L'energia geotermica può svolgere un ruolo chiave nella transizione energetica?

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Un fiume di acqua calda scorre a circa 3.000 piedi sotto Boise, Idaho. E dal 1983 la città usa quell'acqua per riscaldare direttamente case, attività commerciali e istituzioni, compresi i quattro piani del municipio – tutto sommato, circa un terzo del centro. È il più grande sistema di riscaldamento geotermico del paese.

Boise non aveva bisogno di drill per accedere alla risorsa. L'acqua a 177 gradi Fahrenheit sale in superficie in una faglia geologica ai piedi della città.

È un sogno di energia rinnovabile. Il riscaldamento dei 6 milioni di piedi quadrati negli edifici riscaldati geotermicamente costa circa $ 1.000 al mese per l'elettricità per pomparlo. (Il costo annuale totale per l'ammortamento, la manutenzione, il personale e la riparazione del sistema di teleriscaldamento della città è di circa $ 750.000.)

"Stiamo riscaldando 92 degli edifici più grandi della città di Boise", ha affermato Jon Gunnarson, coordinatore geotermico della città. “Gli edifici spogliano il calore, lo raccolgono e lo conducono a un pozzo di iniezione. Lo usiamo una volta, lo reiniettiamo e lo usiamo di nuovo. "

Il sistema distrettuale di Boise è il modo in cui si pensa più spesso all'energia geotermica: l'acqua calda naturale viene pompata nei radiatori o utilizzata per generare elettricità. È considerato un fenomeno locale – pochi posti sono seduti su un fiume sotterraneo di acqua calda fumante – e quindi la geotermia non è stata vista come una caratteristica importante nel panorama dell'energia alternativa.

Molti esperti vedono l'energia geotermica come una componente essenziale del futuro dell'energia verde nel mondo.

Ma un certo numero di esperti in tutto il mondo afferma che l'idea è sbagliata. Grazie soprattutto alle tecniche di perforazione profonda e alla conoscenza delle formazioni sotterranee sviluppate dall'industria petrolifera e del gas durante il boom del fracking, un tipo di energia geotermica chiamata geotermia profonda può accedere a temperature elevate nel mantello terrestre fino a due o tre miglia. A varie profondità fino a questo livello, gran parte del pianeta contiene acqua estremamente calda o c'è roccia calda in cui l'acqua può essere iniettata e riscaldata, una tecnologia nota come sistemi geotermici avanzati. In entrambi i casi, l'acqua calda viene pompata e utilizzata per riscaldare direttamente gli edifici o per generare elettricità con vapore o acqua calda.

"Ovunque ci troviamo sulla superficie del pianeta, e certamente negli Stati Uniti continentali, se perforiamo abbastanza in profondità possiamo arrivare a temperature abbastanza alte che funzionerebbero come il sistema Boise", ha detto Jefferson Tester, professore di sistemi energetici sostenibili alla Cornell Università e uno dei massimi esperti di energia geotermica. "Non è questione di sapere se c'è, è ed è significativo. Si tratta di farlo uscire dal terreno economicamente ".

Anche se la geotermia è a malapena sul radar dell'energia alternativa, gli Stati Uniti producono già 3,7 gigawatt (GW) di elettricità geotermica, sufficienti per alimentare più di 1 milione di case. È il principale produttore mondiale, principalmente nella California centrale e nel Nevada occidentale. La California ha 43 centrali geotermiche in funzione e sta per costruirne altre due.

Tramonto su un sito di test geotermico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti in Nevada.
Credito fotografico: Dick Benoit

Con obiettivi di energia rinnovabile obbligatori in molte località e la campagna Net Zero – un impegno da parte di molti paesi a decarbonizzare le proprie economie entro il 2050 – l'interesse per l'energia geotermica sta crescendo rapidamente. Molti esperti lo vedono come una componente essenziale del futuro dell'energia verde nel mondo perché potrebbe fornire calore senza emissioni di carbonio e energia di carico di base 24 ore su 24 per compensare l'intermittenza del vento e del solare. L'Islanda, che si trova su una faglia geologica attiva, ha perfezionato la tecnologia con i suoi onnipresenti sistemi di teleriscaldamento geotermico. E la Cina sta abbracciando il passaggio all'energia geotermica, sviluppando attualmente più sistemi di teleriscaldamento geotermico di qualsiasi altra nazione.

"L'elettricità geotermica è sempre attiva", ha affermato Tester. "Può fornire energia o calore completamente dispacciabile ed è scalabile allo stesso modo delle altre energie rinnovabili".

In un recente rapporto, l'Agenzia internazionale per l'energia rinnovabile (IRENA) ha previsto che la produzione di geotermia in Europa potrebbe aumentare di otto volte entro il 2050. E un rapporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) del 2019 – GeoVision: Harnessing the Heat Sotto Our Feet – fa riferimento all '"enorme potenziale inutilizzato del geotermico". Superando le barriere tecniche e finanziarie, afferma il rapporto, la generazione di elettricità attraverso metodi geotermici potrebbe aumentare di 26 volte entro il 2050, fornendo l'8,5% dell'elettricità degli Stati Uniti, oltre al calore diretto.

