Energia geotermica

L’energia geotermica è una fonte di energia rinnovabile, pulita e praticamente inesauribile, ottenuta dallo sfruttamento del calore naturale proveniente dall’interno della Terra. Questo calore, immagazzinato nelle rocce, nel terreno e nelle falde acquifere, può essere utilizzato per produrre elettricità, riscaldare edifici e fornire energia termica a processi industriali, rendendola una risorsa estremamente versatile.

L’origine dell’energia geotermica risiede nel calore generato dal nucleo terrestre, frutto sia del decadimento radioattivo degli isotopi presenti nel mantello e nella crosta sia del calore residuo della formazione del pianeta. Questa energia termica, accumulata nel sottosuolo, si manifesta in superficie attraverso fenomeni naturali come geyser, sorgenti termali e fumarole, ma può anche essere estratta artificialmente mediante perforazioni e impianti dedicati.

Grazie alle sue caratteristiche di continuità e stabilità, l’energia geotermica rappresenta una risorsa strategica per la transizione energetica. A differenza di altre fonti rinnovabili, come il solare o l’eolico, non dipende dalle condizioni meteorologiche, offrendo una produzione costante e programmabile nel tempo.

Nel contesto europeo, questa forma di energia ha un potenziale significativo per contribuire agli obiettivi dell’Unione Europea in materia di decarbonizzazione e incremento della quota di energie rinnovabili. In particolare, trova applicazioni rilevanti nel riscaldamento e nel raffreddamento sostenibile degli edifici, un settore che rappresenta una parte considerevole del consumo energetico complessivo.

In sintesi, l’energia geotermica costituisce una delle risorse più promettenti e meno impattanti per la produzione di energia pulita, offrendo una combinazione unica di efficienza, affidabilità e sostenibilità ambientale.

Origine e principi dell’energia geotermica

L’energia geotermica ha origine dal calore generato nel nucleo terrestre, dove le temperature possono superare i 6.000 °C. Questo calore si propaga verso la superficie attraverso i diversi strati della Terra, riscaldando le rocce e l’acqua presenti nella crosta terrestre. L’energia termica che alimenta questo processo deriva principalmente da tre fonti:

-Decadimento radioattivo di isotopi naturali come uranio, torio e potassio;
Calore residuo della formazione del pianeta, ancora trattenuto nelle profondità terrestri;
-In misura minore, calore solare immagazzinato nei primi strati superficiali del suolo.

La distribuzione del calore terrestre non è uniforme: essa varia con la profondità e la posizione geografica. La velocità con cui la temperatura aumenta con la profondità è chiamata gradiente geotermico, che in media è di circa 30 °C per ogni chilometro, ma può raggiungere valori molto superiori nelle aree vulcaniche e tettonicamente attive.

Sotto la crosta terrestre si trova il magma, uno strato di roccia fusa e incandescente che costituisce la principale riserva di calore. In quest’area, la produzione continua di energia termica dovuta al decadimento radioattivo alimenta i sistemi geotermici naturali. Secondo le stime, la quantità di calore presente entro i primi 10.000 metri della crosta terrestre è circa 50.000 volte superiore all’energia contenuta in tutte le riserve mondiali di petrolio e gas naturale.

Le zone più calde della crosta terrestre si trovano in regioni vulcaniche o geologicamente giovani, dove la crosta è sottile e il calore del mantello riesce a risalire più facilmente. Queste aree, note come “punti caldi”, si concentrano spesso ai margini delle placche tettoniche. Un esempio emblematico è la Cintura di Fuoco del Pacifico, che comprende regioni come Alaska, California, Oregon e Nevada, dove si contano centinaia di aree geotermicamente attive.

In queste regioni, la presenza di vulcani e frequenti movimenti sismici favorisce la fratturazione delle rocce, consentendo all’acqua di infiltrarsi e circolare in profondità. Quando questa acqua si riscalda e risale in superficie, forma sorgenti termali, fumarole e geyser, come il celebre Old Faithful nel Parco Nazionale di Yellowstone, dove le temperature possono superare i 200 °C.

Tuttavia, le aree sismicamente attive non sono le uniche in cui è possibile sfruttare il calore del sottosuolo. Esiste infatti una fornitura costante di calore più moderato a profondità comprese tra pochi metri e alcune centinaia di metri, disponibile praticamente ovunque sulla Terra. Questa forma di energia può essere utilizzata per applicazioni dirette di riscaldamento e raffrescamento, ad esempio tramite pompe di calore geotermiche impiegate in edifici, scuole e reti di teleriscaldamento.

