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Energia Geotermica

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 utilizzata per uso umano.

Circa 2.900 chilometri 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 formatasi 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.

Gli isotopi sono forme di un elemento che hanno un numero diverso di neutroni rispetto alle versioni normali dell’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 il più delle volte decade in isotopi di calcio (calcio-40) e argon (argon-40).

Il decadimento radioattivo è un processo continuo nel nucleo. Le temperature lì salgono a più di 5.000 ° Celsius (circa 9.000 ° Fahrenheit). Il calore dal nucleo 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.

Se le formazioni rocciose sotterranee vengono riscaldate a circa 700-1.300 ° C, possono diventare magma. Il magma è una roccia fusa (parzialmente fusa) permeata di 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 termali, prese d’aria per il vapore, prese d’aria idrotermali sottomarine e vasi di fango.

Queste sono tutte fonti di energia geotermica. Il loro calore può essere catturato e utilizzato direttamente per il calore, oppure 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 fuoriesce sotto forma di magma, acqua o vapore. Rimane nel mantello, emanando verso l’esterno a un ritmo lento e raccogliendosi come sacche di calore elevato. Questo calore geotermico secco può essere raggiunto mediante perforazione e potenziato con acqua iniettata per creare vapore.

Molti paesi hanno sviluppato metodi per attingere all’energia geotermica. Diversi tipi di energia geotermica sono disponibili in diverse parti del mondo. In Islanda, le abbondanti fonti di acqua sotterranea calda e facilmente accessibili consentono alla maggior parte delle persone di fare affidamento sulle fonti geotermiche come fonte di energia sicura, affidabile ed economica. Altri paesi, come gli Stati Uniti, devono trivellare per l’energia geotermica a un costo maggiore.

Raccolta di energia geotermica: il riscaldamento e il 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 a circa 150 ° C. 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 riscaldare serre, abitazioni, attività di pesca e processi industriali. L’energia a bassa temperatura è più efficiente se utilizzata per il riscaldamento, sebbene a volte possa essere utilizzata per generare elettricità.

Le persone hanno a lungo utilizzato questo tipo di energia geotermica per l’ingegneria, il comfort e la cucina. Le prove archeologiche mostrano che 10.000 anni fa, gruppi di nativi americani si riunivano intorno a sorgenti termali naturali per riprendersi o rifugiarsi dal conflitto. Nel III secolo d.C. studiosi e dirigenti si riscaldavano in una sorgente termale alimentata da una pozza di pietra vicino a Lishan, una montagna nella Cina centrale. Una delle terme termali più famose si trova nella città di Bath, in Inghilterra, dal nome appropriato. Iniziando la costruzione intorno al 60 d.C., i conquistatori romani costruirono un elaborato sistema di bagni turchi e piscine utilizzando il calore delle 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 sin dal 1300. I turisti affollano la città per le sue terme d’élite. L’energia geotermica a bassa temperatura fornisce anche calore a case e aziende.

Gli Stati Uniti hanno aperto il loro primo sistema di teleriscaldamento geotermico nel 1892 a Boise, Idaho. Questo sistema fornisce ancora calore a circa 450 case.

Energia geotermica coprodotta

La tecnologia dell’energia geotermica coprodotta 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, ogni anno vengono prodotti circa 25 miliardi di barili di acqua calda come sottoprodotto. In passato, quest’acqua calda veniva semplicemente scartata. Recentemente è stata riconosciuta come potenziale fonte di ancora più energia: il suo vapore può essere utilizzato per generare elettricità da utilizzare immediatamente o da vendere alla rete.

Uno dei primi progetti di energia geotermica coprodotti è stato avviato presso il Rocky Mountain Oilfield Testing Center nello stato americano del Wyoming.

La tecnologia più recente ha consentito la portabilità degli impianti geotermici coprodotti. Sebbene ancora in fase sperimentale, le centrali elettriche mobili hanno un enorme potenziale per le 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 vengono perforati a una profondità compresa tra 3 e 90 metri, 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 circuito continuo, chiamato “anello sinuoso”, che circonda sottoterra e fuori terra, di solito in tutto un edificio. Il circuito può anche essere contenuto interamente interrato, per riscaldare un parcheggio o un’area paesaggistica.

