Il geoscambio, spesso detto geotermia a bassa entalpia, abbraccia tutte le tecnologie che permettono di scambiare energia termica con il terreno ad una profondità generalmente compresa entro i 200 m. In questo contesto infatti il sottosuolo presenta una temperatura variabile da 10 a 30°C, risultato dell'equilibrio termico che si instaura tra l'atmosfera e la crosta terrestre.
Sonde geotermiche, scambiatori orizzontali, pali energetici (Figura 1) e pozzi per impianti a circuito aperto (Figura 2) sono solo le più note tra una vasta gamma di geoscambiatori necessari a scambiare energia con il terreno per fornire riscaldamento, climatizzazione e acqua calda sanitaria (ACS) agli edifici tramite il lavoro di una pompa di calore (PdC). Le PdC sono una tecnologia ideata a partire dalla fine del 1800 con lo sviluppo dei primi circuiti frigoriferi alimentati da refrigeranti naturali quali acqua, ammoniaca e anidride carbonica. Dopo la firma dei protocolli di Montréal (1990) e Kyoto (1997), le PdC ora utilizzano refrigeranti sintetici o naturali con impatto nullo sullo strato di ozono (obbligatorio) e mediamente basso sull'effetto serra.
Il geoscambio è una tecnologia matura a livello mondiale, ma ancora poco utilizzata in Italia anche a causa della scarsa dimestichezza col tema da parte di professionisti, installatori e funzionari pubblici degli Enti di controllo.
Quando correttamente progettati e realizzati, gli impianti di geoscambio garantiscono costi operativi inferiori (vantaggio per il singolo) e un minor consumo di energia primaria (vantaggio per la comunità) sia rispetto ad una caldaia a gas metano sia rispetto ad una pompa di calore ad aria. Il noto fenomeno delle isole di calore urbano, osservato anche nel sottosuolo nelle principali metropoli (Figura 3), può non solo garantire efficienze complessive ancora migliori, ma essere parzialmente mitigato da questa tecnologia con opportuna pianificazione, monitoraggio e controllo.
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Il risparmio energetico è un concetto su cui si è molto dibattuto negli ultimi lustri, ma affonda le sue radici alla fine degli anni '70, quando la prima grande crisi petrolifera stimolò molti paesi industrializzati a pensare a nuovi modi di produrre e consumare energia. Grazie alla rigorosa attività di numerosi ricercatori, tecnici e professionisti in tutto il mondo è stato dimostrato che all'interno della nostra società, con cospicui ma non insormontabili adeguamenti, non solo sarebbe possibile l'integrazione di più Fonti di Energia Rinnovabile (FER), ma che il nostro pianeta ne trarrebbe un indubbio vantaggio.
Il mondo delle fonti rinnovabili si è trasformato così da utopia negli anni del boom economico a concreta possibilità all'inizio del secolo che stiamo vivendo. Fonti rinnovabili come sole, vento, calore terrestre, biomassa e acqua, ampiamente studiate nel passato recente e meno recente, sono giunte ad un livello tecnologico e di sostenibilità economica tale da coprire circa il 39% di tutta l'elettricità prodotta in Europa (il 35% in Italia – Dati Eurostat 2022). Non è da sottovalutare inoltre la significativa ricaduta positiva in merito a conflitti armati e tensioni geopolitiche, che sempre più spesso mascherano una sfida all'accaparramento delle georisorse.
Ultima dimostrazione di questo fatto è stata l'impennata dei prezzi del gas e dell'elettricità conseguente all'invasione dell'Ucraina da parte della Russia nel Febbraio 2022, che ha spinto finalmente il Ministero della Transizione Ecologica ad emanare la prima normativa nazionale sul geoscambio a circuito chiuso, il D.M. 30/09/2022, atteso da più di 10 anni.
La risorsa geotermica ha avuto un ruolo importantissimo in Italia sin dai primi anni del XX secolo, con la prima dimostrazione della possibilità di produrre energia elettrica da vapore geotermico eseguita da Piero Ginori Conti a Larderello nel 1904. L'Italia è infatti uno dei paesi leader europei nella generazione geotermoelettrica con una capacità installata pari a circa 900 MW e una produzione attuale di circa 6.1 TWh/a (UGI, 2024). Oltre alla produzione di energia elettrica tuttavia, il calore terrestre può contribuire in maniera sostanziosa a coprire i fabbisogni termici degli edifici.
