Lenergia geotermica è la forma di energia ottenibile dal calore proveniente da fonti geologiche presenti nel sottosuolo; si tratta di una forma di energia alternativa e rinnovabile.
Si basa sullo sfruttamento del calore naturale del pianeta Terra, dovuto all'energia termica rilasciata dai processi di decadimento nucleare naturale degli elementi radioattivi quali uranio, torio e potassio, contenuti naturalmente nelle rocce presenti all'interno della Terra (nucleo, mantello e crosta terrestre): il calore generato da tali processi fa sì che la temperatura aumenti con la profondità, a partire dalla superficie terrestre verso il centro della terra, secondo un gradiente geotermico variabile in funzione dei tipi di rocce in posto e delle strutture geologiche presenti. Si tratta di un'energia sempre presente e sfruttabile, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche sia a breve che a lunga durata del luogo in cui viene sfruttata e non presenta i fenomeni di ciclicità giornaliera e stagionale tipici dell'energia solare.
Grazie alla peculiarità della geotermia, questa energia può essere utilizzata sia come fonte di produzione di energia elettrica che direttamente come fonte di calore, secondo il processo della cogenerazione. Fu utilizzata per la prima volta per la produzione di elettricità il 4 luglio 1904, in Italia, ad opera del principe Piero Ginori Conti, il quale sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello, in Toscana, in seguito furono create delle vere e proprie centrali geotermicheThe Celebration Of The Centenary Of The Geothermal-Electric Industry Was Concluded In Florence On December 10th, 2005 in IGA News #64, April - June 2006. Publication of UGI/Italian Geothermal Union..
Costituisce oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energiaJanuary 2007 IEA Fact sheet: .; tuttavia, uno studio pubblicato nel 2011 dal Massachusetts Institute of Technology afferma che la potenziale energia geotermica contenuta sul nostro pianeta si aggira attorno ai ZJoule e che con le attuali tecnologie sarebbe possibile utilizzarne solamente ZJ e, dato che il consumo mondiale di energia ammonta a un totale di 0,5 ZJ all'anno, la sola energia geotermica potrebbe teoricamente soddisfare il fabbisogno energetico planetario per i prossimi anni.Si veda anche pag. 7-10 in Ruggero Bertani, Geothermal Energy: An Overview On Resources And Potential - Proceedings of the International Conference on National Development Of Geothermal Energy Use, 2009>
Storia
Le sorgenti calde sono state utilizzate per la balneazione almeno fin dal Paleolitico. Tra i centri termali più antichi conosciuti vi sono le terme etrusche del complesso di Sasso Pisano a Castelnuovo di Val di Cecina di epoca ellenica e una piscina in pietra in Cina sulla montagna Lisan costruita durante la dinastia Qin nel III secolo a.C., nello stesso luogo in cui il palazzo Huaqing Chi fu poi costruito. Nel primo secolo d.C., i Romani conquistarono Aquae Sulis, ora Bath, nel Somerset in Inghilterra e utilizzarono le sue sorgenti calde per alimentare i bagni pubblici e il riscaldamento a pavimento. Il pagamento per l'ingresso a questi bagni rappresenta probabilmente il primo utilizzo commerciale dell'energia geotermica. Il sistema più antico di riscaldamento geotermico per un quartiere è stato installato a Chaudes-Aigues, Francia ed è divenuto operativo nel XIV secolo. Il primo sfruttamento industriale avvenne nel 1827 con l'uso del vapore di una fumarola per estrarre l'acido borico dai suoi fluidi idrotermali associati, presso Larderello, in Italia.
Nel 1892, il primo sistema di teleriscaldamento statunitense a Boise, Idaho fu alimentato direttamente da energia geotermica ed è stato copiato a Klamath Falls, Oregon nel 1900. Un profondo pozzo geotermico è stato usato per riscaldare le serre in Boise nel 1926 e geyser sono stati utilizzati per riscaldare le serre in Islanda e in Toscana circa nello stesso periodo. Charlie Lieb sviluppò il primo scambiatore di calore in fondo ad un pozzo nel 1930 per riscaldare la propria casa. Il vapore e l'acqua calda dal geyser iniziarono ad essere utilizzati per il riscaldamento domestico in Islanda a partire dal 1943.
