Il calore del processo industriale rappresenta una parte sostanziale della domanda energetica totale del mondo, ma la maggior parte di questo calore continua a provenire dalla combustione dei combustibili fossili. Poiché le industrie affrontano la pressione di montaggio per decarbonizzare e stabilizzare i costi energetici, l’energia geotermica offre un carico di base, una fonte di calore a basso tenore di carbonio che può operare intorno all’orologio.

Comprensione dell'energia geotermica

L’energia geotermica proviene dal calore immagazzinato sotto la crosta terrestre, che deriva da due fonti primarie: il calore residuo dalla formazione del pianeta e il decadimento radioattivo in corso di elementi come l’uranio, il torio e il potassio. Le temperature aumentano con profondità, tipicamente di circa 25–30°C per chilometro nella maggior parte delle regioni continentali, anche se i gradienti geotermici variano significativamente a seconda della geologia locale.

Le risorse geotermiche sono generalmente classificate con la loro temperatura e l'entalpia:

  • Risorse a bassa entalpia[[] (bassa 100°C) — Adatto per applicazioni di uso diretto come il riscaldamento dello spazio, le serre e alcuni processi industriali che richiedono calore a bassa temperatura.
  • Risorse medio-entalpia[ (100-200°C) – Può essere utilizzato sia per il calore diretto che per la generazione di energia del ciclo binario.
  • Risorse ad alta entalpia[ (oltre 200°C) — tipicamente utilizzate per la generazione di energia geotermica convenzionale, ma anche in grado di fornire calore ad alta temperatura per industrie come la lavorazione minerale.

La distinzione chiave per gli utenti industriali è che il calore geotermico non richiede la conversione all'elettricità: può essere consegnato direttamente come acqua calda o vapore, eliminando le perdite termodinamiche associate alla generazione di energia e consentendo efficienze termiche globali superiori al 90% nei sistemi di uso diretto.

Come funziona il processo geotermico

La fornitura di calore geotermico a un impianto industriale comporta l'estrazione di fluido caldo da un serbatoio di subsuperficie, il trasferimento dell'energia termica al mezzo di processo, e quindi la rielaborazione del liquido raffreddato o lo smaltimento secondo le normative ambientali. La configurazione specifica dipende dalla temperatura necessaria, dalla distanza tra la risorsa e l'impianto, e dalla qualità del fluido geotermico.

Uso diretto

Il metodo più semplice è l'uso diretto: la salamoia geotermica o il vapore viene pipettato da un pozzo di produzione a uno scambiatore di calore che trasferisce energia ad un ciclo di acqua pulita, che poi alimenta il processo industriale. In alcuni casi, il fluido geotermico stesso può essere iniettato direttamente in processi che sono tolleranti della sua composizione chimica — per esempio, in alcune operazioni di lavaggio, blanching o essiccamento.

Scambiatore di calore e impianti di riscaldamento distrettuale

Per i processi che richiedono temperature più elevate rispetto al fluido geotermico, le pompe di calore possono aggiornare la temperatura. Le pompe di calore industriali ad alta temperatura possono aumentare il fluido, ad esempio, da 80°C a 150°C utilizzando un certo input elettrico, producendo ancora un notevole risparmio energetico primario rispetto alla combustione dei combustibili fossili.

Sistemi geotermici avanzati (EGS)

Uno degli sviluppi più promettenti per l’espansione del calore del processo geotermico è Enhanced Geothermal Systems (EGS). Mentre le risorse geotermiche convenzionali richiedono permeabilità naturale e saturazione dell’acqua, EGS crea reti di frattura artificiale in roccia calda e secca iniettando acqua ad alta pressione. L’acqua si riscalda quando si circola attraverso il serbatoio appena creato ed è quindi estratta per fornire calore alla superficie.

Applicazioni industriali chiave

Il calore industriale del processo abbraccia una vasta gamma di temperature, da 30°C per l'agricoltura del pesce a oltre 1000°C per la produzione di acciaio. L'energia geotermica è più competitiva nella gamma a bassa e media temperatura (50-250°C), che copre una parte significativa della domanda termica industriale.

