Torino e le “gallerie geotermiche”: dalla metropolitana la climatizzazione degli edifici

Come appare sempre più evidente, le energie rinnovabili saranno assolutamente vincenti nella misura in cui sapranno valorizzare la loro coralità, esaltando al meglio tutte le loro caratteristiche, colmando mutuamente, nel contempo, le loro limitazioni.

 

In questo senso è fondamentale l’ideale abbraccio tra cielo e terra, con energie rinnovabili idealmente “epigee”, cioè di matrice solare come fotovoltaico, solare termico, idroelettrico, biomasse, etc. e quella grande risorsa “ipogea”, che viene cioè dal sottosuolo terrestre, nota a tutti come geotermia. Proprio questa poliedrica e multiforme energia rinnovabile, ci fornisce ogni giorno nuovi spunti di utilizzazione, proprio in quell’ambito urbano reso progressivamente meno vivibile proprio a causa dei combustibili fossili che hanno accompagnato la forte urbanizzazione degli ultimi decenni. Una nuova linea di ricerca e sviluppo sul fronte della geotermia a bassa entalpia, realizzabile cioè in ogni luogo del pianeta, ci giunge da Torino. Si tratta di una nuova soluzione ingegneristica lanciata dal team di Marco Barla, del Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica del Politecnico di Torino che sta portando avanti un progetto basato sulla utilizzazione dell'energia prodotta dalle gallerie della linea 1 della metropolitana torinese, costruita in occasione delle Olimpiadi del 2006 e che collega oggi le stazioni di Porta Nuova e Lingotto, per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici circostanti la quale, pur essendo meno performante in termini di scambio termico rispetto ai classici scambiatori a pozzo o sfruttando direttamente l'acqua di falda, dal momento che il vuoto di aria all'interno della galleria è uno scadente conduttore di calore, apre decisamente ulteriori interessanti ambiti applicativi di installazione.  L’idea di base del team di progetto del Politecnico di Torino è centrata sulla attivazione termica dei rivestimenti delle gallerie urbane che può consentire di sfruttare l’inerzia termica del sottosuolo, in luogo dei pozzi, per la climatizzazione degli edifici in superficie, a valle di una modellizzazione numerica che ha permesso la quantificazione della potenza di scambio termico e lo studio degli effetti dell’attivazione termica del rivestimento della galleria sulla falda preesistente.

Nei 10 metri sotterranei della metro la temperatura si attesta sui 14,4 gradi fissi. In inverno lo scambio di energia che avverrà fra le due superfici porterà maggior calore nelle case, mentre in estate, quando la temperatura in superficie sarà più alta rispetto a quella della metro avverrà il processo inverso.

La nuova sperimentazione interesserà Piazza Bengasi, capolinea del prolungamento sud della Metro torinese di 1.9 km, con le prime le prime trasmissioni termiche che saranno effettuate già a partire da marzo, con il team del Politecnico torinese già orientato verso l’obiettivo di dare in licenza il brevetto, con alcuni Paesi europei che hanno già formulato la richiesta fra i quali la Polonia, che vorrebbe applicare il sistema progettato a Torino alla metro di Varsavia.

Un utilizzo, quello della geotermia in strutture sotterranee, iniziato una trentina di anni fa in Austria ed estesosi successivamente ad altri paesi europei come Svizzera, Germania, Gran Bretagna, Francia, Russia. Le gallerie geotermiche vengono attivate termicamente con l’installazione all’interno dei conci prefabbricati in calcestruzzo di una rete di tubi in materiale plastico, all'interno dei quali scorre il fluido termoconvettore per il trasferimento del calore dal terreno agli edifici e viceversa, eseguito attraverso pompe di calore.

In riferimento al progetto torinese, è stato messo a punto un nuovo concio energetico modulare prefabbricato Enertun per la realizzazione di rivestimenti ad anelli di gallerie energetiche (vedi immagine seguente), che si presenta di semplice fabbricazione e manutenzione, economico, affidabile ed adattabile alle specifiche necessità.