Nel XX secolo, la domanda di energia elettrica ha portato a considerare la geotermia come fonte di generazione. Il principe Piero Ginori Conti sperimentò il primo generatore geotermico il 4 luglio 1904, presso lo stesso campo di Larderello dove era iniziata l'estrazione degli acidi da geotermia. Questo esperimento portò all'accensione di cinque lampadine. Più tardi, nel 1911, in quel posto è stato costruito il primo impianto geotermico commerciale del mondo, il cui successo provò la fattibilità dell'utilizzo dell'energia geotermica per un utilizzo industriale. Lo sviluppo a Larderello proseguì e nel 1942 i suoi impianti arrivarono ad una capacità di 128 MWe.. Fino al 1958 questo è stato il primo impianto di produzione industriale al mondo di energia elettrica geotermica, fino a quando la Nuova Zelanda ne costruì uno nel 1958. Nel 2012 essa ha prodotto circa 594 megawattora. Inoltre fino agli anni '40 del secolo XIX il vapore a bassa pressione prelevato nell'area di Larderello era utilizzato per riscaldamento di abitazioni, serre e edifici industriali
Lord Kelvin inventò la pompa di calore nel 1852 e Heinrich Zoelly brevettò, nel 1912, l'idea di usarla per estrarre calore dalla terra. Ma ciò non è stato realizzato fino alla fine del 1940 quando la pompa di calore geotermica è stata prodotta con successo. La prima era probabilmente un sistema di 2,2 kW a scambio diretto fatto in casa di Robert C. Webber, ma le fonti non concordano il momento esatto della sua invenzione. J. Donald Kroeker progettò la prima pompa di calore geotermica commerciale per riscaldare l'edificio del Commonwealth (Portland, Oregon).
Il secondo Paese a perforare pozzi geotermici fu il Giappone nel 1919, seguito dagli USA nel 1929 con l'impianto californiano di Geysers, quindi nel 1958 un piccolo impianto geotermale fu costruito in Nuova Zelanda, seguito l'anno dopo da uno in Messico, e dal 1960 da altri impianti sparsi nel mondo, principalmente negli Stati Uniti..
Il professor Carl Nielsen, dell'Ohio State University, ha realizzato la prima versione residenziale ad anello aperto nella sua casa nel 1948. La tecnologia è diventata popolare in Svezia, a seguito della crisi petrolifera del 1973, ed è cresciuta lentamente in tutto il mondo da allora. Lo sviluppo del tubo di polibutilene, avvenuto nel 1979, aumentò notevolmente la redditività della pompa di calore.
Nel 1960 la Pacific Gas and Electric mise in funzione la prima centrale geotermica elettrica di successo negli Stati Uniti, presso "The Geysers" in California. La turbina originale è durata per più di 30 anni e produceva 11 MW di potenza netta.
La centrale a ciclo binario è stata presentata per la prima volta nel 1967 in Unione Sovietica e successivamente fu introdotta negli Stati Uniti nel 1981. Questa tecnologia permette la generazione di energia elettrica da fonti a temperatura molto più bassa rispetto al passato. Nel 2006, un impianto a ciclo binario in Chena Hot Springs, Alaska, è divenuto operativo per la produzione di energia elettrica da una bassa temperatura del fluido record di 57 °C.
Nel 2008 erano attivi circa 500 impianti geotermici nel mondo.
