Le geo-strutture energetiche: una sfida per il futuro

Questa tecnologia può sintetizzare in un unico elemento costruttivo sia le esigenze strutturali che quelle energetiche, garantendo risparmi di spazio e denaro rispetto ai geo-scambiatori tradizionali

geo-strutture energetiche
Loose soil and green grass on blue sky background

di Elisabetta Cattoni

(Rinnovabili.it) – Negli ultimi anni nella comunità scientifica è sorto uno straordinario interesse per le geo-strutture energetiche in grado di sfruttare la capacità di immagazzinamento termico del terreno come sistema di accumulo di energia. Costituite da elementi strutturali in calcestruzzo armato che integrano al loro interno scambiatori di calore impiegati per il soddisfacimento del fabbisogno energetico di strutture e infrastrutture mediante lo sfruttamento dell’energia geotermica superficiale, le geo-strutture rappresentano una tecnologia multifunzionale innovativa e a basso impatto ambientale per lo sviluppo sostenibile dei sistemi urbani.

Attualmente le geo-strutture energetiche costituiscono una sfida multidisciplinare interessante a motivo della sinergia di competenze coinvolte nell’analisi dei fenomeni associati al loro funzionamento, che spaziano dall’ambito energetico a quello geotecnico e strutturale.

L’equipaggiamento prevede che agli elementi strutturali di opere geotecniche, quali fondazioni, paratie, gallerie, vengano accoppiati sistemi chiusi – tubi in cui circola un fluido termovettore – che consentono l’assorbimento del calore dal terreno con cui sono a contatto e il suo trasferimento a pompe di calore che ne permettono l’impiego nelle diverse fasi di riscaldamento invernale e raffreddamento estivo.

Altra caratteristica peculiare è la multifunzionalità: un unico sistema assolve alla funzione meccanica di supporto di strutture e infrastrutture per cui viene progettato e al tempo stesso consente l’estrazione e/o immagazzinamento di energia termica per il fabbisogno energetico dell’ambiente costruito.

Il fattore chiave nella sostenibilità di tale tecnologia è proprio quello di sintetizzare in un unico elemento costruttivo sia le esigenze strutturali che quelle energetiche, garantendo rispetto ai geo-scambiatori tradizionali, un risparmio sia in termini di costi di installazione, sia di spazio occupato: oltre a non avere necessità di scavi aggiuntivi (le tubazioni infatti sono già inglobate all’interno dei componenti costruttivi dell’opera), c’è da aggiungere che l’equipaggiamento di strutture geotecniche con tubi per lo scambio di calore prevede costi aggiuntivi contenuti rispetto a quelli dei soli elementi strutturali, pertanto i costi di esercizio rendono le geo-strutture nel lungo periodo molto più redditizie.

Tra le principali geo-strutture si annoverano i pali, le paratie e le gallerie energetiche.

I pali energetici sono opere di fondazione profonde in cemento armato al cui interno vengono equipaggiati dei tubi in polietilene che fungono da scambiatori. I tubi con cui avviene lo scambio termico, il cui numero dipende dal flusso di calore richiesto e dalle caratteristiche geometriche del palo, sono fissati all’interno dell’armatura a distanze prestabilite in modo da evitare interferenze. 

Il fluido termovettore che circola all’interno del sistema di tubi inserito nei pali è generalmente acqua, a cui può essere aggiunto del glicole con la funzione di antigelo. Al di sotto della platea di fondazione, che si trova alla testa dei pali energetici, tipicamente è installato un sistema di tubi orizzontali che convoglia il fluido termovettore ad un distributore, con la funzione di raccordo dei flussi provenienti dai diversi pali in uno unico flusso diretto alla pompa di calore. 

Recentemente si è diffusa anche la tecnologia delle pareti energetiche che, oltre alla funzione di sostegno svolta dai diaframmi, consente lo sfruttamento dell’energia geotermica del sottosuolo attraverso dei tubi scambiatori di calore che vengono sepolti nel calcestruzzo, dopo essere stati posati e serrati alla gabbia di armatura del diaframma stesso, tramite elementi di fissaggio.

I tunnel energetici sono caratterizzati da notevoli superfici di contatto con il terreno e tipicamente raggiungono profondità tali da consentire lo sfruttamento di elevati gradienti geotermici. Il calore scambiato dal tunnel con il sottosuolo circostante può essere portato in superficie a scopi di riscaldamento e condizionamento civile. Nei tunnel energetici il sistema di assorbitori di calore può essere disposto nel rivestimento della galleria e/o in altri elementi quali ancoraggi, chiodature e geosintetici. 

Nel caso di tubi scambiatori inseriti all’interno del rivestimento, il sistema di tubi in polietilene con diametro e spaziatura predefinita viene incorporato all’interno dell’armatura con sistemi di fissaggio e disposto a serpentina, in modo da sfruttare al meglio la superficie di terreno con cui è a contatto.

Nelle gallerie eseguite con scavo tradizionale il sistema di tubi viene fissato solitamente all’interno dell’arco fra il rivestimento provvisorio e quello definitivo. La serpentina può essere anche inserita all’interno di un tessuto sintetico che ne semplifica il montaggio e lo stendimento, permettendone l’applicazione direttamente sul rivestimento provvisorio lungo lo sviluppo longitudinale della galleria.

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