Un nuovo studio mostra il potenziale dei sistemi d’accumulo di energia termica in falda per alleviare lo stress ambientale ed energetico derivante dai data center
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Batterie geotermiche per il raffreddamento dei data center AI
Negli ultimi anni, le applicazioni dell’intelligenza artificiale (IA) sono passate dall’essere un ambito della ricerca IT ad un settore commerciale del valore di migliaia di miliardi di dollari. Un’evoluzione esponenziale che sta aumentando con la stessa velocità anche il fabbisogno energetico dei data center dedicati.
La voce che pesa di più sui consumi? Naturalmente quella legata alla potenza di calcolo. Basti pensare che un semplice quesito su un grande modello linguistico – come Gemini o ChatGPT – consuma circa 3 Wh, ossia dieci volte di più di una ricerca su Google.
Tuttavia la domanda energetica dei server è solo una parte del fabbisogno totale. A incidere sono anche i sistemi di archiviazione, le apparecchiature di rete, i sistemi di raffreddamento e controllo ambientale, dei gruppi di continuità più una serie di voci legate agli edifici (es. illuminazione).
Quanto comsumano i data center?
E il peso di tutte queste attività messo insieme si sente chiaramente sulla bolletta elettrica mondiale: nel 2024, tutti i centri dati (AI e non) hanno rappresentato circa l’1,5% del consumo mondiale di elettricità, pari a 415 terawattora (TWh); nel 2030 dovrebbero raggiungere i 945 TWh sotto il traino dell’Intelligenza artificiale, pari a poco meno del 3% del consumo elettrico mondiale.
Frenare la crescita di tale domanda è oggi un imperativo per potenze come Stati Uniti, Cina ed Europa dove si concentra l’85% dei consumi globali di elettricità dei data center.
Una delle vie da subito percorribili è lavorare sui sistemi di raffreddamento, responsabili del 10%-39% dei consumi (la quota varia anche a seconda dell’energia richiesta dalla potenza di calcolo). È qui che entra in gioco un nuovo studio, condotto dai ricercatori dell’Illinois State Geological Survey Yu-Feng Lin e Andrew Stumpf e dalla ricercatrice post-dottorato Upasana Pandey, che analizza l’accumulo di energia termica in falda (ATES) como soluzione tecnicamente fattibile per il raffreddamento dei data center. L’indagine si focalizza sugli Stati Uniti che da soli detengono la quota maggiore della domanda elettrica globale dei data center (il 45% nel 2024), ma risulta interessante anche per altri ambiti geografici.
Le batterie geotermiche
La tecnologia di accumulo di energia termica in falda (ATES – Aquifer Thermal Energy Storage) agisce come una sorta di batteria geotermica, sfruttando le acque sotterranee e la loro temperatura sempre costante per immagazzinare e recuperare energia termica stagionale. Nel dettaglio d’estate l’acqua può essere estratta da un “pozzo freddo”, fatta passare attraverso uno scambiatore di calore per raffreddare i server e, una volta riscaldata, reiniettata in un “pozzo caldo” separato. D’inverno il flusso verrebbe invertito. L’acqua accumulata nel pozzo caldo può essere usata per riscaldare gli edifici vicini o alimentare reti di teleriscaldamento. E una volta ceduto il calore, essere reimmessa nel pozzo freddo, pronta per il ciclo successivo.
Ben inteso le batterie geotermiche non rappresentano una novità, tecnologicamente parlando. In Europa esiste una lunga tradizione in termini impiantistici e oggi il Belgio domina il settore con circa l’85% di tutti i sistemi ATES operativi a livello mondiale, contando oltre 3.000 unità attive. Un successo legato ovviamente alle favorevoli condizioni idrogeologiche del Paese oltre che ad un quadro normativo di supporto. Seguono Svezia, Belgio e Danimarca che insieme rappresentano circa il 10% delle installazioni globali.
Tuttavia rendere queste tecnologie parte attiva del raffreddamento dei data center per l’AI, richiede una serie di valutazioni ulteriori.
ATES a bassa e alta temperatura
Innanzitutto la ricerca distingue tra due tipi di accumulo termico in falda in base alla temperatura di stoccaggio: gli ATES a bassa temperatura (LT-ATES) e gli ATES ad alta temperatura (HT-ATES). I primi vengono generalmente “caricati durante la stagione calda iniettando calore di scarto nell’acquifero a temperature fino a circa 25 °C e spesso operano in combinazione con una pompa di calore. Al contrario, i sistemi HT-ATES operano a temperature di accumulo significativamente più elevate, in genere superiori a 40 °C”, si legge nell’articolo pubblicato su NGWA.
Questo significa che le batterie geotermiche LT-ATES potrebbero essere adatte ai data center raffreddati ad aria o aria-liquido, le cui temperature del calore di scarto variano in genere da circa 15 °C a 30 °C Quelle HT-ATES risultano invece ideali per i moderni data center con raffreddamento a liquido che producono calore tra i 50 °C e i 60 °C.
Quanta energia si risparmia?
Il risultato? In uno scenario ideale, basato su un data center di medie dimensioni con 5 MW di raffreddamento continuo, l’uso di batterie geotermiche con un coefficiente di prestazione (COP) superiore a 10 potrebbe ridurre il consumo elettrico annuale per il raffreddamento da 14,6 GWh (sistemi convenzionali) a soli 4,4 GWh. Segnando quindi una diminuzione di circa il 70%.
Il team ha anche approfondito la questione geografica specificando come l’Illinois possa risultare particolarmente adatto a questo tipo di applicazioni grazie sia alle marcate differenze stagionali di temperatura, sia alle abbondanti falde acquifere e alla chimica del sottosuolo. Se da un lato la tecnologia esiste ed è matura e la geologia è adatta, dall’altro tuttavia esistono ancora grossi ostacoli economici. Questi sistemi presentano, infatti, costi iniziali più elevati, sebbene vantino costi operativi inferiori nel lungo periodo. Il problema? I progetti vengono valutati su orizzonti temporali di 5-10 anni, anziché sulla durata di 20-40 anni, periodo in cui offrono i maggiori benefici.
In ogni caso la ricerca offre interessanti spunti e viene da chiedersi se una soluzione simile possa essere applicata anche in Italia. Il Belpaese rappresenta un mercato in forte espansione per i data center, con oltre 25 miliardi di euro di investimenti annunciati per il periodo 2026-2028. In questo contesto Milano (con i poli di Settimo Milanese e Siziano) e Roma spiccano per progetti e capitali raccolti, ma se dovessimo focalizzarci sulle potenzialità del sottosuolo, dal punto di vista idrogeologico la Pianura Padana potrebbe apparire la più adatta grazie alle diverse falde acquifere sovrapposte.
L’articolo “Aquifer thermal energy storage: groundwater for efficient data center cooling in the United States” è disponibile online.
