Storia

I vulcani, le sorgenti termali, le fumarole ed altri fenomeni superficiali di questo genere hanno certamente fatto pensare ai nostri progenitori che alcune parti dell’interno della Terra sono calde. Soltanto tra il sedicesimo ed il diciassettesimo secolo, tuttavia, quando furono scavate le prime miniere profonde qualche centinaio di metri, ci si rese conto, da semplici sensazioni fisiche, che la temperatura del sottosuolo aumenta con la profondità.
Le prime misure con termometri sono state fatte probabilmente nel 1740 in una miniera vicino Belfort in Francia (Bullard, 1965). Dal 1870 il regime termico della Terra è stato studiato con metodi scientifici moderni, ma soltanto nel ventesimo secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal calore radiogenico, è stato possibile comprendere pienamente fenomeni come il bilancio termico della Terra e ricostruire la storia termica del nostro pianeta. Tutti i moderni modelli termici della Terra, infatti, devono tener conto del calore prodotto in continuazione dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell’uranio (U²³⁸, U²³⁵), del torio (Th²³²) e del potassio (K⁴⁰), presenti nell’interno del globo terrestre (Lubimova, 1968). A quella radiogenica, si aggiungono, in proporzioni non esattamente definite, altre fonti di calore, come il calore primordiale del pianeta. Comunque, teorie e modelli termici realistici non sono stati disponibili sino agli anni ’80, quando è stato dimostrato che non c’è equilibrio tra il calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nell’interno della Terra ed il calore disperso dalla sua superficie verso lo spazio, e che il nostro pianeta si sta lentamente raffreddando.
Per dare un’idea della grandezza dei fenomeni di cui si parla, riportiamo il bilancio termico di Stacey e Loper (1988), nel quale il flusso di calore totale dalla superficie terrestre è valutato 42 x 10¹² W  (conduzione, convezione e radiazione). Di questa grandezza, 8 x 10¹² W provengono dalla crosta terrestre, che rappresenta soltanto il 2% del volume totale della Terra, ma è ricca di isotopi radioattivi, 32,3 x 10¹² W derivano dal mantello, che è l’82% del volume totale della Terra, e 1,7 x 10¹² W provengono dal nucleo, che costituisce il 16% del volume totale del pianeta e non contiene isotopi radioattivi (uno schema della struttura interna della Terra è rappresentato nella Figura 1). Poiché il calore radiogenico del mantello è stimato in 22 x 10¹² W, il raffreddamento di questa parte della Terra è 10,3 x 10¹² W. Calcoli più recenti, basati su un numero maggiore di dati, hanno portato ad un valore del flusso di calore totale dalla superficie del 6% più alto di quello utilizzato da Stacey e Loper, modificando leggermente le conclusioni di questi ultimi.

Il raffreddamento del pianeta, comunque, è molto lento. La temperatura del mantello (Figura 1) è scesa, al più, di 300°-350°C in tre miliardi di anni e, alla sua base, è di circa 4000°C. E’ stato valutato che il calore totale contenuto nella Terra, assumendo una temperatura superficiale media di 15°C, sia dell’ordine di 12,6 x 10²⁴ MJ e che quello contenuto nella crosta sia dell’ordine di 5,4 x 10²¹ MJ (Armstead, 1983). L’energia termica della Terra è quindi enorme, ma soltanto una parte di essa può essere sfruttata. Sino ad oggi, l’utilizzazione di questa energia è stata limitata a quelle aree nelle quali le condizioni geologiche permettono ad un vettore (acqua in fase liquida o vapore) di “trasportare” il calore dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino ad essa, formando quelle che chiamiamo risorse geotermiche. Nuove vie potrebbero però essere aperte in un futuro prossimo da metodi innovativi e tecnologie d’avanguardia, alcuni già in fase di sperimentazione.

In numerosi settori, soprattutto in passato, la pratica ha spesso preceduto la teoria. Molte risorse, tra queste anche l’energia geotermica, 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, che sgorgavano naturalmente dal suolo o erano estratte da pozzi di piccola profondità. L’acido borico era ottenuto facendo evaporare i fluidi caldi ricchi di boro in bollitori metallici, usando, come combustibile, il legname ricavato dei 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. Nel 1928 anche l’Islanda, un altro paese all’avanguardia nell’utilizzazione dell’energia geotermica in Europa, cominciò a sfruttare i fluidi geotermici, soprattutto acqua calda, per il riscaldamento di edifici.
Il primo tentativo di produrre elettricità dall’energia contenuta nel vapore geotermico è stato fatto a Larderello nel 1904. Il successo di questo esperimento mostrò il valore industriale dell’energia geotermica e segnò l’inizio di una forma di sfruttamento, che è ora diffuso in molti paesi. La produzione di elettricità a Larderello fu un successo commerciale, oltre che della tecnica, tanto che, nel 1942, la potenza geotermoelettrica installata aveva raggiunto 127.650 kW. L’esempio italiano fu seguito da numerosi altri paesi. Nel 1919 venne perforato il primo pozzo geotermico in Giappone, a Beppu, e, nel 1921, negli Stati Uniti, a The Geysers in California. Nel 1958 un primo impianto geotermoelettrico entrò in esercizio in Nuova Zelanda, nel 1959 in Messico, nel 1960 negli Stati Uniti e negli anni seguenti in molti altri paesi.

UTILIZZAZIONE ATTUALE DELL’ENERGIA GEOTERMICA

Dopo la seconda Guerra Mondiale, molti paesi furono attirati dall’energia geotermica, considerandola economicamente competitiva rispetto ad altre forme di energia. Oltre ad essere un’energia “indigena”, in numerose aree è l’unica localmente disponibile. Le nazioni che utilizzano l’energia geotermica per produzione di elettricità sono elencate nella Tabella 1, che mostra la potenza geotermoelettrica installata in totale nel mondo nel 2002 (9005 MW_e).

L’energia geotermica può svolgere un ruolo significativo nel bilancio energetico di certe zone, in particolare di alcune aree in via di sviluppo, come si può osservare nella Tabella 2, che mostra la percentuale di potenza elettrica da fonti geotermiche rispetto alla potenza elettrica totale installata in vari paesi nel 1996.

Per quanto riguarda gli usi non elettrici dell’energia geotermica (o usi diretti del calore geotermico), la Tabella 3 dà la potenza installata (15.145 MW_t) e l’energia utilizzata (190.699 TJ/anno) nel mondo nel 2000. Attualmente si conoscono usi non elettrici dell’energia geotermica in 58 paesi, mentre nel 1995 il loro numero era limitato a 28 e a 24 nel 1985. L’uso non elettrico più diffuso nel mondo (come potenza installata) è rappresentato dalle pompe di calore (34,80%), seguito da balneologia (26,20%), riscaldamento di ambienti (21,62%), serre (8,22%), acquacoltura (3,93%) e impieghi industriali diversi (3,13%) (Lund e Freeston, 2001).