Pompe di calore geotermiche

Nel 2017 la Ball State University dell’Indiana ha chiuso l’ultima delle quattro caldaie a carbone che avevano riscaldato il suo campus per decenni. Al loro posto ha perforato circa 3.600 pozzi sotto il suo terreno e li ha collegati, attraverso due stazioni energetiche, a pompe di calore che riscaldano e raffreddano il campus. Il sistema è costato circa 65 milioni di dollari e l’università si è impegnata a ridurre le sue emissioni di gas serra di quasi 80.000 tonnellate all’anno (Wikipedia, Università di Bologna).

Una pompa di calore geotermica non è una nuova fonte di energia. È un moltiplicatore: utilizza l’elettricità per spostare il calore che è già nel terreno in un edificio, e fornisce da tre a cinque unità di calore per ogni unità di elettricità utilizzata (IEA, 2022). È maturo, affidabile e silenzioso. È anche costoso da installare, motivo per cui questa pagina dedica tanto tempo ai costi quanto alla fisica.

Che cos’è

Una pompa di calore geotermica è composta da tre parti: Anello di terra di tubo di plastica sepolto in trincee o caduti in pozzi, riempiti con acqua e antigelo; Pompa di calore delle dimensioni di un frigorifero, solitamente all’interno; e Sistema di distribuzione del calore, come radiatori o riscaldamento a pavimento. In inverno il fluido nel circuito raccoglie calore dal terreno e la pompa di calore lo concentra a 35-55 °C per l’abitazione. In estate la stessa macchina può funzionare in senso inverso, raffreddando l’edificio e rimettendo il calore nel terreno.

Le piccole case con giardini possono utilizzare anelli orizzontali posti da 1 a 2 m di profondità. La maggior parte degli altri edifici utilizzano pozzi verticali, in genere da 15 a 150 m di profondità; una casa indipendente che necessita di 10 kW di calore potrebbe aver bisogno di tre pozzi di 80-110 m (Wikipedia, pompa di calore geotermica). Intere strade e campus possono condividere un campo di pozzi trivellati attraverso un Rete termica di scambio: un circuito di acqua a temperatura ambiente che collega molti edifici, ciascuno con la propria pompa di calore.

Ecco come funziona

Una pompa di calore è un frigorifero capovolto. Un fluido di lavoro (il refrigerante) evapora a bassa temperatura in uno scambiatore di calore collegato al circuito di terra, assorbendo il calore. Un compressore comprime il vapore, che ne aumenta la temperatura. In un secondo scambiatore di calore si condensa e rilascia quel calore nell’acqua che va ai radiatori. Una valvola di espansione abbassa la pressione e il ciclo riparte.

Il moltiplicatore. Il calore erogato diviso per l’energia elettrica utilizzata è il coefficiente di prestazione, COP. Il meglio che una pompa di calore possa mai fare è il COP Carnot:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), con temperature in kelvin.

Fornire acqua a 40 °C (313 K) dal terreno a 5 °C (278 K) dopo le perdite dello scambiatore di calore dà 313 / 35 ≈ 8.9. Le macchine reali raggiungono approssimativamente metà della figura di Carnot, quindi circa 4.5. Due cose seguono direttamente dall’equazione:

• L’ascensore conta più di qualsiasi altra cosa. Ogni grado tra la sorgente e i radiatori costa efficienza. Aumentando la temperatura di flusso da 35 °C a 55 °C, il nostro COP modellato della fonte di terra scende da circa 4,5 a 3,0. Radiatori più grandi o riscaldamento a pavimento, che funzionano a temperature inferiori, rendono ogni pompa di calore migliore.
• La temperatura della sorgente è importante. L’aria esterna è più fredda esattamente quando il calore è più necessario. A −7 °C e 55 °C di flusso, un’unità a fonte d’aria nel nostro modello scende a circa 2,3; il terreno, a circa 10 °C, dà 3,0 alla stessa temperatura di flusso. Questo è l’intero vantaggio del terreno.

Il suolo è una batteria lenta. A pochi metri di profondità, le oscillazioni giornaliere svaniscono; a 10-20 m il terreno si trova vicino alla temperatura media annuale dell’aria locale e più in profondità si riscalda di circa 0,025 °C per metro (Wikipedia, pompa di calore geotermica). Il calore in esso proviene principalmente dal sole che riscalda la superficie, non dal nucleo della Terra. Un pozzo che estrae solo calore raffredda lentamente la roccia circostante nel corso degli anni, e un campo di pozzi molto denso può raffreddare più velocemente del recupero del terreno. Rimettere il calore in estate, raffreddando gli edifici, mantiene l’equilibrio. Ecco perché le reti condivise che mescolano carichi di riscaldamento e raffreddamento funzionano così bene.

