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Che cos'è l'energia geotermica?
 
Utilizzo dell'energia geotermica in Svizzera
 
Come si può sfruttare l'energia geotermica?
 
Geotermia a bassa temperatura - per il riscaldamento di case
 
La pompa di calore
 
 
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Che cos'è l'energia geotermica?
L?energia geotermica è l?energia che si trova nel sottosuolo sotto forma di calore. All?interno della terra sono immagazzinate enormi quantità di calore, che derivano in maggior parte dal decadimento delle sostanze radioattive contenute nel sottosuolo. Secondo le conoscenze attuali, le temperature nel nucleo della terra si situano intorno a 6000 °C e nel mantello superiore sono intorno a 1200 °C. Il flusso geotermico totale attraverso la superficie terrestre è di una quantità enorme, pari a 40 miliardi kW, di cui, attraverso varie tecnologie per lo sfruttamento dell?energia geotermica, è tecnicamente possibile usare solo una piccola frazione.

Vicino alla superficie terrestre la temperatura è una combinazione della radiazione solare e del flusso geotermico. In confronto alla radiazione solare che ha un valore di circa 200 W/m2, il flusso geotermico è molto piccolo con valori intorno a 50 a 100 mW/m2.. Il sistema geotermico può essere paragonato ad una batteria che viene caricata con una corrente molto bassa. L?estrazione dell?energia geotermica di conseguenza deve essere fatta con una certa cautela, evitando l?estrazione di quantità troppo elevate in poco tempo.

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Utilizzo dell’energia geotermica in Svizzera

La Svizzera è tra i paesi più sviluppati nel mondo riguardo alla geotermia. Dopo l?Islanda e la Nuovo Zelanda ? paesi che sono molto avvantaggiati dal punto di vista geologico ? la Svizzera è al terzo posto mondiale con una potenza installata di 70 W pro capite.

La Svizzera si concentra soprattutto sulle applicazioni della geotermia a bassa temperatura. Nel 2003 sono state registrate circa 30'000 sonde geotermiche operative, corrispondendo ad una lunghezza totale di oltre 4'000 km. Con una potenza di riscaldamento di 550 GWh, queste installazioni risparmiano una quantità di 70 milioni di litri d?olio combustibile ogni anno.
 
Attualmente in Ticino questa tecnologia è solo modestamente sviluppata. Nel 2003 circa 450 installazioni geotermiche a bassa temperatura sono in servizio: 200 sonde geotermiche, 200 installazioni ad uso d?acque sotterranee con pompa di calore e circa 50 installazioni ad uso diretto d?acque sotterranee.
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Come si può sfruttare l’energia geotermica?

L?energia nel sottosuolo può essere sfruttata con numerose tecnologie. Di seguito elenchiamo le applicazioni più comuni:

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Le sonde geotermiche sono degli scambiatori di calore verticali con lunghezze tipiche da 50 a oltre 200 m.

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Le serpentine nel terreno sono degli scambiatori di calore messi orizzontalmente a 1-2 m di profondità in terreni sciolti.

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I sistemi a pozzi d?estrazione e reimmissione utilizzano le acque sotterranee o superficiali, che vengono raffreddate.

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I pali energetici sono degli scambiatori di calore integrati negli elementi di fondazione di costruzioni palificate e hanno una profondità tipica di alcuni m.

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Le acque di tunnel (ad es. il tunnel stradale Mappo-Morettina a Locarno) hanno spesso una temperatura elevata e possono essere usate portate soddisfacenti.

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Le acque termali hanno una temperatura elevata che può essere utilizzata.

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Il deep heat mining per la produzione di corrente e di calore richiede delle perforazioni che raggiungono profondità terrestri di alcuni km. Un progetto pilota è in fase di sviluppo a Basilea.

Tra tutti questi tipi d?installazioni quelli più diffusi sono le tecnologie a bassa temperatura, cioè le sonde geotermiche, i sistemi a pozzi, le serpentine nel terreno e i pali energetici. Queste tecnologie hanno il vantaggio di non richiedere il raggiungimento di profondità troppo elevate.

