Filippine, ad esempio, sono state rese possibili dagli investimenti dell’industria americana e dalle agenzie governative. Oggi, le piante sono filippine di proprietà e gestito.

Energia geotermica e persone
L’energia geotermica esiste in diverse forme in tutta la Terra (da prese d’aria di vapore, lava, geyser o semplicemente calore secco), e ci sono diverse possibilità per estrarre e utilizzare questo calore.,
In Nuova Zelanda, geyser naturali e prese d’aria a vapore riscaldano piscine, case, serre e allevamenti di gamberi. I neozelandesi usano anche il calore geotermico secco per asciugare legname e materie prime.
Altri paesi, come l’Islanda, hanno approfittato delle risorse di roccia fusa e magma dall’attività vulcanica per fornire calore per case ed edifici. In Islanda, quasi il 90% delle persone del paese utilizza risorse di riscaldamento geotermico. L’Islanda si basa anche sui suoi geyser naturali per sciogliere la neve, la pesca calda e riscaldare le serre.,
Gli Stati Uniti generano la maggior quantità di energia geotermica di qualsiasi altro paese. Ogni anno, gli Stati Uniti generano almeno 15 miliardi di kilowattora, o l’equivalente di bruciare circa 25 milioni di barili di petrolio. Le tecnologie geotermiche industriali sono state concentrate negli Stati Uniti occidentali Nel 2012, il Nevada ha avuto 59 progetti geotermici operativi o in sviluppo, seguiti dalla California con 31 progetti e dall’Oregon con 16 progetti.,
Il costo della tecnologia geotermica è sceso negli ultimi dieci anni, e sta diventando più economicamente possibile per gli individui e le aziende.