Pompe di calore geotermiche, come funzionano?

Una pompa di calore geotermica è un sistema di climatizzazione che sfrutta l’energia termica immagazzinata nel sottosuolo per riscaldare o raffrescare gli ambienti e, se integrata, anche per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS).
 
Il principio di funzionamento si basa sullo scambio di calore con una sorgente esterna, che nel caso delle pompe di calore geotermiche è rappresentata dal suolo.
 
Questa tecnologia appartiene alla famiglia delle pompe di calore, che si suddividono in due principali tipologie a seconda della fonte di energia utilizzata:

• le pompe di calore aerotermiche, che utilizzano l’aria;
• le pompe di calore geotermiche, che traggono energia direttamente dalla terra.

 

La geotermia in Italia

La geotermia è riconosciuta come una fonte di energia rinnovabile (FER) fondamentale sia per la produzione di energia elettrica sia per la generazione di energia termica. Esistono vari tipi di impianti geotermici, ma i più diffusi sono quelli ad alta entalpia per la produzione di energia geotermoelettrica e quelli a bassa entalpia per la climatizzazione.
 
Nonostante il suo potenziale, soprattutto in un Paese come l’Italia che possiede eccellenti caratteristiche geologiche, il suo impiego rispetto ad altre fonti rinnovabili risulta ancora limitato.
 
Nel settore elettrico, secondo i dati del Rapporto Statistico FER 2023 elaborato dal GSE, la geotermia ha contribuito per appena il 5% alla produzione complessiva di energia elettrica da FER, posizionandosi dietro all’idroelettrico (35%), al solare fotovoltaico (26%), all’eolico (20%) e alle bioenergie (14%). Inoltre, rispetto al 2022, la produzione geotermica ha registrato una lieve flessione del 2%, confermando la difficoltà di espansione di questa tecnologia rispetto ad altre fonti più diffuse e facilmente implementabili.
 
Il contributo dell’energia geotermica alla produzione di energia elettrica deriva dagli impianti di geotermia ad alta entalpia, localizzati prevalentemente in Toscana, dove il calore profondo della terra viene sfruttato per alimentare turbine e generare elettricità.
 

Produzione di energia elettrica degli impianti alimentati da fonti rinnovabili - Fonte: Rapporto Statistico FER 2023 elaborato dal GSE
 
Nel settore termico, la geotermia continua a rappresentare una quota modesta dei consumi di energia rinnovabile. A dominare il panorama termico è la biomassa solida, con quasi 7 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (Mtep) di energia consumata, seguita dall’energia ambiente utilizzata dalle pompe di calore aerotermiche e ibride, che ha raggiunto 2,86 Mtep. I contributi della fonte geotermica nel settore termico restano quindi ancora relativamente contenuti.
 
Per il riscaldamento, il raffrescamento e la produzione di acqua calda sanitaria in ambito residenziale e terziario, si impiega la geotermia a bassa entalpia. A differenza dell’alta entalpia, che richiede temperature superiori a 150°C e profondità elevate, la bassa entalpia sfrutta la temperatura costante del sottosuolo, generalmente compresa tra 10°C e 20°C e a profondità più contenute (10-15 metri), che alimenta sistemi a pompa di calore geotermica.
 
Il presente focus si concentra proprio sugli impianti geotermici a bassa entalpia, ideali per edifici civili, in grado di garantire comfort invernale ed estivo attraverso lo scambio termico con il suolo.
 

Energia termica da fonte geotermica - Fonte: Rapporto Statistico FER 2023 elaborato dal GSE
 

Pompe di calore geotermiche, come funzionano

L’impianto geotermico si compone di tre elementi principali: la pompa di calore, il serbatoio di accumulo e, se previsto, un bollitore per l’ACS. Questi componenti formano la cosiddetta centrale termica.
 
A differenza dell’aria esterna, soggetta a forti escursioni termiche giornaliere e stagionali, il sottosuolo mantiene una temperatura costante già a pochi metri di profondità. In inverno, questa temperatura risulta più alta rispetto all’aria esterna fredda, mentre in estate è più bassa, offrendo condizioni ideali per lo scambio termico.
 
Durante l’inverno, la pompa di calore geotermica estrae il calore dal terreno e lo trasferisce all’impianto di riscaldamento dell’edificio e, se necessario, all’ACS. Durante l’estate, il processo si inverte: la pompa cede il calore in eccesso degli ambienti interni al sottosuolo, sfruttandone la temperatura inferiore per garantire un raffrescamento naturale ed efficiente.
 

