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Elettricità

Energia Geotermica

L'energia geotermica può sostituire definitivamente i combustibili fossili?

C'è una fonte di energia quasi inesauribile proprio sotto i nostri piedi. Raccontiamo la storia dell'energia geotermica. Poi confrontiamo le centrali geotermiche tradizionali con i sistemi geotermici avanzati, che possono essere regolati per bilanciare l'energia eolica e solare, e le pompe di calore geotermiche per i singoli edifici. Guardiamo anche a una nuova tecnologia di perforazione profonda che vaporizza la roccia invece di tagliarla, una strada che potrebbe rendere la geotermia possibile quasi ovunque sulla Terra.

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ImpattoVelocitàCostoMaturitàNatura

3,4complessivo

Punteggio di questa soluzione

  • Impatto4 / 5Energia pulita sempre disponibile, con nuove tecnologie di perforazione che rendono possibili più siti.
  • Velocità3 / 5Ogni impianto richiede anni per essere trivellato; per diffonderlo di più servono trivellazioni meno costose.
  • Costo3 / 5Costosa da perforare, poi molto economica da gestire.
  • Maturità4 / 5Collaudata da un secolo; la perforazione di nuova generazione sta ancora emergendo.
  • Natura3 / 5Pochissimo spazio in superficie; lieve rischio di piccole scosse.

Guida

Questa è la trascrizione illustrata del film. La guida è al momento disponibile solo in inglese - presto arriverà anche nella tua lingua.

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Quiz

Domanda 1 di 10

Chi ha prodotto per primo elettricità dal calore della Terra, nel 1904?

Punteggio 0 / 10

Trascrizione

Dai fuochi di legna della preistoria ai combustibili fossili della modernità, gli esseri umani sono ossessionati dal bruciare cose. Anzi, sono diventati così bravi che ormai hanno bruciato l'equivalente di tutta la vita vegetale oggi presente sulla Terra: ben 450 miliardi di tonnellate metriche di carbonio [1,2].

Ma se l'era del fuoco potesse finire? E se l'umanità potesse sfruttare l'energia del pianeta e trasformare la Terra stessa in una colossale centrale elettrica?

Potrà sembrare fantascienza, ma sotto la superficie terrestre si nasconde una fonte segreta di energia quasi illimitata che potrebbe alimentare il mondo per millenni: l'energia geotermica.

Molto prima che gli esseri umani iniziassero a bruciare combustibili fossili, la Terra stessa forniva calore alle antiche civiltà. Infatti, gli antichi popoli consideravano sacre le sorgenti geotermiche [3,4].

Gli antichi Romani ci costruivano persino dei complessi attorno [5,6,7] per fare l'unica cosa che gli esseri umani amano più che bruciare cose: fare il bagno in acque calde e fumanti, un passatempo che lo scrittore romano e appassionato di bagni Plinio il Vecchio si godeva [4,8] mentre scriveva la prima enciclopedia del mondo [9,10].

Ma il calore della Terra può anche essere distruttivo, come scoprì poi Plinio quando lui e la città di Pompei furono sepolti da cenere e gas tossici nell'eruzione vulcanica del Vesuvio del 79 d.C [11,12,13].

Fu solo nel 1904 che l'innovativo principe italiano Piero Ginori Conti scoprì che, se fai un buco davvero, davvero profondo, puoi raggiungere il calore della Terra e usarlo per produrre elettricità [14,15,16].

Ma da dove arriva tutta questa energia? E come funzionano esattamente macchine come l'aggeggio di Conti?

Da fuori la Terra può sembrare ospitale, ma il suo esterno fresco e rigoglioso è come un guscio d'uovo, poco più di una crosta sottile e fragile sopra spessi strati di roccia fusa e semifusa. Più vai in profondità, più fa caldo. E con oltre 5.000 °C[17,18], il nucleo terrestre è caldo quanto la superficie del Sole [19,20].

Per fortuna è quasi 3.000 chilometri più sotto [17,21], altrimenti quei bagni romani fumanti sarebbero stati decisamente più ustionanti!

