La climatizzazione degli edifici mediante l’energia geotermica costituisce una tecnologia particolarmente promettente dal punto di vista energetico e ambientale, adatta sia per le ristrutturazioni che per le nuove costruzioni. Il sistema di climatizzazione preleva calore a bassa temperatura dal terreno o dall’acqua di falda, garantendo un livello termico costante durante la stagione invernale e estiva e un rendimento poco influenzato dalle variazioni climatiche esterne. La tecnologia è molto competitiva rispetto ad altri sistemi di climatizzazione in quanto sfrutta una fonte rinnovabile, non produce emissioni di anidride carbonica e massimizza il rendimento energetico, ottenendo una buona efficienza.

In inverno la temperatura del terreno è relativamente più calda di quella dell’aria mentre, al contrario, in estate è più fredda. Inoltre, a partire da pochi metri di profondità, la temperatura si mantiene costante durante tutto l’anno. Le oscillazioni termiche stagionali possono essere trascurate già a partire da 20 metri di profondità, dove la temperatura si stabilizza intorno ad un valore medio. Pertanto, è possibile estrarre calore dal terreno in inverno per riscaldare con un’efficienza molto elevata e cedere calore al terreno in estate per raffrescare.

Per stabilire le aree in cui è più conveniente realizzare un impianto geotermico ci si riferisce alle mappature della risorsa geotermica (cosiddetto Geothermal ranking) del pianeta. Esistono anche mappe più specifiche del territorio italiano che, in linea di massima, è caratterizzato dalla presenza di rocce permeabili ricoperte da zone impermeabili, che creano le condizioni favorevoli per la formazione di risorse geotermiche. In particolare, le aree della fascia preappenninica della Toscana, del Lazio e della Campania e di alcune isole vulcaniche del Tirreno e di una parte della Sardegna hanno una temperatura superiore a 150 °C entro 3 km di profondità. La Lombardia, l’Emilia Romagna, alcune zone dell’Abruzzo, del Molise e della Basilicata e le isole maggiori hanno una temperatura compresa tra 50-150 °C alla medesima profondità. In linea generale, quindi in Italia la predisposizione alla geotermia è piuttosto buona.

Il principio di funzionamento di una pompa di calore è quello di scambiare calore con una sorgente esterna. A seconda della sorgente le pompe di calore si possono dividere in due macro-famiglie: pompe di calore aerotermiche, in cui la sorgente esterna è l’aria; pompe di calore geotermiche, in cui la sorgente esterna è il suolo.

In Italia, tra i sistemi di climatizzazione a pompa di calore, sono maggiormente diffusi quelli ad aria rispetto a quelli a sonda geotermica, nonostante i secondi siano superiori per efficienza, durata e convenienza sul lungo periodo. La preferenza verso le pompe di calore ad aria in realtà esiste anche nel resto d’Europa, ma è molto meno pronunciata che da noi. In media nel continente europeo il 4,7% della potenza installata in pompa di calore è da geotermiche e il resto da aerotermiche, con percentuali che però crescono nel Nord Europa, toccando una punta del 77% in Polonia. In Italia, il paese di nascita della geotermia, le pompe di calore geotermiche rappresentano solo lo 0,0073% sul totale di potenza installata.

Ciò che cambia fra pompe di calore geotermiche e pompe di calore ad aria è la sorgente del calore: la prima lo estrae (o lo immette) dal sottosuolo, a decine di metri di profondità, la seconda lo estrae (o immette) dall’aria esterna. Il sottosuolo alle profondità usate dalle pompe geotermiche, intorno ai 100-150 metri, ha una temperatura che si aggira sui 12 °C tutto l’anno, e la pompa funziona quindi sempre a regime costante, al massimo rendimento. L’aria usata dalle pompe di calore ad aria, invece, varia enormemente di temperatura durante giorni e stagioni, costringendo a far operare la pompa quasi sempre lontano dall’optimum. Il risultato è che le prime hanno una efficienza del 33-50% superiore alle seconde, con consumi elettrici, nei casi migliori, trascurabili, mentre i consumi delle pompe di calore ad aria, possono essere significativi, soprattutto nei climi freddi, quando la pompa fa una gran fatica a estrarre dall’aria il calore necessario. E questo può spiegare in parte la diffusione delle pompe di calore geotermiche in nord Europa.