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Geotermia a bassa temperatura – per il riscaldamento di case
Il principio di base è quello di estrarre energia termica dal sottosuolo, trasformarla con una pompa di calore ad una temperatura più alta e poi usare quest?energia per produrre acqua calda da utilizzare per il riscaldamento o semplicemente come acqua calda stessa. Le applicazioni a bassa temperatura, che sono le più comuni in Svizzera, sono le sonde geotermiche, i pozzi di captazione e reimmissione di acque sotterranee, le serpentine nel terreno e i pali energetici.

Le sonde geotermiche hanno una lunghezza tipica di 100 m. In un sondaggio viene introdotto un circuito che serve da scambiatore di calore. Vista la lunghezza tipica operano su una differenza di temperatura di pochi °C. In un sottosuolo roccioso, le sonde geotermiche sono spesso il modo migliore per sfruttare l?energia geotermica.

I sistemi a pozzi di captazione e di reimmissione sfruttano l?acqua di falda come sorgente dell?energia. L?acqua viene raffreddata di pochi gradi. I sondaggi di captazione e di reimmissione sono normalmente più costosi, anche se meno profondi di quelli di una sonda geotermica, perché hanno un diametro maggiore e sono attrezzati con un?installazione per la captazione e la reimmissione. La condizione più importante è quella della presenza di un flusso d?acqua sufficiente.

Le serpentine nel terreno e i pali energetici non sono delle vere applicazioni della geotermia, ma sfruttano piuttosto l?energia solare che riscalda il terreno in superficie fino a pochi m di profondità. I pali energetici sono utilizzati principalmente per la climatizzazione di costruzioni. Le serpentine vengono installate ad una profondità di 1-2 m e possono essere disposte nel terreno secondo diverse forme: areale, come trincee, pali ecc. Nel caso dei pali energetici, i circuiti sono introdotti nelle strutture di fondazione di una costruzione a pali.

Le tecnologie a bassa temperatura hanno bisogno di una pompa di calore che toglie energia termica dal sottosuolo e lo aggiunge al circuito di riscaldamento; quest?ultimo preferibilmente è un sistema a bassa temperatura, ad esempio un riscaldamento a serpentine.
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La pompa di calore

Le installazioni geotermiche a bassa temperatura hanno bisogno di una pompa di calore che trasforma l?energia estratta dall?ambiente ad una temperatura più alta, normalmente per il riscaldamento e per la produzione d?acqua calda. A seconda della sorgente d?energia ambientale e del liquido termico utilizzati, si distinguono i tipi di pompe a calore: salamoia-acqua, acqua-acqua, aria-acqua e aria-aria.

Del 100% d?energia utilizzabile bisogna fornire circa 25% sotto forma di energia elettrica per il funzionamento della pompa termica, il resto viene estratto dall?ambiente.

Le installazioni geotermiche a bassa temperatura utilizzano normalmente delle pompe di calore a salamoia-acqua nel caso di sonde geotermiche e di serpentine, e ad acqua-acqua nel caso di sistemi a pozzi di captazione e reimmissione. Anche se possono usare diverse sorgenti d?energia ambientale, le pompe di calore hanno sempre lo stesso principio di funzionamento e presentano le seguenti componenti:

>L?evaporatore è lo scambiatore di calore che assorbe l?energia termica ambientale facendo evaporare il gas.

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Il compressore addensa il gas che così si riscalda.

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Il condensatore è un altro scambiatore di calore che estrae l?energia termica dal gas e la passa al sistema di riscaldamento.

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La valvola d?espansione è una valvola termostatica e chiude il circuito.

La regolazione della pompa di calore avviene in dipendenza dalla temperatura ambientale e dalla temperatura d?entrata e d?uscita ed avviene normalmente spegnendo e accendendo la pompa a calore.

 In Svizzera ci sono circa 75'000 pompe di calore in funzione e questo favorisce il risparmio di 250'000 tonnellate di nafta. Le pompe di calore funzionano con l?energia elettrica. Il consumo elettrico in Svizzera per le pompe di calore è di 1.2%, una percentuale modesta, paragonato ai 15-18% per i riscaldamenti elettrici [4].
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