"I modelli GeoVision indicano l'opportunità di più di 17.500 installazioni di riscaldamento diretto, nonché di riscaldamento e raffreddamento per l'equivalente di oltre 28 milioni di famiglie che utilizzano pompe di calore geotermiche entro il 2050", ha scritto Susan Hamm, direttore dell'ufficio Geothermal Technologies del DOE.

L'accesso alla geotermia profonda è costoso e rischioso. Ma con un focus globale sulla decarbonizzazione delle economie, molti paesi potrebbero offrire strategie di mitigazione del rischio e incentivi finanziari, inclusi vantaggi fiscali, condivisione dei costi e ricerca tecnica. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ad esempio, ha impegnato 150 milioni di dollari nel progetto del Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE) nello Utah come sito di studio e test per la geotermia avanzata.

Un tipo di geotermia profonda "sarebbe dannatamente vicino al Santo Graal come si può ottenere", dice un avvocato.

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Diversi tipi di geotermia vengono sempre più utilizzati in questi giorni. Uno, che esiste da decenni, non ha nulla a che fare con l'acqua calda. Si chiama "tecnologia della pompa di calore geotermica" (GSHP) e sfrutta la differenza di temperatura dell'aria e temperatura del suolo. In inverno nei climi freddi, il terreno, a 55 gradi F o giù di lì, è più caldo delle temperature esterne e i tubi con antigelo circolano attraverso il terreno e pompano quel fluido caldo in una casa. Il calore supplementare può aumentare la temperatura. In estate il terreno rimane più fresco e questo stesso sistema può fornire aria condizionata. La Svezia è un leader mondiale in questo approccio e un quinto delle case utilizza GSHP. Un grosso ostacolo per molti proprietari di case, tuttavia, è il costo, che può raggiungere le decine di migliaia di dollari per abitazione.

Un altro tipo molto diverso di geotermia è un circuito chiuso profondo. Un sistema chiamato Eavor Loop è operativo in Alberta, Canada. È dotato di un unico foro praticato per circa 1,5 miglia, quindi lateralmente per una lunghezza simile attraverso formazioni geologiche estremamente calde, e poi di nuovo in superficie. L'intero foro è rivestito con tubo e quindi riempito di fluido. È una specie di radiatore naturale. Mentre la soluzione di trasferimento del calore viaggia attraverso la lunghezza del tubo, viene riscaldata dalle alte temperature del suolo e quindi fluisce in superficie.

Un'illustrazione di come funzionano le varie tecnologie geotermiche.
Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

A causa della natura della termodinamica – l'acqua calda è più leggera di quella fredda e sale – questo sistema non ha bisogno di una pompa e funziona continuamente da solo, una sorta di produttore di energia a moto perpetuo. Una struttura di prova è operativa in Alberta, secondo Eavor, ma i dati non sono stati resi disponibili al pubblico. Un altro pozzo simile è stato perforato da Eavor in Baviera, in Germania.

Michael Liebreich, presidente del consiglio di amministrazione di Eavor e uno dei principali analisti del settore con BloombergNEF – una società di ricerca sull'energia pulita – ha dichiarato al sito di notizie online Recharge che "sarebbe dannatamente vicino al Santo Graal come puoi ottenere … se può essere fatto a un prezzo accessibile. "

Il tester è incuriosito dalle affermazioni fatte per il concetto di circuito chiuso profondo Eavor, ma ha affermato che è difficile valutare quanto bene funzioni la tecnologia perché i dati sulle sue prestazioni non sono stati resi pubblici. "Penso che funzionerà", ha detto. "È una questione di quanto bene."

Tester crede fermamente in una tecnologia chiamata geotermia profonda ad anello aperto, nota anche come estrazione di calore. In un sistema a circuito aperto, il fluido viene pompato ad alta pressione lungo un foro di perforazione rivestito per rompere la roccia calda e aumentare la sua superficie, essenzialmente un tipo di fracking. Quindi l'acqua viene iniettata in un pozzo, riscaldata naturalmente dalla geologia, e pompata fuori da un pozzo di produzione. I due pozzi si trovano nelle stesse vicinanze geologiche, ma non sono collegati.

Il sistema geotermico Eavor Loop non necessita di una pompa per funzionare, con l'acqua calda che sale naturalmente in superficie e l'acqua fredda che affonda naturalmente.
Per gentile concessione di Eavor

Tester sta aiutando a pianificare e implementare un tale sistema per Cornell, con le perforazioni che dovrebbero iniziare questa primavera. Tre o quattro coppie di pozzi saranno perforate fino a tre miglia e ogni pozzo costerà $ 6 milioni o $ 7 milioni. Con l'impianto idraulico, i controlli e il monitoraggio della sismicità, l'intero sistema potrebbe alla fine costare circa $ 100 milioni, pagati dal governo e da fonti private, afferma Tester.

Questo è un prezzo elevato, ma Tester afferma che se la geologia si dimostrerà praticabile, il sistema fornirà tutto il calore per il campus da 30.000 persone per molti decenni a venire. I costi correnti per la manutenzione del sistema saranno trascurabili, dice Tester, e se un prezzo federale sul carbonio fosse mai adottato, l'investimento in un costoso geotermico diventerebbe più attraente.