Parte di questo calore è energia rimasta dalla formazione infuocata della Terra 4,5 miliardi di anni fa, e il resto arriva dal decadimento degli elementi radioattivi nella roccia stessa [22,23]. Insieme, generano così tanta energia che il calore che arriva in superficie potrebbe teoricamente rifornire gli esseri umani per milioni di anni ancora [24,25].

Quindi, come possono gli esseri umani sbloccare il potenziale del pianeta?

Ci sono tre approcci principali:

1) Geotermia tradizionale

2) Geotermia avanzata

3) Pompe di calore geotermiche

Il metodo tradizionale richiede una fonte naturale di acqua sotterranea e vapore surriscaldati, che in Islanda trovi in abbondanza. Poiché si trova nel punto d'incontro fra due placche tettoniche che si allontanano ed è in pratica un'enorme raccolta di vulcani, ha un'abbondante riserva sia di vapore sia di acqua surriscaldata appena sotto la superficie. Trivellando per raggiungerli, questo vapore può far girare turbine e produrre elettricità.

Se il serbatoio viene gestito in modo sostenibile rimettendo l'acqua nel terreno quando si raffredda, questo processo può continuare per secoli [26-29]. Parte di quest'acqua riscaldata geotermicamente può anche passare nelle tubature per riscaldare direttamente case, serre e perfino piscine, permettendo a chi ci vive di fare il bagno tutto l'anno.

In effetti, l'Islanda ha così tanta energia geotermica che oggi copre un incredibile 70% del suo fabbisogno energetico primario [30,31].

Ma se non hai la fortuna di vivere vicino a un vulcano con serbatoi di acqua surriscaldata sotto i piedi? È qui che entra in gioco l'opzione 2.

Anche nelle zone senza vapore naturale [32,33,34], si può iniettare acqua nella roccia calda sottostante per creare un serbatoio artificiale di acqua surriscaldata, noto come sistema geotermico avanzato [35,36,37], che può poi produrre energia più o meno come un sistema tradizionale.

I serbatoi geotermici avanzati potrebbero anche risolvere la sfida più grande dell'energia eolica e solare.

La domanda di energia umana segue uno schema: sale al mattino quando le persone si alzano per mangiare il loro toast, cala quando escono per andare al lavoro, e risale quando tornano per guardare la TV e accendere le luci.

Ironia della sorte, l'energia del Sole è più disponibile proprio quando serve meno.

E dato che la disponibilità dell'energia eolica è un po' casuale, persino insieme spesso non bastano.

D'altra parte, il flusso di energia di un serbatoio geotermico avanzato può essere regolato durante la giornata, quindi c'è sempre elettricità quando agli esseri umani serve.

È davvero una combinazione vincente [43-56]. Quindi, dov'è il trucco?

Sia i sistemi geotermici tradizionali sia quelli avanzati richiedono di trivellare attraverso centinaia, e a volte migliaia, di metri di roccia. E, come sa chiunque conosca la roccia, è notoriamente piuttosto dura, quindi trivellarla è un po' una sfida.

I futuri progressi in tecnologie come le onde millimetriche, che vaporizzano la roccia con un fascio ad alta energia [38,39], potrebbero un giorno permettere agli esseri umani di trivellare così in profondità [40] da poter raggiungere il calore geotermico quasi ovunque sulla Terra.

Ma se ci fosse un modo più economico e semplice di usare il calore geotermico?

È qui che entra in gioco la terza opzione: le pompe di calore geotermiche!

A differenza dei sistemi geotermici tradizionali e avanzati, queste si possono installare a profondità molto minori. Usano il calore del terreno per riscaldare un fluido speciale a temperature più moderate, ne aumentano la temperatura con un sistema di scambio termico, trasferiscono quel calore all'acqua e la fanno circolare nelle tubature per riscaldare le case delle persone [41,42].

Potrà sembrare improbabile ma, quando il calore viene aumentato così, il lieve tepore sotto appena pochi metri di terra basta e avanza per scaldare l'acqua di un bel bagno caldo e fumante.

E lo fa molto più efficacemente delle caldaie tradizionali!