Descrizione Principio geotermico
L'energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Il decadimento degli elementi naturalmente radioattivi presenti nelle rocce terrestri, come si è detto, è la causa dell'energia geotermica. Penetrando in profondità nella superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando mediamente di circa 30 °C per km nella crosta terrestre (30 °C/km e 80 °C/100 km nel mantello e nel nucleo): si tratta del cosiddetto gradiente geotermico, che dipende dalla conducibilità termica delle rocce e dal flusso di calore presente. I valori sopra riportati sono valori medi, che entro la crosta superiore si possono misurare in aree continentali prive di una significativa circolazione idrotermale la quale possa determinare, attraverso fenomeni convettivi, la risalita di fluidi a temperatura elevata. In queste aree "fredde" si ha un flusso termico alla superficie di circa 0,045-0,090 W/m2. Quando il flusso termico misurato in superficie eccede il valore di 0,09-0,100 W/m2, abbiamo invece un'area caratterizzata da una significativa anomalia geotermica., con una attiva circolazione idrotermale e quindi potenzialmente ricca in fluidi geotermici (geofluidi). In aree di questo tipo il gradiente geotermico può essere decine di volte quello medio sopra riportato, un fenomeno causato da fenomeni vulcanici, plutonici o tettonici. Per estrarre e usare il calore imprigionato nella Terra, è necessario individuare le aree con anomalia termica positiva dove il calore terrestre è concentrato: queste indicano la presenza in profondità di un serbatoio o giacimento geotermico. In realtà il gradiente termico (dal quale si ricava anche il flusso termico, nota la conducibilità termica delle rocce) viene misurato in pozzi sufficientemente profondi perché le misure non risentano delle variazioni di temperatura diurne e stagionali (in genere bastano poche centinaia di metri), i cosiddetti pozzi di gradiente; le misure di temperatura vanno eseguite in condizioni di equilibrio termico tra il fluido che riempie il pozzo e la formazione geologica (temperatura statica). Queste misure possono essere eseguite anche a pozzo completato e ripetute nel tempo e a varie profondità, in modo da ottenere diversi profili di temperatura del pozzo, utili anche per individuare la presenza di fenomeni convettivi (evidenziati dalle variazioni della temperatura nel tempo e lungo il profilo stesso del pozzo)..
Il potenziale geotermico non è equidistribuito entro la crosta terrestre, ma è sensibilmente maggiore in corrispondenza dei margini delle placche tettoniche: Nei margini divergenti (dorsali) dove la crosta è meno spessa e il mantello terrestre è più superficiale, e quindi flusso di calore da quest'ultimo presenta una forte anomalia positiva con risalita di magma fino a bassa profondità e generazione di nuova crosta (tipicamente in corrispondenza delle dorsali medio-oceaniche ma anche in situazioni in cui questo contesto geodinamico corrisponde a terre emerse, come l'Islanda). Nei margini trascorrenti, dove abbiamo lo scorrimento orizzontale tra placche lungo faglie di estensione crostale (ad esempio la Faglia di Sant'Andrea in California), che possono essere sede di forti anomalie termiche e dare luogo a fenomeni vulcanici di tipo primario e secondario. Nei margini convergenti in cui l'interazione tra le placche è di tipo collisionale, con subduzione di crosta oceanica entro il mantello e generazione di magmi (sono i contesti corrispondenti alle catene montuose di tipo collisionale con forte attività vulcanica, come ad esempio le Ande, e agli archi insulari, come le Isole della Sonda). Infine, si hanno forti anomalie termiche con elevato potenziale geotermico in corrispondenza dei punti caldi, situati all'interno delle placche, in cui si ha la risalita di colonne di magmi legate alla presenza di correnti convettive entro il mantello terrestre (ad esempio le Isole Hawaii).
In generale comunque esiste un potenziale geotermico, anche significativo, ovunque vi siano anomalie termiche in profondità come centri vulcanici attivi (o anche estinti ma attivi almeno in epoche prossime all'attuale) oppure intrusioni magmatiche non completamente raffreddatesi (con temperatura superiore a quella delle rocce incassanti). I giacimenti di energia geotermica tuttavia sono sovente a profondità molto elevate entro la crosta continentale o in contesti sostanzialmente inaccessibili con le tecnologie attuali (ad esempio le dorsali medio-oceaniche), tanto da impedirne lo sfruttamento economico.