L'energia geotermica è emersa come risorsa rinnovabile critica nella transizione globale verso sistemi energetici a basso tenore di carbonio. Quando integrata nelle configurazioni di calore e di potenza combinate (CHP), le installazioni geotermiche possono generare simultaneamente energia elettrica e catturare l'energia termica utilizzabile per il riscaldamento distrettuale, processi industriali o il controllo del clima di costruzione.

Fondamenti di energia geotermica

L’energia geotermica deriva dal calore interno della Terra, che viene continuamente prodotta dalla decomposizione di isotopi radioattivi e dal calore residuo dalla formazione planetaria. Questo calore viene immagazzinato in roccia e fluidi all’interno della crosta e diventa accessibile dove le condizioni geologiche permettono di avvicinarsi alla superficie. La risorsa è essenzialmente inesauribile sulle scale temporali umane, rendendola una fonte di energia veramente sostenibile.

Tipi di risorse geotermiche

Non tutte le risorse geotermiche sono simili, e il tipo di risorsa determina in gran parte la tecnologia adatta alle applicazioni CHP.

  • I serbatoi idrotermali[] sono i sistemi più comunemente sfruttati, costituiti da acqua calda naturale e vapore intrappolati in roccia permeabile. Questi sistemi possono essere sfruttati a profondità di 1-3 km e richiedono un rischio di perforazione relativamente basso.
  • I sistemi geotermici avanzati (EGS)] ampliano il potenziale dell'energia geotermica nelle regioni senza riserve idrotermali naturali. Iniettando acqua in roccia calda e secca a profondità di 3-10 km e creando o ampliando le fratture attraverso la stimolazione idraulica, EGS crea un serbatoio artificiale.
  • I sistemi di aquifero a vuoto[[] comportano grandi volumi di acqua calda intrappolata in bacini sedimentari profondi. Questi sistemi tipicamente forniscono fluidi a temperature moderate (60–120 °C), rendendoli ben adatti per l'uso diretto del calore nelle reti di teleriscaldamento.

Tecnologia combinata di calore e potenza per Geothermal

In un sistema geotermico CHP, il percorso energetico è progettato per massimizzare l'energia utile estratta dal fluido geotermico. Il processo inizia quando la salamoia calda o il vapore viene portato in superficie attraverso i pozzi di produzione. Dopo che le impurità vengono rimosse, il fluido si espande direttamente attraverso una turbina (in vapore secco e nelle temperature a vapore flash) o trasferisce il suo calore ad un fluido secondario in una centrale a ciclo binario.

Come funziona il CHP geotermico

L'integrazione dell'estrazione del calore dopo la generazione di energia elettrica è la chiave dell'efficienza di CHP. Nelle centrali geotermiche convenzionali, il calore viene dissipato in torri di raffreddamento o scaricato all'ambiente. In una configurazione CHP, che il calore viene invece catturato e consegnato a un carico termico. La temperatura del fluido geotermico dopo la generazione di energia elettrica varia tipicamente da 60 a 100 °C, che è più che sufficiente per il riscaldamento dello spazio, l'acqua calda domestica e molte applicazioni industriali come ad alta come l'acqua calda

Vantaggi dell'efficienza dell'integrazione di CHP

L'efficienza di una centrale geotermica dedicata è intrinsecamente limitata dal ciclo di Carnot e dalla relativamente bassa temperatura dei fluidi geotermici rispetto alla combustione dei combustibili fossili. Le centrali geotermiche tipiche raggiungono le efficienze termiche di soli 10-15 %. Con l'aggiunta di recupero termico, i sistemi CHP possono aumentare il fattore di utilizzo energetico complessivo (la frazione di energia geotermia estratta che è messa a lavoro utile) a 80 % o più.

Vantaggi di Geothermal per i sistemi CHP

Geothermal CHP offre una serie di vantaggi che lo differenziano da altre tecnologie CHP rinnovabili, come biomassa o solare termico.

  • Alta efficienza complessiva. La generazione simultanea di energia elettrica e calore solleva l'efficienza pratica ben oltre quella delle centrali standalone. Poiché il calore è un prodotto direttamente utile, meno dell'energia geotermica estratta va ai rifiuti.
  • Funzionamento rinnovabile e sostenibile. Il calore geotermico è naturalmente rifornito; con gestione responsabile del serbatoio, come ad esempio il ri-iniezione dei fluidi spesi, la risorsa può essere mantenuta per decenni. Questo contrasto con la biomassa, che richiede un rifornimento continuo del carburante e può sollevare problemi di utilizzo del terreno o di sostenibilità.
  • Emissioni molto basse. Gli impianti Geothermal CHP emettono gas a effetto serra minimi, principalmente tracce di anidride carbonica e solfuro di idrogeno, che possono essere catturati o mitigati. Su una base di ciclo di vita, l'elettricità geotermica emette circa 38 g di CO2eq/kWh— molto meno del carbone (~1,000 g) o gas naturale (~500).
  • Riducibile, alimentazione di carico di base. Le risorse geotermiche funzionano 24 ore su 24, 7 giorni su 7 indipendentemente dal tempo, offrendo un carico base stabile che può essere spedito per soddisfare sia i modelli di domanda elettrica che termica. Questa affidabilità è particolarmente importante per le reti di riscaldamento distrettuale che operano continuamente durante le stagioni di riscaldamento.
  • Ingombro fisico ridotto. Un impianto geotermico CHP produce una densità energetica molto elevata per unità di superficie rispetto alle installazioni solari o eoliche. I pad e il blocco di potenza occupano una zona relativamente piccola, lasciando la terra circostante disponibile per l'agricoltura o altri usi.
  • I vantaggi per le economie locali[] I progetti Geothermal CHP creano posti di lavoro qualificati nella perforazione, nel funzionamento delle piante e nella manutenzione. Possono spostare i combustibili fossili importati, aumentare la sicurezza energetica e fornire prezzi stabili del calore per le comunità e le industrie.