L'energia geotermica può davvero aiutare gli esseri umani a smettere di essere dipendenti dal bruciare cose? Sì!

Con i giusti investimenti, incentivi fiscali, ricerca e tecnologie, gli esseri umani potrebbero finalmente sbloccare tutto il potenziale del pianeta e accedere a questa energia sotterranea ovunque, dalle sorgenti vulcaniche ai giardini di periferia, creando un futuro senza fuoco con tanti bagni caldi e fumanti per tutti.

Consulenti Esperti

Vorremmo ringraziare

Prof. Jon Gluyas

Università di Durham

Presidente, The Geological Society

Dipartimento di Scienze della Terra

Dr. Andrea Paulillo

University College London

Dipartimento di Ingegneria Chimica

Altri Video

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Approfondimenti

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Storia

Come funziona

Panoramica (tradizionale)

Geotermia avanzata

Pompe di calore geotermiche

Perforazione a onde millimetriche

Fonti

Tutto ciò che trovi qui è in inglese.

  1. [1] Analisi: quali Paesi sono storicamente responsabili del cambiamento climatico? | Carbon Brief (vedi Note di Riferimento*)
  2. [2] Il peso di tutta la vita sulla Terra | ESALQ – College of Agriculture, University of São Paulo
  3. [3] Breve storia del lungo rapporto tra la razza umana e i fenomeni geotermici | Proceedings World Geothermal Congress
  4. [4] L'energia geotermica nel corso dei secoli - Elettricità & energia alternativa | Alberta's Energy Heritage
  5. [5] Sistema di recupero del calore dell'acqua termale delle terme romane | Buro Happold
  6. [6] Alle terme: recuperare calore dalle terme romane | CIBSE Journal
  7. [7] Bath Abbey sarà riscaldata con l'acqua delle sorgenti termali della città | Energia | The Guardian
  8. [8] Sorgenti termali curative e spa terapeutiche nel mondo greco-romano (In: Svago, piacere e guarigione) | Supplements to the Journal for the Study of Judaism
  9. [9] Enciclopedie della natura: leggere Plinio | Leonardo's Library | Spotlight at Stanford
  10. [10] Ricordando Plinio il Vecchio e la prima enciclopedia | Knowable Magazine
  11. [11] Sulla morte di Plinio il Vecchio | Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences
  12. [12] La tragica morte di Plinio il Vecchio e gli ultimi giorni di Pompei | The Collector (vedi Note di Riferimento*)
  13. [13] I calchi di Pompei: spunti metodologici post-deposizionali | PLOS ONE (vedi Note di Riferimento*)
  14. [14] La città geotermica: storia | MIT
  15. [15] Lo sapevi… che l'Italia ospita la più antica centrale geotermica del mondo? | Utah FORGE
  16. [16] La prima centrale geotermica del mondo | World-Energy
  17. [17] Il nucleo della Terra | National Geographic
  18. [18] Perché il nucleo della Terra è così caldo? E come ne misurano la temperatura gli scienziati? | Scientific American
  19. [19] Perché il nucleo della Terra non scioglie il pianeta? | BBC Science Focus
  20. [20] Presentate al meeting TESS 2015 forti prove della teoria del riscaldamento coronale | NASA
  21. [21] Conducibilità termica ed elettrica del ferro nelle condizioni del nucleo terrestre | Nature
  22. [22] Cos'è l'energia geotermica? | Planète Energies
  23. [23] Energia geotermica: potenziale per calore ed elettricità in Gran Bretagna | House of Lords Library
  24. [24] Una rassegna globale dei sistemi geotermici avanzati (EGS) | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  25. [25] L'energia geotermica come mezzo per decarbonizzare il mix energetico delle megalopoli | Communications Earth & Environment | Nature
  26. [26] Reiniezione nei campi geotermici: una rassegna mondiale aggiornata 2020 | Geothermics
  27. [27] Reiniezione - una panoramica | ScienceDirect Topics
  28. [28] Longevità e densità di potenza dei pozzi geotermici da medi a profondi nelle applicazioni di teleriscaldamento | The European Physical Journal Plus
  29. [29] Energia geotermica | National Geographic
