Gallerie energetiche: ottimizzazione termo-idraulica e studio del comportamento stagionale = Energy tunnels: thermo-hydraulic optimization and study of the seasonal behavior

La diminuzione delle riserve di combustibili fossili, l’inquinamento associato al loro sfruttamento e la crescente domanda di energia hanno portato negli ultimi decenni alla ricerca di nuove tecnologie per lo sfruttamento delle energie rinnovabili. In questo contesto si collocano le geostrutture energetiche, elementi geotecnici in calcestruzzo armato che, oltre a svolgere il compito strutturale, inglobano scambiatori termici con lo scopo di utilizzare il sottosuolo per estrarre calore in inverno e disperdere calore in estate. Tali opere offrono il vantaggio di ottenere energia geotermica a costi competitivi e con un basso impatto ambientale; questa può essere impiegata per il riscaldamento ed il raffreddamento degli edifici sovrastanti e per il de-icing delle infrastrutture. Nel presente lavoro di tesi è studiato il comportamento termo-idraulico di una galleria energetica, una particolare tipologia di geostruttura energetica, al fine di valutarne il potenziale termico e gli effetti dell’attivazione termica sul terreno, con particolare attenzione al lungo termine. Attualmente, infatti, le conoscenze relative alle gallerie energetiche, ottenute da analisi numeriche e sperimentali, sono ancora limitate e poco è noto per quanto riguarda il comportamento dopo più cicli stagionali di attivazione dell’impianto. Lo studio è condotto attraverso analisi numeriche agli elementi finiti svolte con il software FEFLOW, il quale consente di studiare il problema termo-idraulico accoppiato. Nello specifico si considera una galleria realizzata con scavo meccanizzato e caratterizzata da conci energetici di tipo ENERTUN. Il caso studio preso in esame riguarda una tratta della Linea 2 della Metropolitana di Torino, attualmente in fase di progettazione; in particolare, sono analizzate due sezioni con proprietà termo-idrauliche più e meno favorevoli allo scambio termico. Si valuta per il caso in esame la configurazione ottimale dell’impianto, in termini di anelli collegati termicamente in serie, attraverso un’analisi costi-benefici, in cui i ricavi dipendono dalla potenza termica estraibile e sono determinati attraverso analisi numeriche, mentre i costi sono legati al funzionamento idraulico del sistema. Tale configurazione è utilizzata per lo studio del comportamento stagionale, per il quale sono analizzate tre ipotesi di funzionamento dell’impianto: solo invernale, solo estivo e sia invernale che estivo. I risultati evidenziano l’importanza di studiare la fattibilità energetica ed economica dell’impianto sulla base delle condizioni in sito, in quanto questa varia sensibilmente sulla base delle proprietà del terreno, e mostrano la convenienza del funzionamento combinato invernale ed estivo dell’impianto, rispetto al funzionamento solo invernale o solo estivo, in modo da prelevare calore in inverno e restituirlo in estate, utilizzando di fatto il terreno come un serbatoio termico. Inoltre le temperature del terreno possono subire negli anni un raffreddamento o riscaldamento nell’intorno della galleria, ma le anomalie termiche sono contenute entro i 0,8 °C e si stabilizzano dopo i primi anni.