Lavorazione di cibo e bevande

L'industria alimentare richiede calore per l'essiccazione, l'evaporazione, la pastorizzazione, la sterilizzazione, il lavaggio e la cottura. Il calore geotermico è stato utilizzato per decenni in paesi come l'Islanda, la Nuova Zelanda e il Kenya per asciutre frutta, verdura e pesce; per pastorizzare il latte; e per evaporare lo zucchero di barbabietola.

Produzione di polpa e carta

Molti mulini operano in regioni con accesso a risorse geotermiche, come il Nord-Ovest del Pacifico e parti dell’America Centrale. L’integrazione del calore geotermico nel sistema di vapore di un mulino può spostare volumi significativi di gas naturale o olio combustibile. Uno studio del 2019 dell’Agenzia Internazionale per l’Energia Rinnovabile ha scoperto che il processo geotermico potrebbe fornire quasi il calore per la copertura di polpa.

Produzione chimica e petrolchimica

I processi di produzione chimica come distillazione, evaporazione e riscaldamento a reazione chimica richiedono spesso temperature tra i 100°C e i 200°C. Il vapore geotermico può fornire calore per colonne distillazione, e la salamoia geotermica può preriscaldare i flussi di alimentazione, riducendo il carico di combustibile fossile nelle caldaie. In alcuni casi, i fluidi geotermici possono essere utilizzati come fonte di minerali (come il litio o la silice) oltre al calore, creando una possibilità di produzione complessiva combinata.

Lavorazione minerale

In Nevada, diverse miniere d'oro hanno incorporato calore geotermico nei loro processi di leaching, abbassando il consumo di gasolio. Per il cemento, i gradi di essiccazione precalcitore e materie prime operano a 100-200°C, un range di temperatura adatto alle risorse geotermiche medio-entali.

Industrie tessili e cuoio

L'essiccazione, la tintura e la finitura dei tessuti richiedono acqua calda e vapore sostanziali — tipicamente 80-130°C. Il calore geotermico offre una netta alternativa alle caldaie a carbone o a gas in questi settori ad alta intensità energetica, soprattutto in paesi come l'Indonesia, le Filippine e la Turchia, dove sia il potenziale geotermico che la produzione tessile sono significativi.

Vantaggi del calore di processo geotermico

Il caso del calore industriale geotermico poggia su diversi vantaggi che vanno oltre la semplice riduzione delle emissioni.

  • Continuous baseload supply:[ Le risorse geotermiche operano intorno all'orologio, con fattori di capacità superiore al 90% nei campi ben gestiti. Questa affidabilità è fondamentale per le industrie che non possono tollerare l'alimentazione termica intermittente.
  • Isolamento dalla volatilità dei prezzi del carburante:[ Una volta che un pozzo geotermico viene perforato e costruito l'impianto di superficie, il “fuel” (riscaldamento dalla terra) è essenzialmente libero. I costi di funzionamento sono dominati dalla potenza di manutenzione e pompaggio, che sono molto più prevedibili rispetto ai prezzi del petrolio, del gas o del carbone.
  • Low carbon footprint:[] Il calore geotermico diretto emette CO2 trascurabile — solo le piccole quantità di gas non condensabili rilasciati dal serbatoio.
  • Ingombro fisico ridotto:[ Un pozzo geotermico occupa solo alcuni ettari per una struttura che può fornire decine di MWth. Rispetto ai campi solari termici o alle catene di approvvigionamento di biomassa, l'uso del terreno è minimo.
  • Opzioni di generazione:[ Molte installazioni geotermiche producono elettricità e poi utilizzano il calore di scarto a bassa temperatura per processi industriali o teleriscaldamento, massimizzando il valore di ogni pozzo.
  • Sostenere l'indipendenza energetica:[] I Paesi che si affidano ai combustibili fossili importati possono migliorare il loro equilibrio commerciale e la sicurezza energetica sviluppando risorse geotermiche nazionali.

Sfide e rischi

Nonostante i benefici evidenti, il calore industriale geotermico affronta diverse barriere che hanno limitato la sua adozione a regioni con una qualità eccezionale delle risorse.