A profondità ancora maggiori, tra i 4 e i 10 chilometri, si trovano rocce secche molto calde, da cui si può estrarre calore attraverso i cosiddetti Sistemi Geotermici Avanzati (Enhanced Geothermal Systems, EGS). Queste tecnologie emergenti prevedono la creazione artificiale di fratture nel sottosuolo per far circolare fluidi e catturare il calore in aree prive di acqua naturale.
I primi progetti dimostrativi di EGS, avviati negli Stati Uniti e in Australia nel 2013, hanno già prodotto elettricità su scala commerciale, aprendo la strada a una nuova generazione di impianti geotermici ad alta efficienza.

Tipologie di risorse geotermiche

Le risorse geotermiche non sono tutte uguali: variano per temperatura, profondità e composizione dei fluidi che le caratterizzano. In base a questi parametri, si distinguono diverse tipologie di sistemi geotermici, ciascuno con specifiche modalità di sfruttamento energetico.

1. Risorse ad alta entalpia

Le risorse ad alta entalpia si trovano in aree vulcaniche o tettonicamente attive, dove le temperature del fluido geotermico superano i 180 °C.
In queste regioni, l’acqua o il vapore presenti nel sottosuolo vengono riscaldati dal magma e possono essere utilizzati direttamente per azionare turbine e produrre elettricità.
I sistemi ad alta entalpia comprendono tre principali tipologie di centrali geotermoelettriche:

-A vapore secco, che sfruttano direttamente il vapore naturale proveniente dal serbatoio;
-A separazione di vapore (flash steam), dove l’acqua ad alta pressione viene fatta espandere per generare vapore;
-A ciclo binario, in cui il calore del fluido geotermico viene trasferito a un fluido secondario con basso punto di ebollizione, che a sua volta aziona la turbina.

Queste risorse rappresentano la base della produzione geotermoelettrica mondiale, con esempi noti in Islanda, Italia (Larderello), Stati Uniti, Filippine e Nuova Zelanda.

2. Risorse a media entalpia

Le risorse a media entalpia hanno temperature comprese tra 100 e 180 °C e sono adatte sia alla produzione di energia elettrica tramite impianti binari, sia a usi termici diretti come il teleriscaldamento, il riscaldamento di serre o processi industriali.
Grazie alla loro maggiore diffusione geografica rispetto alle risorse ad alta entalpia, esse costituiscono una fonte intermedia molto interessante per lo sviluppo sostenibile delle comunità locali.

3. Risorse a bassa entalpia

Le risorse a bassa entalpia sono le più comuni e diffuse: la loro temperatura varia tra 20 e 100 °C.
Queste risorse non consentono la produzione diretta di elettricità, ma trovano ampio impiego per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici, tramite pompe di calore geotermiche o sistemi di teleriscaldamento urbano.
Il calore viene prelevato dal terreno o dalle falde acquifere a profondità relativamente basse (fino a qualche centinaio di metri), dove la temperatura rimane quasi costante durante tutto l’anno, garantendo elevata efficienza energetica.

4. Risorse geotermiche profonde e Sistemi Geotermici Avanzati (EGS)

Le risorse geotermiche profonde, situate tra i 4 e i 10 km di profondità, contengono rocce secche molto calde ma prive di fluidi naturali.
Per sfruttarle, vengono utilizzati i Sistemi Geotermici Avanzati (Enhanced Geothermal Systems, EGS), che prevedono la fratturazione controllata delle rocce e la circolazione artificiale di fluidi per estrarre il calore.
Questa tecnologia, ancora in fase di sviluppo, potrebbe in futuro ampliare enormemente la disponibilità di risorse geotermiche, rendendo possibile la produzione di energia pulita anche in aree prive di vulcanismo attivo.

Tecnologie di sfruttamento

Le tecnologie di sfruttamento dell’energia geotermica consentono di trasformare il calore naturale proveniente dal sottosuolo in energia utile, sia sotto forma di elettricità sia come energia termica per il riscaldamento e il raffrescamento.
A seconda della temperatura del serbatoio geotermico e della destinazione d’uso, si distinguono diverse soluzioni tecnologiche.

1. Centrali geotermoelettriche

Le centrali geotermoelettriche convertono il calore del sottosuolo in energia elettrica. Sono impiegate soprattutto nelle aree ad alta e media entalpia, dove il fluido geotermico raggiunge temperature superiori ai 150–180 °C.
In base al tipo di fluido e al processo di conversione, si distinguono tre principali configurazioni impiantistiche:

Centrali a vapore secco
Sono le più semplici e antiche. Utilizzano direttamente vapore naturale proveniente dal serbatoio geotermico per azionare le turbine collegate a un generatore elettrico.
Un esempio storico è l’impianto di Larderello (Italia), attivo fin dai primi anni del Novecento.