Funzionamento stagionale della pompa di calore geotermica: scambio termico con il suolo per riscaldamento invernale e raffrescamento estivo - Fonte: ©VIESSMANN
 
Questa tecnologia si basa su due circuiti distinti:

• Il circuito interno all’edificio, che distribuisce l’energia termica attraverso sistemi di emissione come pannelli radianti a pavimento, parete o soffitto, oppure ventilconvettori.
• Il circuito esterno, collocato nel sottosuolo, dove il fluido termovettore assorbe o rilascia calore in funzione della stagione e lo trasporta alla pompa di calore.

 
Grazie alla stabilità termica del terreno, le pompe di calore geotermiche garantiscono una resa elevata in ogni periodo dell’anno, indipendentemente dalle condizioni climatiche esterne.
 

Pompe di calore geotermiche: tipologie di impianto

In base alla fonte di energia primaria utilizzata per lo scambio termico, le pompe di calore geotermiche si distinguono principalmente in:
 

• Sistema acqua-acqua, che utilizza il calore presente nelle acque di falda.
• Sistema terra-acqua, che sfrutta il calore naturale del terreno.

 
Nel caso delle pompe acqua-acqua, si parla di sistema aperto. L’impianto è costituito da un pozzo di presa, dal quale viene prelevata l’acqua di falda calda, e da un pozzo di resa, dove l’acqua, una volta raffreddata, viene reimmessa nel sottosuolo.
 
Quando invece la fonte primaria è il terreno, l’impianto è definito sistema chiuso. In questo caso non avviene alcun prelievo diretto di acqua; il calore viene trasferito per conduzione tra le pareti delle tubazioni interrate e il fluido termovettore che circola all’interno delle sonde geotermiche.
 


Esempio di un impianto geotermico a sistema chiuso con sonde verticali e di un impianto geotermico a sistema aperto - Fonte: ©ROBUR
 

Sistemi chiusi: configurazioni impiantistiche

Un sistema geotermico chiuso prevede il ricircolo continuo di un fluido termovettore all’interno di tubazioni interrate, senza alcun prelievo diretto dal sottosuolo. In base alla modalità di posa delle sonde, i sistemi chiusi si distinguono in tre principali configurazioni:
 

• A sonde verticali. Sistemi a circuito chiuso, in quanto il fluido termovettore circola continuamente all’interno delle sonde. Vengono realizzati pozzi di piccolo diametro e profondità variabile (che varia da decine a centinaia di metri) all’interno dei quali sono inserite sonde in polietilene ad alta densità (HDPE) ad U, singole o doppie. Queste sonde geotermiche verticali permettono lo scambio di calore lungo l’intera profondità della perforazione, risultando particolarmente indicate in aree dove lo spazio in superficie è limitato.

 

• A sonde orizzontali. Sistemi a circuito chiuso, in questo caso le tubazioni in HDPE sono posate in trincee o sbancamenti scavati a una profondità non superiore ai 4 metri. Questa tipologia di sistema richiede ampie superfici libere da edifici, come giardini o terreni non edificati, ed è ideale in contesti rurali o residenziali con disponibilità di spazio.

 

• A sonde geotermiche con scambio termico ad acqua di falda. In questo caso le sonde operano in un sistema a circuito chiuso, nel quale l’acqua di falda stessa viene impiegata come fluido termovettore. Per il corretto funzionamento dell’impianto è necessario realizzare due pozzi, entrambi adeguatamente isolati, il primo viene utilizzato per l’estrazione dell’acqua di falda, il secondo per l’iniezione della stessa a seguito di utilizzo.

 

• A sonde geotermiche integrate in strutture di fondazione o geostrutture. Lo scambiatore geotermico a circuito chiuso per lo scambio di calore con il terreno è installato all’interno di strutture di fondazione profonde (es. pali di fondazione, ecc…);

 

• A geostrutture: si tratta di una soluzione integrata con elementi strutturali, adottata quando è necessario migliorare la portanza del terreno. Le sonde geotermiche sono installate all’interno di pali di fondazione o altre strutture portanti, che svolgono contemporaneamente una funzione statico-strutturale e di scambio termico con il suolo.

 

Costi e ostacoli delle pompe di calore geotermiche

Nonostante i numerosi vantaggi offerti dalle pompe di calore geotermiche in termini di efficienza energetica e sostenibilità, questa tecnologia non ha ancora trovato una diffusione capillare, soprattutto nel settore residenziale.
 
La principale ragione è legata ai costi iniziali elevati, dovuti alla necessità di eseguire perforazioni nel terreno per installare le sonde geotermiche, oltre alla realizzazione di studi di fattibilità e progettazioni personalizzate. Tali interventi, rispetto all’installazione di pompe di calore aerotermiche, risultano economicamente più onerosi e tecnicamente più complessi, scoraggiando molti potenziali utilizzatori.
 