Nel caso delle pompe di calore geotermiche si deve poi anche valutare il tipo di terreno in cui si opera, che può essere più o meno adatto allo scambio di calore. I terreni alluvionali sabbiosi e saturi di acqua sono ideali, quelli rocciosi e secchi i meno adatti. Anche la temperatura del sottosuolo conta: non deve essere bassa, ma neanche troppo alta. Per progettare bene l’impianto, quindi, serve una consulenza geologica.

In compenso, usando solo elettricità, e meno di quelle ad aria, le pompe geotermiche, consentono un proficuo accoppiamento con il fotovoltaico.

Il fattore determinante della scarsa attrazione che le pompe geotermiche hanno in Italia è comunque il loro prezzo. Tuttavia le pompe geotermiche, anche se più costose, con i loro minori consumi e manutenzione, permettono di recuperare il maggiore investimento in pochi anni, sia rispetto alle pompe ad aria che alle caldaie a gas. La differenza di costo è dovuta in buona parte alla fase di perforazione dei pozzi di scambio, dove c’è poca possibilità di scelta: bisogna affidarsi ad una ditta locale, e i prezzi possono essere alti, specialmente in ambito urbano.

Per evitare le perforazioni si potrebbero usare come sorgente di calore le acque di pozzi già scavati e usati per irrigazione o acqua potabile. Questo è possibile ma l’acqua di ritorno al pozzo sarebbe più calda o più fredda di quella attinta e le normative sono molto severe in proposito, soprattutto nel caso di acque potabili.

Impianti di medie dimensioni a pompa geotermica, per condomini, aziende, scuole o uffici, nuovi o profondamente ristrutturati, sono quelli che consentono i migliori vantaggi in termini di recupero dell’investimento e risparmi successivi per i decenni di vita dell’impianto.

Grandi impianti, che superino i 2 MW di potenza termica, sono da noi molto difficili da realizzare, in quanto la legge italiana li equipara ai pozzi geotermici per la produzione elettrica, richiedendo quindi adempimenti autorizzativi molto complessi e costosi come le valutazioni di impatto ambientale.

L’impianto a energia geotermica è costituito da tre componenti principali: una struttura che scambia calore con il terreno o con le acque di falda, una o più pompe di calore dedicate al riscaldamento e al raffrescamento e un sistema di emissione/estrazione del calore inserito all’interno dell’edificio. Il principio di funzionamento dell’impianto geotermico è semplice: il calore del suolo viene scambiato per conduzione attraverso un corpo freddo collocato al suo interno (la sonda geotermica). L’energia termica è ceduta alla pompa di calore, che trasferisce il vapore ad alta temperatura al sistema di emissione posto all’interno dell’edificio (pannelli radianti, radiatori, fan-coil, …). Il processo può essere invertito in estate, facendo circolare nei tubi l’acqua ad alta temperatura che cede calore alla sorgente esterna. Il calore può anche essere utilizzato per produrre acqua calda.

Nel caso di utilizzo di acqua come fonte primaria di energia si parla di sistema aperto, formato da un pozzo di presa per il prelievo dell’acqua calda ed un pozzo di resa per una re-immissione dell’acqua fredda.

Quando la fonte primaria è il terreno si parla di sistema chiuso. In un sistema chiuso non avviene alcun prelievo, ma solo lo scambio termico per conduzione tra pareti delle tubazioni sottoterra e il fluido termoconvettore all’interno delle sonde.

Un sistema chiuso può essere:

- A sonde verticali, vengono creati dei pozzi di diametro ridotto e di profondità variabile al cui interno sono inserite delle sonde in polietilene ad alta densità HDPE. La sonda geotermica verticale scambia su tutta la lunghezza della perforazione il calore con il sottosuolo;

- A sonde orizzontali, le tubazioni di polietilene ad alta densità HDPE sono installate in trincee scavate fino ad una profondità di 2 mt. Questa tipologia di sistema richiede grandi superfici libere da costruzioni.