Il nuovo concio Enertun può trovare applicazione nella realizzazione di gallerie in ambito urbano, dove il calore scambiato dal rivestimento può essere direttamente utilizzato per il riscaldamento e il raffrescamento di edifici presenti in superficie. Non meno interessante però l'utilizzo in gallerie profonde o di montagna dove, pur in impossibilità di utilizzo del calore per gli edifici, data la maggiore distanza dei potenziali utilizzatori, il calore geotermico può trovare applicazione per evitare la formazione di ghiaccio sul manto stradale in inverno o nel raffreddamento dell’aria interna della galleria, in risposta ad un problema di grande rilevanza in caso di trafori profondi. La porzione di linea interessata alla sperimentazione è collocata nella parte Sud-Est della città e include due stazioni (Italia ‘61 e Bengasi), due pozzi di ventilazione (PB1 e PB2), un pozzo terminale (PT) e un’intersezione per consentire il futuro collegamento con la stazione ferroviaria del Lingotto (vedi immagine seguente).

Lo scavo, che presenta una profondità media del tratto di galleria di 21,5 m con lo scambio che avviene al di sotto del livello di falda, è realizzato con TBM EPB. Il rivestimento della galleria è costituito da sette conci prefabbricati per ogni anello, i quali hanno profondità di circa 1,4 m. Mediante le analisi numeriche ad elementi finiti già descritte si è determinata la resa termica dello scambiatore geotermico con funzionamento in modalità riscaldamento e raffrescamento. Grazie alla disposizione innovativa delle sonde geotermiche, per cui i tratti lineari della rete di tubi sono orientati nella direzione di sviluppo principale del concio, è possibile conseguire la migliore operatività attraverso la massimizzazione dell’efficienza di scambio termico e la minimizzazione delle perdite di carico dell’impianto.

Sul piano del risultato del calcolo nel caso di un flusso di acqua di falda di 1,5 m/gg, condizioni geometriche, geotecniche e termoidrauliche relative al caso della metropolitana di Torino e funzionamento in condizioni invernali (estrazione di calore dal sottosuolo), è stato aclcolato un incremento del 6,1% in termini di W/m2 che possono essere scambiati dal concio Enertun.  Altro significativo vantaggio del nuovo concio è costituito dalla diminuzione delle perdite di carico, che è stato elaborato essere compresa tra il 20 e il 30% in ogni singolo anello di rivestimento, a parità di altre condizioni quali geometria, diametro e profondità della galleria, per effetto del fatto che le curve della rete di tubi interna al concio sono in numero inferiore rispetto ai conci ove la tubazione è allineata con l’asse longitudinale della galleria.

Ipotizzando un funzionamento dell’impianto per 1.800 ore annue in riscaldamento e per 1.400 ore annue in raffrescamento si è determinata l’energia termica che il sistema sarebbe in grado di fornire ad una o più utenze (ad esempio la nuova torre della Regione Piemonte). Questo ha consentito di determinare il costo annuo per produrre tale energia e confrontarlo, in via preliminare, con le altre tipologie di impianti geotermici (a ciclo chiuso con sonde verticali ed a ciclo aperto ad acqua di falda) e con gli impianti tradizionali, utilizzando gli attuali costi dei combustibili in Italia. Si è tenuto conto del costo aggiuntivo necessario per l’attivazione della galleria che è stato calcolato essere inferiore all’1% del costo di realizzazione della galleria stessa. La galleria energetica si è rivelata molto più vantaggiosa con l’eccezione del confronto con i sistemi geotermici a circuito aperto rispetto ai quali però il concio energetico, non utilizzando direttamente l’acqua di falda, presenta il vantaggio di ridurre eventuali problemi ambientali legati all’interferenza con la stessa.

A seguire un video relativo al  workshop internazionale sulla energia geotermia "Exploiting the energy below us", tenutosi alcune settimane fa presso la sede della Città metropolitana di Torino, con una intervista al coordinatore del progetto torinese, Professor Marco Barla del Politecnico di Torino.

Sauro Secci

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