Settore della geofisica che studia il calore terrestre. 

La geotermia si rivolge alla ricerca e allo sfruttamento dell'energia di campi geotermici o di altre manifestazioni utilizzabili del calore terrestre. Questa energia viene trasferita alla superficie terreste attraverso i movimenti convettivi del magma o tramite le acque circolanti in profondità.

L'interesse per lo sfruttamento del calore è legato all'enorme quantità di energia disponibile; viene calcolato infatti che il flusso geotermico corrisponda ad una potenza complessiva di 3 ^. 10 ¹⁰ kw e che solo l'energia contenuta nei primi  2-3 km di crosta terrestre sia circa  2000 volte superiore a quella ottenibile da tutti i giacimenti di combustibili fossili, però parte di questa non è utilizzabile in quanto si manifesta, alla superficie, sottoforma estremamente violenta (vedi le eruzioni vulcaniche).  Malgrado ciò, l'energia geotermica rappresenta  una delle fonti energetiche alternative più promettenti, (al posto dell'energia termica prodotta nelle centrali che usano combustibili fossili o altri sistemi)

Energia pulita, rinnovabile, inesauribile.

L’Italia è il paese geotermicamente più “caldo” di tutta l’Europa, cosa testimoniata dai numerosi vulcani, dai soffioni boraciferi, dalle sorgenti termominerali. Molte risorse, tra queste anche quelle geotermiche, sono state sfruttate, all’inizio, senza conoscerne esattamente la natura e solo in un secondo momento sono state studiate scientificamente e ne è stata sviluppata la tecnologia. I fluidi geotermici erano già utilizzati, per il loro contenuto energetico, nella prima parte del diciannovesimo secolo. In quel periodo, nella zona che poi ha avuto il nome di Larderello (Toscana), era stata costruita una piccola industria chimica per estrarre l’acido borico dalle acque calde boriche, che sgorgavano naturalmente dal suolo o erano estratte da pozzi di piccola profondità. L’acido borico era ottenuto facendo evaporare le acque calde ricche di boro in bollitori metallici, usando, come combustibile, il legname ricavato dai boschi vicini. Nel 1827 Francesco Larderel, proprietario di questa industria, ideò un sistema per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di evaporazione, invece di bruciare il legname dei boschi, che si andavano esaurendo rapidamente. Nello stesso periodo si cominciò anche ad utilizzare l’energia meccanica del vapore naturale. 

Questo venne usato per sollevare l’acqua in semplici sistemi a “gas lift” e, in seguito, per il funzionamento di pompe ed argani impiegati nelle operazioni di perforazione o nell’industria dell’acido borico. L’industria chimica di Larderello detenne, tra il 1850 ed il 1875, il monopolio della produzione dell’acido borico in Europa. Nella medesima area geotermica, tra il 1910 ed il 1940, si avviò, ampliandosi progressivamente, l’utilizzazione del vapore a bassa pressione per il riscaldamento di edifici residenziali ed industriali, e di serre. Mentre questo accadeva in Italia, anche in altri paesi si sviluppava l’utilizzazione industriale dell’energia geotermica: nel 1892 a Boise (Idaho, USA) veniva inaugurato il primo sistema di riscaldamento urbano; nel 1928 l’Islanda, un altro paese all’avanguardia nell’utilizzazione di questa fonte energetica in Europa, cominciò a sfruttare i fluidi geotermici, soprattutto acqua calda, per il riscaldamento di edifici.

A pochi metri di profondità dalla superficie terrestre il terreno mantiene una temperatura quasi costante per tutto l'anno, e questo ci permette di estrarre calore d'inverno per riscaldare un ambiente, e di cedere calore durante l'estate per raffrescare lo stesso ambiente.