A ciò si aggiunge la complessità delle autorizzazioni e dei permessi richiesti, che in alcune aree possono rallentare notevolmente i tempi di realizzazione dell’impianto. Un altro fattore determinante è la scarsa conoscenza di questa tecnologia tra i non addetti ai lavori, che spesso porta a privilegiare soluzioni più semplici e meno invasive.
 
Infine, sebbene oggi siano disponibili incentivi economici come Conto Termico, Ecobonus e Superbonus (quest'ultimo soggetto a significative modifiche e ridimensionamenti), in passato il supporto pubblico alle pompe di calore geotermiche è stato meno incisivo rispetto ad altre tecnologie rinnovabili.
 

Piccola geotermia: semplificazioni con il Decreto sonde geotermiche

Un’importante novità normativa, destinata a favorire la diffusione della geotermia in ambito urbano e residenziale, è rappresentata dal Decreto del MiTE del 30 settembre 2022.
 
Questo provvedimento, specificamente rivolto alla piccola geotermia, stabilisce le prescrizioni tecniche per la posa in opera degli impianti geotermici destinati alla climatizzazione di edifici, e introduce significative semplificazioni amministrative per la loro installazione.
 
Il decreto si applica alle piccole utilizzazioni locali di calore geotermico, definendo i casi in cui è possibile ricorrere alla procedura abilitativa semplificata (PAS) e quelli in cui l’intervento può rientrare nelle attività di edilizia libera:
 

• Un impianto geotermico a circuito chiuso è considerato edilizia libera se le sonde non superano i 2 metri di profondità (orizzontali) o gli 80 metri (verticali), la potenza termica non supera i 50 kW, e non vi sono alterazioni dei volumi o interventi strutturali sull’edificio.
• La procedura abilitativa semplificata (PAS) si applica invece agli impianti fino a 100 kW, con sonde che si estendano fino a 3 metri di profondità se orizzontali o 170 metri se verticali. In questi casi, è obbligatorio comunicare i dati dell’impianto ai nuovi registri telematici regionali, e gli enti locali sono incaricati di vigilare sulle modalità di installazione.

 

Prescrizioni tecniche e progettuali

Per gli impianti con potenza fino a 50 kW, la progettazione può basarsi su dati di letteratura o stratigrafie esistenti, senza l’obbligo di test specifici sul sito. Per potenze superiori, fino a 100 kW, è richiesto invece un TRT (Test di Risposta Termica) o una campagna di indagini geologiche e termiche per caratterizzare il sottosuolo.
 
Un altro requisito fondamentale riguarda il fluido termovettore, che deve essere a basso impatto ambientale: preferibilmente acqua potabile addizionata con glicole propilenico alimentare o altro antigelo ecocompatibile. Il decreto disciplina, inoltre, le modalità di perforazione e prevede l’obbligo di qualificazione professionale per gli installatori.
 
Grazie a questo decreto, la realizzazione di impianti geotermici di piccola taglia risulta oggi più accessibile, soprattutto nelle aree urbane, contribuendo a superare molte delle barriere normative e tecniche che in passato ne limitavano la diffusione.
 

Innovazioni tecnologiche e trend nel geotermico

Inoltre, proprio per superare gli ostacoli citati, negli ultimi anni il settore della geotermia ha conosciuto importanti innovazioni tecnologiche che stanno contribuendo a renderla più accessibile e competitiva.
 
L’introduzione di sistemi ibridi, che integrano geotermia e altre fonti rinnovabili come aerotermia e solare termico, permette di migliorare l’efficienza complessiva e adattarsi meglio alle diverse condizioni climatiche.
 
Parallelamente, la ricerca ha portato allo sviluppo di sonde geotermiche compatte, più facili da installare, ideali per contesti urbani dove lo spazio è limitato e i costi di perforazione rappresentano un vincolo.
 
Anche l’adozione di sistemi di monitoraggio intelligente, integrati con tecnologie IoT, consente una gestione ottimale dell’impianto, aumentando il comfort e riducendo i consumi. Inoltre, si stanno sperimentando reti di teleriscaldamento geotermico a bassa entalpia, applicabili in ambiti condominiali o comunitari.
 
Queste evoluzioni, se supportate da una maggiore consapevolezza e da politiche incentivanti stabili, potrebbero rappresentare la chiave per una più ampia affermazione della geotermia nel panorama delle fonti rinnovabili per il riscaldamento e raffrescamento degli edifici.