Centrali a separazione di vapore (flash steam)
In questi impianti l’acqua calda ad alta pressione viene fatta espandere in una camera a pressione più bassa, producendo vapore “flash” che aziona la turbina. Il liquido residuo può essere reiniettato nel sottosuolo, contribuendo alla sostenibilità del sistema.

Centrali a ciclo binario (binary cycle)
Queste centrali sono ideali per risorse a media entalpia (100–180 °C). Il fluido geotermico non entra direttamente nella turbina ma cede calore a un fluido secondario con un basso punto di ebollizione (come isobutano o pentano).
Il fluido secondario, vaporizzandosi, muove la turbina. Questo sistema è chiuso e non rilascia emissioni, rendendolo particolarmente ecologico e versatile.

2. Impianti geotermici per usi diretti

Quando la temperatura del fluido è inferiore a 100 °C, il calore può essere utilizzato direttamente, senza passare per la produzione di elettricità.
Tra le principali applicazioni dirette figurano:

-Riscaldamento urbano e teleriscaldamento (reti che distribuiscono acqua calda o vapore a edifici e complessi residenziali);

-Riscaldamento di serre, piscine e stabilimenti termali;

-Processi industriali che richiedono calore moderato (essiccazione, lavorazione alimentare, impianti di carta e tessile).

Questi impianti sono diffusi in molti Paesi europei, tra cui Islanda, Italia, Francia, Germania e Ungheria, dove contribuiscono significativamente al riscaldamento sostenibile delle comunità locali.

3. Pompe di calore geotermiche

Le pompe di calore geotermiche (GSHP, Ground Source Heat Pumps) sfruttano la temperatura costante del terreno nei primi metri di profondità per fornire riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria.
Il loro funzionamento si basa su un circuito chiuso di scambio termico.

In inverno, il fluido circola nel sottosuolo assorbendo calore dal terreno e trasferendolo all’interno degli edifici mentre in estate, il processo si inverte, consentendo di raffreddare gli ambienti cedendo il calore al terreno.

Le pompe di calore geotermiche rappresentano una delle tecnologie più efficienti per l’uso domestico e urbano dell’energia geotermica, con elevati coefficienti di prestazione (COP) e basse emissioni di biossido di carbonio.

4. Sistemi Geotermici Avanzati (EGS)

I Sistemi Geotermici Avanzati (Enhanced Geothermal Systems) sono una tecnologia emergente che consente di sfruttare rocce calde e secche a grande profondità, anche in assenza di fluidi naturali.
Attraverso la fratturazione controllata delle rocce, si creano canali artificiali in cui viene iniettata acqua che, riscaldandosi, ritorna in superficie per alimentare un circuito di produzione di energia elettrica.
Gli EGS rappresentano una frontiera innovativa per l’espansione dello sfruttamento geotermico, potenzialmente utilizzabile in qualsiasi area geografica e capace di fornire energia continua e programmabile.

In sintesi, le tecnologie di sfruttamento dell’energia geotermica spaziano da impianti industriali complessi a soluzioni residenziali efficienti, offrendo una gamma estremamente versatile di applicazioni che contribuiscono alla decarbonizzazione del settore energetico e al raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità globale.

Vantaggi e limiti dell’energia geotermica

L’energia geotermica rappresenta una delle fonti rinnovabili più affidabili e sostenibili a disposizione dell’uomo. Tuttavia, come tutte le tecnologie energetiche, presenta punti di forza e criticità che ne influenzano la diffusione e l’applicabilità nei diversi contesti geografici ed economici.

Vantaggi dell’energia geotermica

Fonte rinnovabile e inesauribile
L’energia geotermica sfrutta il calore naturale del sottosuolo, una risorsa costantemente rigenerata dai processi interni della Terra. A differenza dei combustibili fossili, non si esaurisce nel tempo e può garantire una produzione energetica continua per secoli.

Basse emissioni e ridotto impatto ambientale
La produzione di energia geotermica comporta emissioni di gas serra estremamente ridotte, spesso inferiori al 5% di quelle derivanti dai combustibili fossili. Inoltre, l’ulteriore iniezione dei fluidi geotermici nel sottosuolo permette di preservare gli equilibri idrogeologici e di limitare l’impatto ambientale.

Produzione costante e programmabile
A differenza dell’energia solare e dell’energia eolica, l’energia geotermica non dipende dalle condizioni meteorologiche o stagionali. È disponibile 24 ore su 24, tutto l’anno, garantendo una fornitura stabile e continua di energia. Questa caratteristica la rende ideale come fonte di base per i sistemi elettrici e termici.

Efficienza elevata e bassi costi operativi
Gli impianti geotermici, una volta installati, presentano costi di esercizio e manutenzione contenuti e rendimenti elevati. Le pompe di calore geotermiche, ad esempio, possono raggiungere coefficenti di prestazione (COP) superiori a 4, producendo quattro volte più energia termica di quella elettrica consumata.