In questo sistema, l’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 emette calore attraverso un sistema di condotti. Questi tubi riscaldati possono anche passare attraverso serbatoi di acqua calda e compensare i costi di riscaldamento dell’acqua.

Durante l’estate, il sistema GHP funziona in modo opposto: il liquido nelle tubazioni viene riscaldato dal calore nell’edificio o nel parcheggio e trasporta il calore da raffreddare nel sottosuolo.

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 che l’università risparmierà circa 2 milioni di dollari all’anno in costi di riscaldamento.

Raccolta di energia geotermica: elettricità

Per ottenere energia sufficiente per generare elettricità, le centrali geotermiche fanno affidamento sul calore che esiste a pochi chilometri sotto la superficie della Terra. In alcune zone, il calore può esistere naturalmente sottoterra come sacche di vapore o acqua calda. Tuttavia, la maggior parte delle aree deve essere “migliorata” con acqua iniettata per creare vapore.

Centrali elettriche a vapore secco

Le centrali elettriche a vapore secco sfruttano le fonti naturali di vapore sotterranee. Il vapore viene convogliato direttamente a una centrale elettrica, dove viene utilizzato per alimentare le turbine e generare elettricità.

Il vapore secco è il tipo più antico di centrale elettrica in grado di 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 elettricità a più di un milione di abitanti dell’area.

Ci sono solo due fonti conosciute di vapore sotterraneo negli Stati Uniti: il Parco Nazionale di Yellowstone nel Wyoming e The Geysers in California. Poiché Yellowstone è un’area protetta, The Geysers è l’unico luogo in cui è in uso una centrale elettrica a vapore secco. È uno dei più grandi complessi di energia geotermica del mondo e fornisce circa un quinto di tutta l’energia rinnovabile in California.

Centrali elettriche a vapore istantaneo

Le centrali elettriche a vapore istantaneo utilizzano fonti naturali di acqua calda e vapore sotterranei. L’acqua più calda di 182 ° C viene pompata in un’area a bassa pressione. Parte dell’acqua “lampeggia” o evapora rapidamente in vapore e viene convogliata fuori per alimentare una turbina e generare elettricità. L’acqua rimanente può essere scaricata in un serbatoio separato per estrarre più energia.

Le centrali elettriche a vapore istantaneo sono il tipo più comune di centrali geotermiche. La nazione insulare islandese vulcanicamente attiva fornisce quasi tutto il suo fabbisogno elettrico attraverso una serie di centrali geotermiche a vapore istantaneo. Il vapore e l’acqua calda in eccesso prodotti dal processo di vapore rapido riscaldano i marciapiedi ghiacciati e i parcheggi nel gelido inverno artico.

Le isole delle Filippine si trovano anche su un’area tettonicamente attiva, l ‘”anello di fuoco” che costeggia l’Oceano Pacifico. Il governo e l’industria nelle Filippine hanno investito in centrali elettriche a vapore istantaneo, e oggi la nazione è seconda solo agli Stati Uniti nel suo uso di energia geotermica. In effetti, la più grande centrale geotermica è una struttura a vapore istantaneo a Malitbog, nelle Filippine.

Sistemi geotermici avanzati

La Terra ha quantità virtualmente 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 perforazione, fratturazione e iniezione per fornire fluido e permeabilità in aree con roccia sotterranea calda, ma secca.

Per sviluppare un EGS, un “pozzo di iniezione” viene perforato verticalmente nel terreno. A seconda del tipo di roccia, la profondità può variare da 1 chilometro a 4,5 chilometri. L’acqua fredda ad alta pressione viene iniettata nello spazio perforato, costringendo 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 quindi convogliata sulla 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 in vapore e alimenta una turbina. La salamoia si raffredda e torna indietro nel pozzo di iniezione per assorbire nuovamente il calore sotterraneo. Non ci sono emissioni gassose oltre al vapore acqueo dal liquido evaporato.