Sfide e considerazioni

Nonostante questi vantaggi, l'implementazione di CHP geotermico non è senza ostacoli. Lo sviluppo di progetti di successo richiede una valutazione accurata delle risorse, un capitale di fronte sostanziale e una gestione efficace degli impatti ambientali e sociali.

Fattori economici

I progetti geotermici sono intesi a investire in investimenti di capitale, con la perforazione e l'esplorazione che rappresentano tipicamente il 30-50 % del costo totale del progetto. I pozzi possono costare milioni di dollari per la perforazione, e il rischio di perforazione dei pozzi a secco o a bassa produttività aggiunge una notevole incertezza finanziaria. Tuttavia, una volta confermata una risorsa, i costi operativi sono bassi, soprattutto legati alla manutenzione, alla pompa e alla gestione dei fluidi.

Considerazioni ambientali e sociali

L'estrazione di gas geotermici può portare a un'estrazione di gas non condensabili, tra cui piccole quantità di CO2, idrogeno solforato (H2S), e oligoelementi di gas.

Sfide tecniche

I fluidi geotermici possono essere corrosivi e inclini a scagliare a causa di alte concentrazioni di minerali disciolti (silica, carbonato di calcio), che richiedono materiali robusti e una manutenzione regolare di borchie, scambiatori di calore e turbine.

Sviluppo globale e studi di casi

La praticabilità del CHP geotermico è meglio illustrata da installazioni esistenti che operano con successo da decenni.

Islanda: Il leader mondiale

L’Islanda si trova sul Ridge Mid-Atlantic e possiede abbondanti risorse geotermiche ad alta temperatura. Il paese ha integrato CHP geotermico a scala nazionale: quasi tutta l’elettricità nella capitale, Reykjavik, è generata da geotermico, e il calore è distribuito attraverso la più grande rete di riscaldamento distrettuale del mondo.

Stati Uniti: Potenziale di espansione

Gli Stati Uniti hanno la più grande capacità di energia geotermica di qualsiasi paese (oltre 3,5 GW), principalmente in California, Nevada e Utah. Mentre la maggior parte sono impianti di sola potenza, diversi stanno perseguendo i retrofit CHP. Per esempio, la pianta Blundell in Utah (di proprietà di Enel Green Power) ha fornito il calore geotermico a una serra vegetale vicina per decenni.

Filippine e altri pionieri geotermici

Le Filippine sono il secondo produttore geotermico più grande a livello globale. Poiché molte delle sue piante sono situate su isole con una capacità di rete limitata, il CHP non è ancora diffuso, ma esistono opportunità per gli utenti di calore industriale (ad esempio, la lavorazione del cocco, la produzione di cibo). In Europa, il bacino di Parigi della Francia ha una lunga storia di utilizzo geotermico a bassa entalpia per il riscaldamento distrettuale tramite pompe di calore CHP-ready.

Prospettive e innovazioni future

Il futuro del CHP geotermico sembra brillante, guidato da miglioramenti tecnologici, crescente riconoscimento del valore del calore nelle transizioni di energia pulita e politiche di supporto.

Sistemi geotermici avanzati (EGS)

EGS è la tecnologia più trasformativa all’orizzonte. Rendendo accessibili le risorse geotermiche ovunque, non solo nelle regioni vulcaniche, l’EGS potrebbe moltiplicare il potenziale geotermico teorico di oltre 100 volte. L’obiettivo del Dipartimento dell’Energia è quello di ridurre i costi EGS a 60 dollari/MWh mostrati nel 2035, che renderebbe la CHP geotermica competitiva con gli impianti a ciclo combinato di circolazione del gas naturale.

Sistemi ibridi

L’integrazione di CHP geotermico con altre fonti rinnovabili può migliorare la redditività e la flessibilità operativa. Ad esempio, il calore solare può essere utilizzato per preriscaldare il fluido di lavoro geotermico, aumentando l’output del blocco di potenza durante le ore di punta della luce solare. In alternativa, l’energia eolica e solare può alimentare le pompe di calore ibride che caricano un serbatoio geotermico (no “batteria termica geotermica” o “Audi‐concept).

Politica e Tendenze d'investimento

Il progetto di riduzione dell’inflazione (Stato 2022) include crediti fiscali ampliati per la produzione di elettricità geotermica (Sezione 45Y) e crediti di investimento autonomi per le pompe di calore, che possono incoraggiare i retrofit CHP. Il piano REPowerEU dell’Unione Europea mira ad un significativo aumento dell’utilizzo del calore geotermico, con specifici finanziamenti per la modernizzazione del teleriscaldamento.

Conclusioni

L'energia geotermica, sfruttando le barriere termiche e di potenza combinate, offre un percorso unico e potente per decarbonizzare sia l'energia elettrica che la generazione di calore. Utilizzando lo stesso fluido geotermico, prima di generare energia elettrica e poi per soddisfare la domanda termica, la tecnologia CHP estrae il massimo valore dalla risorsa, raggiungendo le efficienze superiori all'80% emettendo i gas serra minimi.