Il numero stagionale. Il COP su una scheda tecnica è misurato in una condizione di prova. Quello che conta è il fattore di prestazione stagionale (SPF): il calore erogato in un intero anno diviso per tutta l’elettricità utilizzata, comprese pompe e riscaldatori di riserva. I test sul campo misurano l’SPF, che è sempre inferiore al COP di laboratorio.

I limiti del gioco

• Fisica. Il limite di Carnot limita il COP per un dato ascensore; nessun refrigerante o compressore gli sfugge. Le macchine reali sono già a circa la metà di esso, e il migliore a un po ‘di più.
• Capacità di terra. Ogni metro di pozzo può fornire solo poche decine di watt di calore, a seconda della roccia e delle acque sotterranee, quindi la domanda di calore di un edificio determina quanti metri devono essere perforati. La perforazione è il più grande costo singolo.
• Spazio e accesso. Le piattaforme di perforazione hanno bisogno di accesso; i blocchi urbani densi, gli edifici protetti e le piccole trame potrebbero non avere nessun posto dove perforare.
• Qualità costruttiva. Una casa con perdite e piccoli radiatori ha bisogno di una temperatura di flusso elevata, che riduce il COP; spesso l’isolamento e gli emettitori più grandi vengono prima.
• Prezzi dell’elettricità. Il costo di gestione dipende dal prezzo dell’elettricità diviso per il prezzo del combustibile che sostituisce. Dove l’elettricità costa più del triplo rispetto al gas per kWh, come nel Regno Unito, la pompa di calore ha bisogno di un COP annuale vicino a 3 solo per compensare i costi di gestione.
• Abilità. Una buona progettazione e messa in servizio fanno una grande differenza per il vero SPF, e le competenze degli installatori sono scarse in molti paesi.

Progetti reali, misurati

Progetto	Dove, quando e come	Scala	Cosa viene segnalato
Test sul campo Fraunhofer ISE, WPsmart in stock	Germania, abitazioni esistenti costruite tra il 1850 e il 2001, monitoraggio dal 2017	Sistemi aereo-terrestri nelle abitazioni occupate	SPF annuale: fonte terrestre circa 4,1 (range da 3,3 a 4,7), fonte di aria circa 3,1 (range da 2,5 a 3,8) (Fraunhofer ISE)
Sistema geotermico della Ball State University	Muncie, Indiana, USA, completato nel 2017	Circa 3.600 pozzi, due centrali elettriche, circa $65 milioni	Sostituzione di tutte e quattro le caldaie a carbone; l’università si è impegnata a ridurre le emissioni di gas serra di quasi 80.000 tonnellate all’anno (Wikipedia)
Eversource pilota geotermico in rete	Framingham, Massachusetts, Stati Uniti d’America, 2024	Circa tre dozzine di case e edifici comunali su un anello di un miglio	Prima rete termica gestita da un’azienda di servizi pubblici negli Stati Uniti; tra gli utenti, un edificio scolastico, una stazione dei pompieri e alloggi pubblici; circa $18,6 milioni; la rete è prevista per raddoppiare in dimensioni (PBS NewsHour, 2025)
Colorado Mesa University geo-scambio	Grand Junction, Colorado, Stati Uniti	16 edifici, 1.2 milioni di piedi quadrati, su un circuito ambientale condiviso	Fornisce il 90% del riscaldamento e raffreddamento del campus; l’università riporta un risparmio energetico di $1,5 milioni all’anno (US DOE case study)
Schema di aggiornamento della caldaia	Inghilterra e Galles, dal 2022 al 2026	82.651 contributi versati per pompe di calore e caldaie a biomassa entro aprile 2026	La fonte geotermica è una piccola minoranza: il 98% delle applicazioni riguarda pompe di calore aria-acqua (DESNZ, 2026)

Le reti di riscaldamento di quinta generazione in Europa, circuiti a temperatura ambiente che condividono il calore tra gli edifici attraverso pompe di calore individuali, sono state riviste in decine di siti (Buffa et al., 2019). La loro efficienza dipende in gran parte da quanto bene riscaldamento e raffreddamento richiedono l’equilibrio.

Quanto costa

Una pompa di calore non genera elettricità, quindi il confronto con il nostro benchmark a livello di sito (solar rooftop a circa $0.19 per kWh Nella città Modello Fan Wall, all’interno della gamma di Lazard del giugno 2026 $0.09 to $0,20 per il solare commerciale sui tetti) è indiretto: una pompa di calore geotermica trasforma ogni kWh di elettricità solare in circa quattro kWh di calore. Il concorrente diretto è una caldaia a gas, e la misura giusta è il costo per kWh di calore, compresa l’installazione.