  30. [30] Sfruttamento dell'energia geotermica in una strategia basata sulle isole con il 100% di rinnovabili. Caso studio di Tenerife (Spagna) | Journal of Cleaner Production
  31. [31] Dati sull'energia 2021 | Orkustofnun (Anche Uso di energia primaria in Islanda 1940-2020 | Orkustofnun)
  32. [32] Prevedere l'idoneità geografica delle centrali geotermiche | Journal of Cleaner Production
  33. [33] CGG concede in licenza studi geotermici multi-cliente a sostegno della transizione energetica a un'azienda energetica statunitense | Viridien
  34. [34] Dalla roccia calda all'energia utile: una stima globale del potenziale dei sistemi geotermici avanzati | Applied Energy
  35. [35] Scheda informativa sul sistema geotermico avanzato (EGS) | US Department of Energy
  36. [36] Programma tecnologie geotermiche: sistemi geotermici avanzati | NLR (NREL)
  37. [37] Sistema geotermico avanzato - una panoramica | ScienceDirect Topics
  38. [38] Energia geotermica con perforazione a onde millimetriche o a energia diretta | Geoengineering Global
  39. [39] Quaise Energy
  40. [40] Perforazione geotermica profonda con tecnologia a onde millimetriche | OSTI.GOV
  41. [41] Energia pulita 101: pompe di calore geotermiche | RMI
  42. [42] Pompe di calore geotermiche: come funzionano | AHRI
  43. [43] Le risorse flessibili aiutano le rinnovabili | Dati rapidi | California ISO
  44. [44] Perché l'idroelettrico con pompaggio? | Queensland Hydro
  45. [45] Rete elettrica operativa in tempo reale | U.S. Energy Information Administration (EIA)
  46. [46] Catturare nel tempo le variazioni dei profili giornalieri della domanda di energia con l'analisi dei cluster nelle case britanniche | Applied Energy
  47. [47] La domanda è intelligente e si adatta ai cambiamenti del profilo dei prezzi | AleaSoft Energy Forecasting
  48. [48] Figura 1: curve di produzione di energia eolica e solare confrontate con la potenza (In: Il nuovo modello ibrido dell'aria compressa per una produzione stabile dei parchi eolici) | International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
  49. [49] Figura 1: offerta e domanda giornaliere con accumulo di energia rinnovabile (In: Valutazioni geofisiche dell'energia da gas rinnovabile compresso nei serbatoi di stoccaggio dei pori geologici) | SpringerPlus
  50. [50] Figura 4: previsione e produzione effettiva di energia del parco eolico (In: Metodo di dispacciamento basato sugli errori di previsione dell'energia eolica per gruppi di parchi eolici) | Journal of Modern Power Systems and Clean Energy
  51. [51] Figura 1: produzione di elettricità eolica e termica e prezzo spot a intervalli di mezz'ora (In: Venti che cambiano: come l'energia eolica interagisce con il sistema elettrico della Nuova Zelanda) | Electricity Authority
  52. [52] Figura 1: Consumo medio di elettricità ogni mezz'ora (In: Consumo di elettricità e caratteristiche delle famiglie: implicazioni per i censimenti in un futuro con contatori intelligenti) | Computers Environment and Urban Systems
  53. [53] Figura 1: Profili orari simulati della produzione eolica, solare, del sistema ibrido eolico-solare e del carico (In: Sfruttare la complementarità delle risorse eoliche e solari per ridurre il bisogno di accumulo energetico) | AIMS Energy
  54. [54] Figura 2: Domanda media di elettricità ogni mezz'ora durante il periodo di controllo (In: Come influisce l'ora legale sulla domanda di elettricità? Una risposta usando dati aggregati da un esperimento naturale nell'Australia occidentale) | Energy Economics
  55. [55] Il valore dell'accumulo di energia nel serbatoio per la distribuzione flessibile dell'energia geotermica | Applied Energy
  56. [56] Figura 15 (In: Confronto tecno-economico quantitativo di un sistema elettrico ibrido fotovoltaico/eolico con diverse tecnologie di accumulo energetico per l'elettrificazione di tre aree remote in Camerun usando l'algoritmo Cuckoo search) | Journal of Energy Storage

Note di Riferimento

1

riporta 1.718 Gt di CO2, equivalenti a 468,54 Gt di carbonio.

