Le pompe di calore geotermiche costituiscono una tecnologia che utilizza una fonte di energia rinnovabile per la climatizzazione estiva ed invernale degli edifici, la produzione di acqua calda sanitaria e la produzione di caldo e/o freddo nei cicli di processo industriale e alimentare.
Negli ultimi anni, il mercato delle pompe di calore geotermiche ha registrato uno straordinario sviluppo in alcuni paesi europei, quali Svezia, Germania e Francia. Tale incremento è giustificato dall’ampio potenziale di riduzione delle emissioni di CO2 e dai bassi costi di gestione che l’utilizzo di questi dispositivi comporta.
Le pompe di calore sono macchine termiche che, compiendo lavoro, trasferiscono calore da un corpo a temperatura più bassa ad uno a temperatura più alta. Il sottosuolo (generalmente a profondità inferiori a 400 m) costituisce una sorgente per l’estrazione del calore e un serbatoio per il suo stoccaggio. L’energia scambiata con il terreno, con le falde e con i corpi idrici superficiali può essere usata sia per il riscaldamento che per il raffrescamento di un edificio tramite la stessa pompa di calore, definita in questo caso pompa di calore reversibile. A fronte della rapida crescita del mercato delle pompe di calore geotermiche in Europa, in Italia, soltanto negli ultimi anni ha iniziato a svilupparsi un mercato interno.
Le pompe di calore geotermiche (in anglosassone, GSHP) sono dispositivi che combinano il funzionamento di una pompa di calore connessa con uno scambiatore a circuito chiuso (come le sonde verticali) o aperto (come acqua di falda estratta da un pozzo). In modalità riscaldamento, questi dispositivi utilizzano il sottosuolo come una sorgente di calore, mentre in modalità raffrescamento, il sottosuolo viene utilizzato per la dispersione di calore. Va specificato che le GSHP abbinate a sonde verticali sono in grado di fornire il riscaldamento e/o raffrescamento di un edificio virtualmente per qualunque sito d’installazione. Invece, il funzionamento di GSHP abbinate all’estrazione di acqua di falda e vincolato all’esistenza di adeguate caratteristiche idrogeologiche del sito interessato dall’installazione. Comunemente, ogni chilowatt (kW) di potenza elettrica utilizzata per l’esercizio di un sistema GSHP permette di estrarre più di 3 kW di potenza termica dal terreno. Le pompe di calore disponibili sul mercato garantiscono potenze termiche e frigorifere variabili tra i 3.5 e 35 kW, ove una singola unità e normalmente sufficiente per fornire il fabbisogno di un’abitazione singola o di un piccolo edificio commerciale, mentre, per edifici commerciali più grandi o per edifici istituzionali, e generalmente necessario usufruire di più unita di pompe di calore. Non creando direttamente alcun prodotto di combustione ed estraendo (o immettendo) energia dal (nel) terreno, un sistema GSHP può fornire molta più energia termica di quella elettrica che esso effettivamente consuma: un sistema basato sulle sonde verticali può operare con efficienze variabili tra il 300 e il 500% in una stagione, mentre uno basato su pozzi d’acqua può avere efficienze dell’ordine del 400-650%. Uno dei pregi legati all’utilizzo di risorse geotermiche non e tanto quello di poter usufruire di elevate temperature del sistema geotermico (in genere < 20 °C), quanto quello di poter utilizzare un sistema sorgente/serbatoio a temperatura costante durante tutto l’anno, indipendentemente dalle fluttuazioni climatiche stagionali. Per questo motivo, i sistemi GSHP sono più efficienti delle tradizionali pompe di calore ad aria e anche delle più efficienti tecnologie utilizzate per la climatizzazione, oltre ad avere, rispetto a queste ultime, costi di gestione più bassi. Se confrontate, infatti, con i sistemi convenzionali di climatizzazione ad aria, le pompe di calore geotermiche offrono una riduzione dei consumi energetici del 30-70% in riscaldamento e del 20-50% in raffrescamento. Il risparmio energetico e persino più alto se si considerano i sistemi di riscaldamento a combustione o a resistenza elettrica. In sintesi, l’utilizzo di pompe di calore accoppiate a sistemi di scambio geotermico permette di combinare una massima efficienza (e minori consumi) con un ridotto impatto ambientale, dovuto alle minori emissioni di CO2. E da specificare che un impatto ambientale potenzialmente elevato si può verificare qualora vengano eseguite una progettazione e/o un’installazione non adeguate al locale contesto geologico e idrogeologico, con una compromissione dell’integrità qualitativa delle risorse idriche sotterranee. Attualmente, nel mondo, le pompe di calore geotermiche costituiscono l’uso più diffuso del calore geotermico (circa il 60% degli usi diretti nel 2006), grazie alla loro predisposizione all'utilizzo in pressoché qualunque contesto geologico-ambientale. In Europa, la potenza termica stimata alla fine del 2008 imputabile alle pompe di calore geotermiche e stata di 8920 MWt (quasi 800.000 unita installate) e registra un andamento in continua crescita.