Il terreno infatti contiene una inesauribile sorgente di calore: la temperatura, man mano che si scende sotto terra, aumenta grazie all'energia geotermica che dal nucleo terrestre si dirige verso la superficie; il terreno inoltre assorbe quasi la metà dell'energia che riceve dal Sole.Tale scambio di calore viene realizzato con pompe di calore abbinate a sonde geotermiche che sfruttando questo principio permettono di riscaldare e raffrescare le nostre case con un unico impianto assicurando un alto grado di rendimento sull'arco dell'intera stagione, e con un fabbisogno di energia elettrica contenuto rispetto alle prestazioni. Non è neppure necessario alcun apporto termico esterno (per esempio una caldaia a metano) per coprire le punte invernali.

Le pompe di calore per riscaldare le case esistono sul mercato dagli anni 50, proprio come televisori, lavatrici e altri apparecchi domestici a noi famigliari, si tratta dunque di una tecnica affidabile, ampiamente collaudata.

Queste macchine hanno il grande vantaggio di fornire più energia (sotto forma di calore) di quella che gliene occorre per funzionare, questo è reso possibile dal fatto che la macchina assorbe calore dal mezzo esterno.

La terra è un serbatoio d'energia. La temperatura nel nucleo terrestre è stimata a 5.000° C. Paragonandola a un uovo, la crosta terrestre (fino a 50 km di profondità) corrisponde al guscio. Nella crosta, la temperatura aumenta di circa 2,5/3°C ogni 100 m. Con la tecnica attuale sono raggiungibili anche profondità fino a 5 km. Il calore prelevato da queste profondità può essere utilizzato sotto forma di elettricità o di calore a distanza.

A titolo di esempio, una pompa di calore collegata ad una sonda geotermica inserita a circa 100 m di profondità estrae dal suolo una potenza geotermica sufficiente per riscaldare un'abitazione unifamiliare standard. Un impianto di questo tipo si può realizzare in soli 3-4 giorni.

Principali vantaggi offerti dalla geotermia

Negli impianti geotermici non si verifica nessuna combustione, né emissione gassosa (CO₂, NO_x). Ogni impianto contribuisce così alla riduzione dell'effetto serra. Inoltre, non devono essere trasportate o immagazzinate sostanze pericolose. Negli impianti geotermici, che prelevano il potenziale termico molto in profondità, l'acqua estratta è ripompata nel sottosuolo, di modo che nessuna delle sostanze contenute in essa resta in superficie.  

In questo modo vengono risparmiate 1.100.000 tonnellate equivalenti di petrolio ed è possibile evitare l'emissione di 3,8 milioni di tonnellate di anidride carbonica. Per altri usi civili, come riscaldamento, ecc., facciamo comunque riferimento ad altre sezioni di questo stesso sito.

Gli usi agricoli dei fluidi geotermici comprendono le coltivazioni a cielo aperto ed il riscaldamento di serre. La composizione chimica delle acque geotermiche usate per l’irrigazione deve essere sempre controllata attentamente per evitare effetti dannosi sulle piante.

Nelle coltivazioni a cielo aperto, il controllo della temperatura può consentire: (a) di prevenire i danni derivanti dalle basse temperature ambientali, (b) di estendere la stagione di coltivazione, di aumentare la crescita delle piante ed incrementare la produzione, e (c) di sterilizzare il terreno. L’utilizzazione più comune dell’energia geotermica in agricoltura è, comunque, il riscaldamento di serre, che è stato sviluppato su larga scala in molti paesi come per la coltivazione di verdure e fiori fuori stagione o in climi diversi da quelli originari. L’uso dell’energia geotermica per il riscaldamento delle serre può ridurre significativamente i costi operativi, che in alcuni casi rappresentano il 35% del costo dei prodotti (verdure, fiori, piante da appartamento, piantine da sviluppo).

Gli animali da fattoria e le specie acquatiche, come anche i vegetali, possono migliorare in qualità e quantità, se sono cresciuti in ambienti a temperatura controllata. In molti casi le acque geotermiche possono essere sfruttate convenientemente combinando l’allevamento di animali con il riscaldamento di serre. L’energia richiesta per riscaldare un impianto di allevamento è circa il 50% di quella necessaria ad una serra della stessa superficie, rendendo possibile la costruzione di un sistema a cascata.