Per quanto riguarda gli usi diretti del calore, e in particolare nell'ambito del geoscambio, diversamente dal comparto elettrico l'Italia risulta decisamente indietro rispetto a Svezia, Finlandia, Estonia, Austria, Danimarca e numerosi altri paesi europei (Figura 4a). Prendendo come riferimento la Svezia, indiscusso leader europeo per gli impianti di geoscambio a circuito chiuso, l'Italia ha una capacità installata pari a 0.024 MW ogni 1000 abitanti (Svezia 0.67), un consumo di energia pari a 0.19 TJ ogni 1000 abitanti (Svezia 6.22) e un numero di pompe di calore geotermiche installate pari a 274 per milione di abitanti (Svezia 53'000) (Lund e Toth, 2021; EurObserv'ER 2021).
Questi numeri impietosi nascondono tuttavia un'enorme opportunità. Secondo lo Smart Building Report 2022 del Politecnico di Milano, il patrimonio edilizio italiano, composto di circa 13.5 milioni di edifici, più del 90% dei quali ad uso residenziale (12.2 M), è caratterizzato per più del 60% da classi energetiche F e G e un consumo medio pari a circa 170 kWh/m2. Incrociando i dati, possiamo dire che in Italia solo lo 0.13% degli edifici residenziali è alimentato con una pompa di calore geotermica (circuito chiuso e aperto inclusi). Ipotizzando uno stesso rapporto edifici/popolazione per gli altri paesi europei, con tutti i se e i ma del caso, in Svezia più di un quarto degli edifici (25.7%) producono riscaldamento e ACS con un sistema di geoscambio, in Finlandia l'11.8%, in Germania il 2.3%.
Prendendo come riferimento i paesi mediterranei, più simili a noi per cultura e clima, la Slovenia è al 3.1%, la Francia all'1.5%, la Grecia allo 0.35% (Figura 4b). Al netto dell'incertezza di queste percentuali, legata ad un rapporto edifici/popolazione non necessariamente uguale all'Italia, risulta molto evidente l'enorme fetta di patrimonio edilizio che può essere coperta dagli impianti di geoscambio, con indubbi benefici sia per il singolo (riduzione delle bollette), sia per la comunità (riduzione del consumo di energia primaria) come presentato in Figura 5.
Grazie ad una rapida crescita della tecnologia negli ultimi 15-20 anni, oggi sono infatti disponibili sul mercato pompe di calore che possono alimentare terminali di riscaldamento ad alta temperatura con coefficienti di performance (COP) decisamente favorevoli. Questo significa che l'installazione di una pompa calore geotermica non è più soltanto limitata ai nuovi fabbricati in cui si installano terminali a bassa temperatura (35-40°C), ma può risultare interessante anche laddove sostituire un impianto di riscaldamento esistente costituito da radiatori a medio-alta temperatura (45-55°C fino a 70°) sia troppo dispendioso o logisticamente inapplicabile.
Il geoscambio può pertanto contribuire alla riduzione del consumo di energia primaria di gran parte del patrimonio edilizio italiano, fortemente energivoro e con impianti di riscaldamento di vecchia generazione (Smart Building Report, 2022), previo studio di dettaglio delle condizioni geologiche ed idrogeologiche sito-specifiche per garantire una progettazione a regola d'arte.
Riferimenti bibliografici:
Consiglio Europeo 2024 https://www.consilium.europa.eu/it/infographics/how-is-eu-electricity-produced-and-sold/
EurObserv'ER 2021 https://www.eurobserv-er.org/heat-pumps-barometer-2021/
Eurostat 2024 https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Renewable_energy_statistics /it&oldid=367580
Lund, J.W., Toth A.N. Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review. Geothermics 90 (2021): 101915
Kavanaugh S., Rafferty K. – Geothermal heating and cooling: design of ground-source heat pump systems, 2014, ASHRAE, Atlanta, GA, USA, 442 pp.
Previati A., Epting J., Crosta G.B. The subsurface urban heat island in Milan (Italy)-A modeling approach covering present and future thermal effects on groundwater regimes. Science of the Total Environment, 2020, 810, 152119.
Smart Building Report 2022 https://www.energystrategy.it/es-download/
Staffell I., Brett D., Brandon N., & Hawkes A. A review of domestic heat pumps. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11), 9291-9306.
UGI - Unione Geotermica Italiana 2024 https://www.unionegeotermica.it/