12,13

Materiale extra - Plinio il Vecchio, che si fa il bagno nei suoi ultimi momenti (vedi animazione)

[12] Plinio il Vecchio vide una grande, minacciosa nube uscire dalla cima del Vesuvio. Quando capì che qualcosa non andava, scelse non di fuggire e salvarsi, ma di mandare una flotta di navi da guerra ad aiutare gli altri lungo la costa, e salpò con loro. Quando ricevette un messaggio dalla sua amica Rectina che chiedeva aiuto, il viaggio diventò subito chiaramente una missione di soccorso. Plinio raggiunse Rectina nella sua casa a 5 km da Pompei, e il suo timoniere gli consigliò di ritirarsi - invece, Plinio rifiutò, e proseguì per aiutare il suo altro amico, Pomponiano, a Stabia. Fu qui che entrambi gli uomini provarono a rilassarsi, cenare, lavarsi, e superare il pericolo durante la notte. Ma durante la notte, cenere e pomice cominciarono a cadere, le scosse fecero tremare le fondamenta e la colata di lava inghiottiva case lontane e si avvicinava rapidamente alla casa. Le condizioni peggiorarono, e i pericoli aumentarono sia dentro che fuori. Al mattino, decisero di evacuare e dirigersi verso la spiaggia - purtroppo furono sopraffatti nella fuga dal calore crescente, dalle fiamme e dai fumi soffocanti.

[13] chiarisce che non ci fu un singolo evento a causare la catastrofe, ma molti disastri cumulativi, e che i cittadini di Pompei ebbero il tempo di tentare la fuga mentre cenere calda e pomice cadevano prima che l'ondata piroclastica uccidesse la maggior parte di loro. Questo rafforza la conclusione che Plinio il Vecchio ebbe il tempo di lavarsi e rilassarsi prima che iniziasse l'evacuazione.

43-56

Grafico della domanda energetica

Il grafico mostrato è una rappresentazione semplificata delle variazioni giornaliere della domanda di energia e dei problemi dell'intermittenza delle rinnovabili basata su [43-56], visualizzata attraverso 4 parametri principali:

  • La domanda di energia di solito varia durante la giornata, mentre le persone seguono le loro routine quotidiane. Il consumo di elettricità tende a raggiungere il picco al mattino e alla sera, quando le persone si alzano o tornano dal lavoro - accendendo luci, televisori, elettrodomestici per cucinare ecc. - e di solito si stabilizza o diminuisce a metà giornata, quando le persone sono al lavoro, in giro o all'aperto. Come prevedibile, la domanda è più bassa di notte, quando le persone dormono.
    (I modelli specifici della domanda variano nella letteratura; per questo grafico sono state consultate e semplificate diverse fonti.)
  • Energia solare - La fornitura di elettricità dalla produzione solare raggiunge il picco a metà giornata, quando la luce del sole è massima, e diminuisce verso sera con il tramonto. Questo schema familiare non coincide con il consumo di elettricità delle persone, creando carenze di fornitura quando la domanda è più alta: Anche quando il sole sorge e la fornitura aumenta, non basta a superare il picco di domanda mattutino. D'altra-parte, c'è un surplus di elettricità a metà giornata, quando il sole è più alto, ma la domanda è relativamente bassa.
  • Energia eolica - La fornitura di elettricità dalla produzione eolica è per natura piuttosto variabile e irregolare. Nel breve periodo (di ora in ora) non esiste un andamento del vento costante e prevedibile come quello della luce solare (anche se alcune fonti riportano una tendenza del vento a raggiungere il picco nel pomeriggio). Ma, come il solare, l'energia eolica può creare surplus in alcuni momenti della giornata e non soddisfare la domanda in altri. Potrebbero passare intere giornate di calma piatta, in cui il vento non basta per la domanda, oppure giornate di vento incessante potrebbero fornire un surplus continuo di elettricità. In definitiva, da sola, l'energia eolica è una fonte di energia inaffidabile. Anche insieme, eolico e solare possono spesso non fornire elettricità sufficiente nei periodi di picco della domanda, e soprattutto nelle giornate nuvolose e senza vento.
  • Energia complementare - Altre fonti di energia possono essere usate per compensare le carenze intermittenti di elettricità legate a eolico e solare e aiutare la fornitura a soddisfare la domanda. L'energia fornita da fonti come idroelettrico, biocarburanti e geotermia avanzata può essere regolata durante la giornata, offrendo energia aggiuntiva quando serve o riducendo la sovrapproduzione e i surplus sprecati nei periodi fuori picco. Questo permette di soddisfare la domanda in modo costante a ogni ora del giorno usando un insieme di fonti energetiche. Usare una fonte rinnovabile (anziché combustibili fossili) come fornitura regolabile e complementare aiuta a soddisfare la domanda senza creare ulteriori emissioni di carbonio non necessarie.

