L'energia geotermica è la forma d'energia dovuta al calore endogeno della Terra; vulcani, sorgenti termali, soffioni e geysers documentano la presenza di calore immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l'esterno con l'ausilio di fluidi vettori come acqua e vapore.
La temperatura, all'interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità secondo un gradiente geotermico di 3°C ogni 100 metri, anche se esistono zone con gradienti geotermici anomali in cui il flusso di calore è maggiore (9-12°C ogni 100 metri).
Il calore terrestre è prevalentemente d'origine radiogenica e subordinatamente planetaria e chimica; deriva principalmente dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti soprattutto nel mantello (quelli più importanti sono il torio 232, l'uranio 238, e 235 ed il potassio 40).
In media il calore terrestre calcolato è pari a 0,06 W/m², quindi considerando tutta la superficie si arriva a valori di 30.000 miliardi di watt; questa energia termica, per unità di tempo e di area, costituisce il flusso geotermico e viene espressa in HFU (Heat Flow Unit) ed è equivalente ad una microcaloria per centimetro quadro al secondo (1HFU = 1x10-6 cal/cm². s = 42mW/m²), cioè in un secondo la Terra disperde una microcaloria per centimetro quadro.

Distribuzione del flusso di calore endogeno.
Lo sfruttamento dell'energia geotermica consiste nell'utilizzazione del calore contenuto in rocce relativamente vicine alla superficie, dove arriva propagandosi dalle zone più profonde della Terra.
Per giungere in superficie il calore ha bisogno di un vettore fluido (acqua o vapore), naturale o iniettato, che deve poter fluire in gran quantità in rocce porose e permeabili (rocce serbatoio), queste a loro volta devono essere protette da rocce impermeabili (copertura) che impediscano o limitino la dispersione dei fluidi e del calore.
Per garantire la "rinnovabilità" del sistema geotermico, in pratica sostituire il fluido sottratto dall'utilizzazione, è necessaria l'esistenza di una zona di alimentazione esterna; il fluido, in questo caso, proviene prevalentemente da acqua meteorica. Nel caso di serbatoi "confinati", dove il fluido è fossile, invece, l'eventuale ricarica è effettuata solo artificialmente mediante la reiniezione.
In un sistema geotermico, l'acqua penetra nel sottosuolo attraverso rocce permeabili formando delle falde sotterranee e, per effetto del calore trasmesso alle rocce da una fonte, quale una massa magmatica, si scalda fino a raggiungere temperature di alcune centinaia di gradi; il fluido (acqua e/o vapore) in queste condizioni risale lungo faglie o fratture dando luogo alle manifestazioni geotermiche.
La risalita può anche essere indotta artificialmente tramite una perforazione meccanica (pozzo geotermico), il fluido cosÌ captato, dopo alcuni trattamenti, è inviato agli impianti di utilizzazione

Usi diretti:
Il riscaldamento è la forma più antica e diffusa tra gli usi diretti dell'energia geotermica; larga utilizzazione 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 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; qualora i fluidi geotermici non raggiungessero le temperature richieste, si possono adottare dei sistemi integrativi quali una caldaia o una pompa di calore.

Un impianto di teleriscaldamento può provvedere anche alla fornitura di acqua calda sanitaria; se le acque geotermiche sono dolci, come nel caso di Vicenza, possono essere distribuite direttamente agli utenti, se invece, sono salate, come a Ferrara, si provvede immettendo nella rete sanitaria una parte dell'acqua di acquedotto circolante nello scambiatore 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).
Altri usi dei fluidi geotermici sono rappresentati dall'azione antigelo dei suoli, dal riscaldamento delle serre e dall'utilizzo nelle attività industriali per fornire il "calore di processo" utilizzato nel ciclo di produzione.
Un uso razionale che permette di ottenere la massima efficienza dai fluidi geotermici, è rappresentata dagli usi integrati dello stesso fluido per impianti ed utenti diversi, con un sistema in serie, "a cascata", le acque reflue a bassa temperatura di una centrale geotermica, possono essere usate, per esempio, per il riscaldamento, per la serricoltura, per l'acquacoltura e per l'irrigazione.
Nel quadro volto allo sfruttamento razionale dell'energia geotermica, viene impiegata sempre di più la "pompa di calore", grazie alla quale sono utilizzati anche i fluidi a temperatura molto bassa.
La pompa di calore è una macchina termica in grado di trasferire il calore da un corpo più freddo ad uno più caldo, innalzandone la temperatura; essa estrae calore da una sorgente a bassa temperatura, sorgente fredda, con dispendio di energia esterna che può essere di natura elettrica, meccanica, o appunto geotermica.
Nei paesi dove si sta diffondendo lo sfruttamento dell'energia geotermica alle più basse temperature (7- 40° C), quali la Svezia, il Giappone, gli Stati Uniti, la Svizzera, la Germania e la Francia, l'uso delle pompe di calore ha toccato dei livelli sorprendenti; negli Stati Uniti per esempio nel 1993 ne erano installate più di 150.000.
Un'altra tecnologia molto in uso accanto alle pompe di calore è rappresentata dallo "scambiatore di calore", necessario nei casi in cui non è possibile mettere a contatto i fluidi geotermici direttamente con gli impianti di utilizzazione, quando il contenuto salino del fluido può creare danni quali la corrosione o l'inquinamento.
Gli scambiatori di calore vengono fabbricati in diverse versioni di cui le principali sono: a piastre, a fasce tubiere, a serpentina ed a miscela diretta, con separazione finale e recupero del fluido di lavoro dal fluido primario.
Un particolare tipo è quello utilizzato direttamente nel pozzo, con circolazione di acqua dolce o di fluido basso-bollente nel secondario.

Risparmio energetico

Impianto fotovoltaico

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