L’allevamento a temperatura controllata migliora le condizioni sanitarie degli animali

L’acquacoltura, vale a dire l’allevamento controllato di forme di vita acquatiche, in questi ultimi tempi si è diffuso notevolmente in campo mondiale, a seguito dell’ampliamento del mercato. Il controllo della temperatura di crescita per le specie acquatiche è molto più importante che per le specie terrestri. Mantenendo artificialmente la temperatura ottimale, si possono allevare specie esotiche, aumentare la produzione e anche, in qualche caso, raddoppiare il ciclo riproduttivo (Barbier e Fanelli, 1977).  

Anche la coltivazione di Spirulina può essere considerata una forma di acquacoltura. Questa microalga unicellulare a spirale, di colore verde-azzurro, è spesso chiamata ‘super-alimento’ per il suo alto contenuto nutritivo ed è stata considerata una possibile soluzione per risolvere il problema della fame nei paesi più poveri del mondo. Attualmente, tuttavia, è commercializzata come integratore alimentare e venduta ad alto prezzo nelle erboristerie. La Spirulina è coltivata in numerosi paesi tropicali e sub-tropicali, in laghi o in bacini artificiali, dove esistono le condizioni migliori per la sua crescita (un ambiente alcalino caldo, ricco di CO₂), in pratica è utile due volte poiché oltre a nutrire è in grado di eliminare grandi quantità dell’anidride carbonica che produciamo. 

Costi di esercizio.

La gestione di una pompa di calore con sonda geotermica è semplicissima: un'unica "macchina" può gestire il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda. La macchina è programmabile con grande flessibilità, affinché ogni esigenza di riscaldamento sia soddisfatta ad un costo contenuto. E' ideale per gli impianti di riscaldamento ad alto comfort, come le serpentine a pavimento o i corpi riscaldanti a bassa temperatura.

Lo spazio occupato da una pompa di calore è come quello di un frigorifero .
Con misure così ridotte la macchina può essere installata in qualsiasi locale di servizio, anche nella lavanderia.

Per la valutazione dei costi di esercizio assumiamo come costi di riferimento:
GPL 0,97€/l; gasolio a 0,99 €/l; metano a 0,54/Sm³, in caso di variazione dei prezzi è semplicissimo ricalcolare i costi di esercizio conseguenti.

Con le condizioni sopra citate i costi risultano:

e le riduzioni…
Riscaldamento geotermico rispetto al GPL - 80%
Riscaldamento geotermico rispetto al gasolio - 75%
Riscaldamento geotermico rispetto al metano - 50%

Larga utilizzazione dell’energia geotermica è stata fatta in Islanda, dove, per l’abbondanza dei fluidi caldi disponibili, il 97% della popolazione della capitale è servita da riscaldamento geotermico urbano. Analoga situazione si ha anche in Francia (paese poco geotermico), negli Stati Uniti, in Cina ed in Giappone.
In Italia le realizzazioni più importanti di teleriscaldamento sono quelle di Ferrara, Vicenza, Castelnuovo Val di Cecina, Acqui, Bagno di Romagna e Grosseto.
Per il riscaldamento degli ambienti, le temperature dei fluidi devono essere dell’ordine di 50-80° C per gli impianti a termosifone, 35-50° C per i pannelli radianti (impianti a pavimento); qualora i fluidi geotermici non raggiungessero le temperature richieste, si possono adottare dei sistemi integrativi quali una caldaia o una pompa di calore.
Si può ottenere uno sfruttamento integrale della risorsa geotermica con il riscaldamento invernale ed il raffrescamento estivo, disponendo di fluidi a 80-110° C che alimentino pompe di calore reversibili, ad assorbimento, con fluidi appropriati (ad esempio ammoniaca, bromuro di litio).