Energia che segue il carico vs energia di base:

La geotermia avanzata è un esempio chiave di fonte energetica che può essere regolata in modo flessibile e dinamico per seguire i cambiamenti in tempo reale della domanda causati dall'intermittenza e dai modelli di consumo umano, ed è nota come fornitura che ‘segue il carico’. Altre fonti energetiche, come le centrali a combustibili fossili o nucleari, sono tradizionalmente note come forniture di energia ‘di base’ A. Questo significa che possono fornire energia continua e affidabile per soddisfare i nostri bisogni energetici più essenziali; tuttavia, a differenza della geotermia avanzata, non sono facilmente regolabili e la produzione non può essere aumentata o ridotta rapidamente per stare al passo con la domanda. Centrali elettriche aggiuntive, note come ‘di picco’, vengono integrate nella rete per fornire energia extra durante i periodi di massima domanda. Ma anche le centrali di picco richiedono tempo per essere accese e spente, creando inefficienza, sovrapproduzione e sprechi.

Il nostro grafico è una variante semplificata della curva dell'anatra B, un grafico molto conosciuto che illustra la differenza tra domanda e fornitura da solare(/eolico) e il carico che ne risulta sulla nostra rete elettrica - cioè mostra la domanda netta che resta dopo aver già considerato quella soddisfatta dall'energia solare(/eolica), combinando quindi quei parametri in un'unica curva. Evidenzia che, anche se eolico e solare possono aiutare a soddisfare il fabbisogno energetico, non possono (al momento) sostituire del tutto l'energia di base. Non soddisfacendo il 100% della domanda in ogni momento, possono mettere ulteriore pressione sulla rete perché rendono necessari aggiustamenti rapidi e più frequenti delle tradizionali centrali di base, lente a variare produzione, per compensare (o almeno, non senza creare ridondanze, notevoli inefficienze ed energia sprecata). Per esempio, quando la produzione solare cala la sera proprio mentre la domanda di elettricità raggiunge il picco, le aziende elettriche che gestiscono centrali di base devono aumentare rapidamente la produzione al posto del solare. Questo non crea solo stress operativo, ma queste centrali sono convenienti solo quando funzionano senza sosta - accenderle e spegnerle durante la giornata le rende economicamente insostenibili.

Le soluzioni a questo problema puntano ad ‘appiattire la pancia dell'anatra’ (e quindi a ridurre quanto le centrali di base devono aumentare o ridurre la produzione), e includono:

  • Migliorare il funzionamento delle centrali di base per regolare la produzione con più flessibilità
  • Cambiare il nostro comportamento nei consumi energetici così che siano più costanti durante la giornata
  • Reindirizzare l'energia in eccesso verso applicazioni alternative
  • Integrare sistemi di accumulo energetico su scala di rete
  • Passare ad altre fonti più flessibili che ‘seguono il carico’, come la geotermia avanzata o l'energia idroelettrica

Vedi anche: Dieci anni di analisi del grafico dell'anatra: come una scoperta dell'NREL nel 2008 sta aiutando oggi a portare più solare nella rete | NLR (NREL) (archiviato)

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