Il dimensionamento dell’impianto geotermico si basa sulle esigenze di climatizzazione dell’edificio e, pertanto, è buona prassi in fase progettuale predisporre un efficiente sistema di isolamento dell’involucro edilizio. In primo luogo, si stabilisce la dimensione, il numero e la disposizione delle sonde. A questo scopo è necessario conoscere le caratteristiche e la conducibilità termica del suolo, l’altezza della falda, l’assenza di tubazioni elettriche, idriche e del gas, lo spazio disponibile per l’istallazione dell’impianto e del cantiere. Per un dimensionamento ottimale è possibile utilizzare dei software che creano un modello termico del pozzo, partendo dalla geologia e dai dati di conducibilità del terreno. I più noti sono Earth Energy Designer (EED) sviluppato dall’Università di Lund, Pilesim e Pilesim 2 realizzati dall’Università di Lugano. In linea di massima, il sovradimensionamento delle sonda non comporta rischi particolari per l’impianto, ma costi di messa in opera più elevati. Al contrario, il sottodimensionamento delle sonde può provocare l’aumento dei consumi elettrici e l’impoverimento del terreno. Nel primo caso, la pompa di calore per produrre un medesimo quantitativo di acqua calda richiede una potenza elettrica maggiore ai sistemi di emissione, abbassando il suo Coefficient Of Performance (COP). Nel secondo caso, il funzionamento continuo della macchina può portare all’innalzamento termico del terreno che, a sua volta, fa diminuire lo scambio di calore con la macchina e abbassare il COP.

I vantaggi di una pompa di calore geotermica sono molteplici: produzione di calore sfruttando il terreno o le falde acquifere situate nei pressi dell’edificio; prestazione costante tutto l’anno grazie al fatto di attingere da fonti di calore la cui temperatura è pressoché costante a prescindere dalle condizioni atmosferiche; Coefficiente di Prestazione elevato, soprattutto per pompe di calore professionali, che riduce di moltissimo il consumo; se combinata ad un fotovoltaico, la pompa di calore può diventare davvero molto redditizia in quanto l’energia elettrica necessaria per il suo funzionamento viene autoprodotta.

Naturalmente anche la pompa di calore geotermica ha i suoi svantaggi. Lo svantaggio principale è dato dalla complessità dell’installazione che ne aumenta fortemente il costo. Per poter installare le sonde geotermiche, infatti, è necessario trivellare il terreno e scavare dei pozzi profondi anche 150 metri e molto spesso non inferiori a 50 metri. Affinché questo sia possibile, spesso è necessario ottenere delle autorizzazioni dal Comune, specie se la casa è situata in un terreno sottoposto a vincoli. Quindi gli svantaggi di una pompa di calore geotermica sono sostanzialmente tre: installazione complessa; costo elevato; pratiche burocratiche.

Il costo di una pompa di calore geotermica non è proprio tra i più bassi. Come per tutte le altre tipologie di pompe di calore dipende sempre dalla qualità dei componenti utilizzati, dal fornitore e dal suo COP da cui dipende la resa energetica. In genere si tratta di un costo superiore del 15-30% rispetto alle altre pompe di calore. Per abbattere i costi, a volte inaccessibili, è comunque possibile usufruire delle detrazioni fiscali. Le agevolazioni fiscali oggi consentono di abbattere il costo di oltre la metà e rientrare in tempi brevi dell’investimento.

Nel corso del piano triennale di ricerca PTR 2022-2024 sarà svolto preliminarmente, con riferimento all’area territoriale del comune di Carbonia, lo studio sulla disponibilità locale della fonte geotermica attraverso la caratterizzazione idrogeologica del terreno per l’individuazione di parametri e dati necessari a valutare il possibile sfruttamento della risorsa. Partendo dallo studio sulla disponibilità locale della fonte geotermica, i risultati ottenuti consentiranno da un lato di identificare i tipi di terreno più promettenti, e le aree adatte alla perforazione in un ambiente già costruito, determinando la profondità necessaria e il numero di pozzi degli impianti geotermici per il soddisfacimento di una richiesta energetica di riferimento. Verrà quindi approfondito lo studio di uno scenario energetico a scala di quartiere sull’utilizzo della fonte geotermica. Energy team