Sfruttamento locale e indipendenza energetica
Poiché l’energia geotermica può essere prodotta e utilizzata localmente, riduce la dipendenza da importazioni di combustibili fossili e favorisce l’autonomia energetica delle comunità. Inoltre, lo sviluppo di reti geotermiche locali può stimolare l’economia territoriale e creare occupazione qualificata.

Limiti dell’energia geotermica

Costi iniziali elevati
La principale barriera allo sviluppo dell’energia geotermica è rappresentata dagli investimenti iniziali, soprattutto per le perforazioni profonde e le indagini geologiche preliminari. Tuttavia, questi costi vengono ammortizzati nel tempo grazie alla lunga durata e all’elevata affidabilità degli impianti.

Vincoli geologici e localizzazione
Le risorse geotermiche ad alta entalpia sono concentrate in aree specifiche (regioni vulcaniche, faglie attive, zone tettoniche), limitando la possibilità di sviluppo in alcune aree del pianeta. Nelle zone a bassa entalpia, invece, il rendimento può essere inferiore e richiedere tecnologie più sofisticate.

Rischi ambientali locali
Sebbene contenuti, alcuni rischi ambientali possono manifestarsi emissioni di gas naturali (anidride carbonica, solfuro di idrogeno, metano), subsidenza o lievi micro-sismicità dovute alle operazioni di iniezione dei fluidi o possibili alterazioni delle falde acquifere superficiali in caso di cattiva gestione del sistema.

Gestione tecnica complessa
Gli impianti geotermici richiedono personale specializzato e tecnologie avanzate per il controllo dei parametri geologici, termici e chimici dei fluidi. La manutenzione e il monitoraggio continuo sono essenziali per garantire sicurezza ed efficienza nel lungo periodo.

Bilancio complessivo

Nel complesso, i vantaggi dell’energia geotermica superano di gran lunga i suoi limiti, specialmente se si considerano i progressi tecnologici e le nuove metodologie di sfruttamento, come i Sistemi Geotermici Avanzati (EGS).
Grazie alla sua continuità, sostenibilità e basso impatto ambientale, l’energia geotermica si conferma una pietra angolare della transizione energetica, capace di fornire energia pulita e stabile per le generazioni future.

Applicazioni e diffusione dell’energia geotermica 

L’energia geotermica trova applicazione in numerosi settori, sia per la produzione di energia elettrica sia per usi diretti del calore. Le modalità di utilizzo dipendono dalle caratteristiche delle risorse disponibili (temperatura, profondità, composizione chimica dei fluidi) e dal livello di sviluppo tecnologico di ciascun Paese.

Produzione di energia elettrica

Nei campi geotermici ad alta entalpia, dove le temperature superano i 150 °C, l’energia geotermica viene trasformata in elettricità mediante impianti idonei. I principali Paesi produttori di elettricità da energia geotermica sono Stati Uniti, Indonesia, Filippine, Turchia, Nuova Zelanda, Messico e Islanda. Gli Stati Uniti, con l’area di The Geysers in California, rappresentano uno dei poli geotermici più sviluppati al mondo.

Usi diretti del calore

L’energia geotermica viene ampiamente impiegata per il riscaldamento urbano (teleriscaldamento), la sericoltura e floricoltura in serre, l’acquacoltura, la pastorizzazione alimentare e i processi industriali. In Islanda, ad esempio, oltre il 90% delle abitazioni è riscaldato grazie al calore geotermico, mentre in Paesi come la Svezia, la Francia e la Cina si registra una rapida crescita dei sistemi geotermici a bassa entalpia.

Pompe di calore geotermiche

Un’ulteriore applicazione in espansione è rappresentata dalle pompe di calore geotermiche (Ground Source Heat Pumps), che sfruttano il calore del sottosuolo a bassa profondità per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici. Queste tecnologie sono particolarmente diffuse in Europa, Nord America e Asia orientale, dove contribuiscono alla riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di gas serra.

Diffusione globale e prospettive future

Secondo i più recenti dati internazionali, la capacità installata globale di energia geotermica supera i 16 GW elettrici e oltre 100 GW termici. L’Asia e il Nord America detengono la quota maggiore di potenza installata, ma anche l’Africa orientale (Kenya, Etiopia) e l’America Latina stanno investendo in nuovi progetti geotermici, spesso sostenuti da programmi di cooperazione internazionale.

Le prospettive future dell’energia geotermica sono promettenti: le innovazioni nei sistemi Enhanced Geothermal Systems (EGS) e nelle sonde geotermiche profonde potranno ampliare l’accessibilità alle risorse e ridurre i costi di installazione, favorendo una diffusione ancora più ampia a livello globale.

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