We use UK figures because they are public and recent: median installed costs from the Boiler Upgrade Scheme for January to March 2026 (£27,352 for ground source, £13,100 for air source, both including VAT) (DESNZ); the £7,500 grant; price-cap unit rates for October to December 2026 of 26.32p per kWh of electricity and 7.97p per kWh of gas (Ofgem); the Fraunhofer field SPFs; a home using 12,000 kWh of heat a year; and 20 years at a 7% real discount rate, as on our wind page. For the gas boiler we assume £3,000 installed and 90% efficiency.

Sistema di riscaldamento	Costo installato	Costo di esercizio per kWh di calore	Costo totale per kWh di calore, nessuna sovvenzione	Con la sovvenzione di £ 7.500
Caldaia a gas	£ 3.000 (ipotizzato)	8.9p	11.2p	Non ammissibile
Pompa di calore ad aria, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	13.9p
Pompa di calore geotermica, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

Il nostro calcolo. Le spese di manutenzione e le spese di mantenimento sono escluse; sono simili per tutte le opzioni.


Il tavolo è scomodo, e dovrebbe esserlo.Ai prezzi del Regno Unito, una pompa di calore geotermica per una singola casa costa circa il doppio per kWh di calore rispetto al gas, anche con la sovvenzione, quasi interamente a causa dell’installazione. Il costo di gestione è già inferiore. L’immagine cambia quando:

• L’elettricità è più economica rispetto al gas, come in Svezia, Norvegia e Francia, o con una tariffa di tempo di utilizzo.
• Il circuito di terra dura più di 20 anni. I pozzi ben installati dovrebbero sopravvivere a diverse pompe di calore; distribuiti su 50 anni invece di 20, il costo annuale del ciclo scende di circa un quarto.
• Molti edifici condividono un campo di perforazione, riducendo i costi di progettazione, mobilitazione e perforazione per casa e consentendo ai carichi di raffreddamento di ricaricare il terreno.
• L’alternativa è il riscaldamento a gasolio, GPL o elettrico diretto, che costano più del gas.
• L’edificio ha bisogno di raffreddamento e riscaldamento, che lo stesso sistema fornisce a un piccolo costo aggiuntivo.

Dove può vincere e dove non può

Si può vincere:

• Campus, ospedali, uffici e nuovi complessi residenziali, dove un campo di perforazione serve molti edifici e sono necessari sia il riscaldamento che il raffreddamento.
• Case e fattorie fuori dalla rete del gas che sostituiscono il petrolio o il GPL.
• Climi freddi, dove le pompe di calore ad aria fanno fatica nelle settimane più fredde e il terreno mantiene la sua temperatura.
• Le strade ricostruiscono la loro rete di gas. Le reti termiche gestite da aziende pubbliche, come quella di Framingham, potrebbero sostituire le vecchie tubazioni del gas con circuiti idrici condivisi.
• Nuovi edifici in costruzione, dove i fori possono essere perforati prima delle fondazioni e il riscaldamento a pavimento mantiene bassa la temperatura di flusso.


Non può vincere:

• Singole case esistenti dove il gas è a buon mercato e l’elettricità costosa, come mostra la tabella dei costi, a meno che il prezzo di installazione non diminuisca bruscamente.
• Densi, vecchi blocchi di città senza spazio per la perforazione.
• Edifici scarsamente isolati con piccoli radiatori, fino a quando l’edificio non viene migliorato.
• Come fonte di elettricità. Usa l’elettricità; non la produce.

Ciò che è provato, plausibile e speculativo

Provato: il limite di Carnot e l’importanza del sollevamento a bassa temperatura; temperature stabili del terreno; SPF annuali misurati sul campo intorno a 4 per sistemi di sorgente terrestre ben progettati; decenni di funzionamento affidabile in Svezia, Svizzera, Germania e Nord America; sistemi su scala universitaria che sostituiscono carbone e gas.

Plausible: reti termiche di proprietà delle utility che rendono il calore geotermico accessibile per le strade ordinarie; trivellazioni molto più economiche grazie a migliori impianti, progetti standard e scala; campi di perforazione che immagazzinano il calore estivo per l’uso invernale.

Speculativo: Costi installati vicini a quelli di una caldaia a gas per abitazioni singole; pompe di calore che superano ampiamente il 60% del limite Carnot in campo; pozzi profondi (500 m e oltre) diventano abbastanza economici per l’uso in città dense.