Il pompaggio di acqua nel terreno per gli EGS può causare attività sismica o piccoli terremoti. A Basilea, in Svizzera, il processo di iniezione ha causato centinaia di minuscoli terremoti che sono cresciuti fino a un’attività sismica più significativa anche dopo che l’iniezione d’acqua è stata interrotta. Ciò ha portato alla cancellazione del progetto geotermico nel 2009.

Geotermia e ambiente

L’energia geotermica è una risorsa rinnovabile. La Terra emette calore da 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 pozzetti che estraggono il calore alla fine si raffredderà, soprattutto se il calore viene estratto più rapidamente del tempo concesso per reintegrarlo. Larderello, Italia, sede del primo impianto elettrico al mondo alimentato da energia geotermica, ha visto la sua pressione del vapore diminuire di oltre il 25% dagli anni ’50.

La reiniettazione dell’acqua a volte può aiutare un sito geotermico in raffreddamento a 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 è avvenuto a Basilea, in Svizzera.

I sistemi geotermici non richiedono enormi quantità di acqua dolce. Nei sistemi binari, l’acqua viene utilizzata solo come agente riscaldante 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 fluoruro. Queste sostanze tossiche possono essere trasportate in superficie e rilasciate quando l’acqua evapora. Inoltre, se il fluido perde in altri sistemi di acque sotterranee, può contaminare fonti pulite di acqua potabile e habitat acquatici.

Vantaggi

Ci sono molti vantaggi nell’utilizzare l’energia geotermica direttamente o indirettamente:

  • L’energia geotermica è rinnovabile; non è un combustibile fossile che alla fine verrà utilizzato. La Terra irradia continuamente calore dal suo nucleo e continuerà a farlo per miliardi di anni.
  • Qualche forma di energia geotermica può essere raggiunta e raccolta ovunque nel mondo.
  • L’uso dell’energia geotermica è relativamente pulito. La maggior parte dei sistemi emette solo vapore acqueo, sebbene alcuni emettano quantità molto piccole di anidride solforosa, protossido di azoto e particolato.
  • Le centrali geotermiche possono durare decenni e forse secoli. Se un serbatoio viene gestito correttamente, la quantità di energia estratta può essere bilanciata con la velocità di rinnovamento del calore della roccia.
  • A differenza di altre fonti di energia rinnovabile, i sistemi geotermici sono “carico di base”. Ciò significa che possono funzionare 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 di altre centrali elettriche. Per produrre un GWh (un gigawattora, 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 di terra. Per produrre lo stesso GWh, l’energia eolica richiede 3.458 chilometri quadrati, un centro solare fotovoltaico richiede 8.384 chilometri quadrati e le centrali a carbone utilizzano circa 9.433 chilometri quadrati.
  • I sistemi di energia geotermica sono adattabili a molte condizioni diverse.

Possono essere utilizzati per riscaldare, raffreddare o alimentare singole abitazioni, interi quartieri 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 al cedimento o al lento affondamento dei terreni. Ciò accade quando le fratture sotterranee collassano su se stesse. Ciò può portare a condutture, strade, edifici e sistemi di drenaggio naturali danneggiati.
  • Gli impianti geotermici possono rilasciare piccole quantità di gas serra come l’idrogeno solforato e l’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 rilasciate a fonti d’acqua se il sistema geotermico non è adeguatamente isolato.
  • Sebbene il processo non richieda quasi alcun carburante per funzionare, il costo iniziale di installazione della tecnologia geotermica è costoso. I paesi in via di sviluppo potrebbero non disporre delle infrastrutture sofisticate o dei costi di avvio per investire in una centrale geotermica. Diverse strutture nelle Filippine, ad esempio, sono state rese possibili dagli investimenti dell’industria e delle agenzie governative americane. Oggi gli impianti sono di proprietà e gestione filippina.

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