Mentre la geotermia profonda è nelle prime fasi negli Stati Uniti, altri paesi hanno fatto passi da gigante ed è una tecnologia collaudata. L'Islanda, un'isola vulcanica, ha una pletora di risorse di acqua calda e ha implementato la geotermia profonda insieme a abbondanti fonti vicino alla superficie. Più del 90 per cento dei cittadini del paese ha case riscaldate dal calore diretto del geotermico.

Con l'esperienza tecnica degli ingegneri islandesi, i cinesi hanno implementato numerosi sistemi geotermici, in parte per eliminare l'inquinamento soffocante dovuto alla combustione del carbone. "In un decennio, i cinesi sono diventati il ​​più grande distributore al mondo di teleriscaldamento geotermico", ha affermato Tester. È una componente importante nella transizione della nazione dai combustibili fossili.

Per crescere come soluzione, la geotermia deve superare notevoli barriere finanziarie e tecniche.

Sotto Parigi, il Dogger Aquifer, utilizzato per la prima volta per il teleriscaldamento nel 1969, ora fornisce acqua calda a 250.000 case ed è in espansione. Il progetto perfora fino a 1,2 miglia per attingere l'acqua calda, la pompa in superficie, la distribuisce intorno a Parigi e la reinietta nella falda acquifera.

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Anche la Germania sta andando alla grande con la geotermia. Monaco, ad esempio, ha l'obiettivo di trasformare la città interamente in teleriscaldamento. Un grande impianto geotermico profondo dovrebbe entrare in funzione nel 2021 per fornire acqua calda teleriscaldamento a 80.000 famiglie, aggiungendosi ad altri impianti in tutta la Germania che stanno attingendo alle risorse geotermiche. Gli esperti ritengono che la Germania possa passare da 1,2 terawattora (TWh) di calore dal geotermico oggi a 100 TWh entro il 2050.

Con la loro esperienza nella perforazione profonda e la conoscenza di ciò che si trova alla base dei buchi profondi, le compagnie petrolifere e del gas stanno esplorando la geotermia profonda. Gli ingegneri della piccola città di Hinton, Alberta, stanno studiando la fattibilità di convertire alcuni dei 4.000 esistenti fori di trivellazione per petrolio e gas in pozzi geotermici. La temperatura nella parte inferiore di alcuni fori raggiunge i 140 gradi Celsius – 284 gradi F.

Perché, se la geotermia è così promettente, la geotermia del distretto profondo è rimasta indietro rispetto ad altre fonti di energia pulita? Il motivo principale sono i costi iniziali elevati. "Per crescere come soluzione nazionale, la geotermia deve superare barriere tecniche e non tecniche significative al fine di ridurre costi e rischi", ha scritto Hamm del DOE nella sua introduzione al rapporto GeoVision. "L'esplorazione del sottosuolo necessaria per l'energia geotermica è la prima tra queste barriere, dati i costi, la complessità e il rischio di tali attività".

Un pozzo di iniezione presso l'impianto geotermico San Emidio in Nevada.
Dennis Schroeder / NREL

Gli esperti dicono che i governi devono aiutare a finanziare progetti geotermici e essere coinvolti in prima linea per mitigare il rischio. "Devono essere messi in atto ulteriori incentivi", ha detto Francisco La Camera, direttore generale dell'Agenzia internazionale per le energie rinnovabili, ha dichiarato a Thinkgeoenergy.com, un sito web di settore. "È fondamentale che tutti i rischi e i costi della prima fase siano presi in considerazione dai responsabili politici per rendere la geotermia più attraente".

Negli Stati Uniti, Tester prevede un passaggio graduale al teleriscaldamento trasformando prima basi militari, ospedali, scuole, università e complessi governativi statali e federali con finanziamenti pubblici e privati.

Un potenziale problema, sebbene raro, è che la perforazione profonda e il fracking sono noti per indurre sismicità e causare terremoti. Il famoso esempio è un sistema geotermico potenziato perforato a Pohang, Corea del Sud nel 2017. L'iniezione di fluido ad alta pressione per fratturare la geologia calda per rilasciare calore ha causato un terremoto di magnitudo 5,4 – il più forte nella storia recente dell'area – che ha ferito 135 persone e ha causato quasi 300 milioni di dollari di danni.

"Certamente c'è sismicità con tutto ciò che fai sottoterra", ha detto Tester. “Il controllo e il monitoraggio di questo è di solito ciò che viene fatto in qualsiasi iniezione nel sottosuolo. Non la vedo come la sfida più grande per il geotermico … La sfida più grande è la produttività. Assicurare che questi sistemi collegati tra pozzi di iniezione e pozzi di produzione producano abbastanza fluido da giustificare l'investimento economico per perforare a quel tipo di profondità. "

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La geotermia è destinata a svolgere un ruolo importante nel futuro dell'energia pulita nel mondo, ritengono molti esperti, ma dovrà essere abbinata ad altre tecnologie. "Eolica, solare, geotermica e anche nucleare", ha affermato Tester. "È una strategia all-of-the-above".