Domande di ricerca aperte

• Perforazione più economica. La perforazione può essere il costo più grande di un sistema a terra. Piattaforme più veloci, array densi più superficiali, pile di energia nelle fondazioni e perforazioni direzionali orizzontali richiedono tutti dati sui costi reali.
• Progettazione di rete. Come dimensionare i circuiti condivisi e i pozzi in modo che il riscaldamento e il raffreddamento si bilancino nel corso dei decenni, e chi dovrebbe possederli.
• Real performance on scale. Monitoraggio indipendente di reti come quella di Framingham: SPF annuale, energia di pompaggio, tendenze della temperatura del terreno e fatture dei clienti.
• Refrigeranti a basso GWP. Pompe di calore propano e CO2 ad alta efficienza e installazione sicura in ambienti interni.
• Effetti di rete. Come milioni di pompe di calore modificano la domanda di picco invernale e come i sistemi a fonte geotermica la riducono rispetto alla fonte d’aria.
• Percorsi di retrofit. L’ordine più economico di isolamento, aggiornamenti dei radiatori e pompe di calore per diversi tipi di casa.

Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante

Le pompe di calore sono mature; le idee utili sono in circuiti a terra più economici, reti condivise e controllo più intelligente. Un modello funzionante dovrebbe fornire calore misurato, con elettricità misurata in entrata e calore in uscita.

Fase	Lavoro	La decisione che permette	Costo approssimativo	Tempo
1. studio del tavolo	Fatturato termico di edifici reali, dati del terreno da indagini geologiche, progettazione di circuiti con software standard, preventivi dei perforatori	L’idea è più economica per kW rispetto ai pozzi di oggi?	$5k to $20k	2 a 3 mesi
2. ciclo di prova	Un pozzo o un nuovo progetto di scambiatore a terra con test di risposta termica, una piccola pompa di calore, contatori di energia elettrica e calore, sensori di temperatura del terreno	Calore misurato per metro e SPF durante un inverno	$30k to $80k	Da 6 a 12 mesi
3. pilota di strada	Da 5 a 20 edifici su un circuito condiviso, un anno di dati misurati, fatture dei clienti	Costo reale per abitazione e per kWh di calore	$0.5M to $3M	Da 18 a 24 mesi


Di chi abbiamo bisogno

• Geologi e idrogeologi Per leggere il terreno e modellare i campi di perforazione.
• Imprenditori di perforazione disposti a testare nuovi metodi e condividere i costi reali.
• Ingegneri pompe di calore e HVAC per la progettazione, messa in servizio e monitoraggio.
• District energy e utility planner per reti condivise e modelli di proprietà.
• Spezialisti in fisica edilizia per il retrofit sequenziamento e gli emettitori a bassa temperatura.
• Economisti e progettisti di tariffe per un prezzo del calore equo e premiare la flessibilità.

Hai un’idea migliore?

Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero ascoltare un pitch per una forte idea energetica. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Un modello reale che produce energia; per un’idea di calore come questa, questo significa un modello che fornisce calore misurato, con la sua produzione e il suo consumo elettrico registrati su strumenti, non rivendicati. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.

Invia la tua idea attraverso il Modulo di contributo con il problema che risolve, la verifica fisica, un costo approssimativo per kWh di calore e il test più economico che potrebbe dimostrare che si sbaglia. Se hai un modello funzionante, includi il suo output misurato e come lo hai misurato. La pagina sources energy confronta questa e le altre alternative sul radar delle idee.

Fonti

1. Wikipedia. Ball State University: impianto geotermico completato nel 2017.
2. IEA (2022). Il futuro delle pompe di calore.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: pompe di calore in edifici esistenti, test sul campo.
4. Wikipedia. Pompa di calore a fonte geotermica: profondità del pozzo, temperature del terreno e il gradiente geotermico.
5. Dipartimento per la Sicurezza Energetica e Net Zero (2026). Statistiche del programma di aggiornamento delle caldaie, aprile 2026, tabelle Q1.1A e 1.1.
6. Ofgem (2026). Tariffe unitarie del massimale dei prezzi dell’energia, dal 1° ottobre al 31 dicembre 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Un’improbabile alleanza costruisce una rete di energia geotermica più pulita nella comunità del Massachusetts.
8. Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Studio di caso sulla pompa di calore geotermica: Colorado Mesa University.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. e Fedrizzi, R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. Rivista di Economia e Finanza 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. e Hawkes, A. (2012). Una rassegna delle pompe di calore domestiche. Scienze dell’ambiente e dell’energia 5, 9291.
11. Lazard (giugno 2026). Costo dell’Energia Livellato+, versione 19.
12. Local Solar System Fondazione. Il modello aperto Fan Wall: il benchmark solare sul tetto di $ 0,19 per kWh.
13. Achenbach, P.R. e Kusuda, T. (1965). Temperatura della Terra e diffusività termica in stazioni selezionate negli Stati Uniti. Ufficio Nazionale degli Standard Report 8972.
14. Wikipedia. Refrigerazione a compressione di vapore: l’evaporatore, compressore, condensatore e valvola di espansione.
15. Wikipedia. Foratura direzionale: foratura senza trincea in un arco poco profondo.