Costi di capitale di alto livello

La perforazione di un unico pozzo geotermico può costare 2-8 milioni di dollari, e un tipico sistema di uso diretto che serve un impianto industriale potrebbe richiedere due o cinque pozzi più attrezzature superficiali. I rischi di esplorazione — la possibilità che un pozzo non trovi una temperatura o una permeabilità sufficiente — sono a carico dello sviluppatore.

Location delle risorse

Le risorse geotermiche di alta qualità sono concentrate in regioni attive tectonalmente: l'Anello del Fuoco, la Rift dell'Africa Orientale, l'Islanda e le aree lungo i confini della placca continentale. Molti hub industriali si trovano lontano da queste risorse, rendendo la trasmissione del calore su lunghe distanze impraticabili. Tuttavia, EGS e le tecnologie di perforazione avanzate stanno gradualmente espandendo la mappa del calore geotermico economicamente accessibile a aree con gradienti naturali più bassi.

Uso dell'acqua e chimica fluida

Le brine geotermiche contengono spesso minerali disciolti (silica, calcio, metalli pesanti) che possono causare scagliamento e corrosione in tubi e scambiatori di calore. Gestire queste sfide chimiche richiede un'attenta selezione dei materiali, pulizia periodica e, in alcuni casi, trattamento fluido prima della reiniezione. Inoltre, alcuni progetti geotermici sono in regioni di scarto d'acqua, e la necessità di make-up acqua deve essere bilanciata contro la disponibilità locale.

Indotto Seismicizia

I progetti EGS, in particolare, hanno affrontato la preoccupazione pubblica sulla sismicità indotta — i piccoli terremoti innescati dalla fratturazione idraulica della roccia calda. Mentre la maggior parte di tali eventi sono troppo piccoli da provare, i progetti nei centri di popolazione richiedono un attento monitoraggio e impegno con le comunità locali.

Abbinamento tecnico

Retrofitting a un impianto esistente per utilizzare il calore geotermico piuttosto che una caldaia a gas naturale può richiedere una significativa riconfigurazione di scambiatori di calore, sistemi di controllo e tubazioni. Gli impianti di nuova costruzione possono essere progettati per l'integrazione geotermica fin dall'inizio, ma il ritmo attuale di nuova costruzione industriale nelle regioni ricche di geotermia è lento.

Prospettive future e sviluppi emergenti

Le prospettive del calore geotermico industriale si sono notevolmente accresciute grazie ai miglioramenti tecnologici e alla politica di avanzamento.

Tecnologia di perforazione avanzata

I metodi di perforazione moderna, tra cui la perforazione direzionale, i bit ad alta temperatura e il buon cementamento migliorato, riducono i costi e il rischio di raggiungere i serbatoi geotermici profondi.

Sistemi ibridi

Combinando calore geotermico con collettori solari termici, caldaie a biomassa o pompe di calore industriali, è possibile colmare le lacune di temperatura e offrire una maggiore flessibilità. Un sistema ibrido potrebbe utilizzare geotermico per fornire il calore di base a 120°C, quindi fino a 200°C con una caldaia a biogas durante la domanda di picco.

Supporto e prezzi al carbonio

Poiché più giurisdizioni implementano le tasse di carbonio e i tappi di emissione, il costo evitato di CO2 rende il calore geotermico sempre più competitivo. Il sistema di trading delle emissioni dell’Unione europea, ad esempio, ora i prezzi del carbonio a livelli che possono puntare l’economia a favore del gas geotermico su quello naturale per il calore a media temperatura.

Potenziale globale delle risorse

Secondo l’Agenzia internazionale dell’energia rinnovabile], la base di risorse geotermiche accessibile al mondo è enorme. Anche la tecnologia attuale può sfruttare abbastanza calore per fornire energia industriale ad uso diretto per molte regioni. Paesi come l’Indonesia, le Filippine, il Kenya, l’Islanda, la Turchia e alcune parti dell’America Latina stanno già espandendo l’uso geotermico industriale.

Conclusioni

Le aziende geotermiche che oggi si occupano di una politica di geotermica, che si occupa di una produzione di energia, sono un vantaggio costante, basso tenore di carbonio e costi-stabile, che può sostituire direttamente una grande parte dei combustibili fossili bruciati nell'industria.