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176 brevemente, presentandone i vantaggi e le caratteristiche: con l’estrazione di calore, soprattutto nel presente caso studio, non solo si riesce a produrre un’energia sfruttabile sul lato italiano, secondo diverse finalità nei comuni limitrofi di Susa e Chiomonte, ma anche a limitare il surriscaldamento interno della galleria dovuto al traffico in esercizio, controllandone la temperatura, e riducendo la necessità di una ventilazione forzata. Si ricorda, inoltre, che delle tre possibili configurazioni del concio, distinte in base al posizionamento dei tubi (‘Air’, ‘Ground’ e ‘Ground & Air ’), è stata adottata la sola configurazione
‘Air’: quest’ultima prevede che la rete di tubi sia posizionata in prossimità dell’intradosso del rivestimento, mentre le altre due vorrebbero le serpentine in prossimità dell’estradosso (‘Ground’) o di entrambi estradosso e intradosso (‘Ground & Air’). Lo scambio termico nel caso studio avviene principalmente con l’ambiente interno della galleria.
Con il software ad elementi finiti FEFLOW è stato costruito il modello, spiegandone la geometria, giustificando le proprietà adottate per i materiali e tutte le condizioni al contorno inserite (sia idrauliche che termiche). La modellazione ha coinvolto tre coppie di anelli in serie, ognuno di lunghezza di 1,4 m, per un’estensione complessiva di 8,4 m.
Le prime analisi numeriche hanno voluto studiare l’influenza della velocità dell’aria dovuta all’effetto di pistonamento dei treni, per poi indagare, attraverso un’analisi parametrica, quali fossero le condizioni al contorno di temperatura e velocità del fluido termovettore in circolo nelle serpentine più adeguati al fine di ottimizzare l’impianto geotermico. Lo studio svolto ha mostrato che, seppur la temperatura più idonea mostrasse un unico valore pari a 24 °C per ambo le velocità di flusso che massimizzassero la potenza termica al metro q (kW/m), non si era in grado di stabilire un unico valore tra le due: piuttosto, si è scelto di analizzare il funzionamento dell’impianto e l’andamento della potenza termica con entrambi i valori di 0,6 e 0,8 m/s.
Il calcolo della potenza termica estraibile dal sistema di conci immaginati installati in galleria è stato fatto inizialmente sotto l’ipotesi di funzionamento continuo e per una durata di 10 anni: con entrambe le velocità adottate si riesce a scendere sotto i 26 °C dopo al massimo 120 giorni dall’attivazione del circuito e, quindi, sotto la massima soglia imposta da LTF (2013) di 32 °C. Dopo un anno di simulazione, la configurazione ‘Air’ riuscirebbe ad estrarre una potenza termica a monte della pompa di 2,76 - 2,78 MW, per l’intera lunghezza supposta termicamente attiva, potenza che nel tempo continuerebbe a ridursi fino al minimo stazionario di 1,75 MW (con v = 0,6 m/s) e 1,81 MW (con v = 0,8 m/s). A lungo termine sembrerebbe, dunque, più conveniente l’adozione del più alto valore di velocità del fluido, a scapito di un maggior costo operativo della pompa rispetto al valore più basso di 0,6 m/s.
Per poter dare possibilità alla risorsa di calore di ricaricarsi nel tempo, sono state svolte più analisi numeriche di tipo ciclico, così da poter anche cercare di ottenere una maggiore varietà di scenari di potenziale dall’impianto geotermico in esame; si vedrà, però, che, durante i mesi di sospensione
177 dell’estrazione di calore, la temperatura in galleria risalirà inevitabilmente oltre il limite stabilito di 32
°C (LTF, 2013) e sarà necessario un sistema di ventilazione forzata o un’alternativa a quest’ultimo per poter rientrare nei limiti imposti.
Sotto l’ipotesi di spegnimento della pompa di calore per i tre mesi estivi di Giugno, Luglio e Agosto, la potenza termica per l’intero tratto di galleria di 10 km è stato stimato pari a 3,03 - 3,05 MW dopo un anno dalla prima attivazione del sistema, per abbassarsi fino a 2,06 MW e 2,11 MW dopo dieci anni (condizioni raggiunte già all’ottavo anno di simulazione e che si manterranno costanti per gli anni successivi) con una velocità del flusso di 0,6 e 0,8 m/s rispettivamente. Anche in questo caso, dunque, si registrerebbero differenze maggiori in termini di potenziale termico ottenuto con i due diversi valori di velocità al crescere degli anni indagati attraverso le analisi numeriche.
In alternativa, si è pensato di sospendere per cinque mesi consecutivi (i tre estivi a cui si aggiungono Maggio e Settembre) e ripetere le simulazioni. Dopo un anno di analisi la potenza estraibile risulterebbe di 3,38 - 3,43 MW, rispettivamente per le velocità di 0,6 e 0,8 m/s: è dunque il tipo di funzionamento che fino ad ora manifesterebbe differenze maggiori tra i potenziali termici ottenuti adottando i due diversi tipi di flusso in riferimento ai primi 365 giorni. Dopo 10 anni, invece, questa potenza si abbasserebbe fino a 2,42 - 2,51 MW, mostrando una differenza di quasi 0,1 MW, a seconda della velocità di fluido adottata e si potrebbe concludere che l’assunzione del valore maggiore di 0,8 m/s porterebbe indubbiamente benefici più evidenti in termini di potenziale geotermico estraibile. Le condizioni stazionarie sono state raggiunte praticamente già all’ottavo anno di simulazione e, in confronto al caso continuo, permetterebbero una crescita della potenza termica associata al tunnel energetico di circa 0,7 MW o di 0,4 MW, rispetto al caso in cui si pensava di sospendere solamente per i tre mesi estivi consecutivi.
L’ultima ipotesi di funzionamento ha voluto far lavorare il circuito, e la pompa di calore, attivando quest’ultima in maniera ciclica, a mesi alterni. Dopo i primi 12 mesi, si riuscirebbe ad ottenere un range del potenziale di 3,51 – 3,61 MW (con velocità di flusso di 0,6 e 0,8 m/s), sicuramente i maggiori valori calcolati fino ad ora tra i vari meccanismi di lavoro supposti: rispetto al caso continuo si otterrebbe un incremento di potenza di 0,8 MW per il tratto che si vorrebbe attivare termicamente, incremento che si ridurrebbe fino a 0,5 MW rispetto alla tipologia di funzionamento in cui l’estrazione di calore verrebbe sospesa nei tre mesi estivi o, ancora, a circa 0,15 MW, se si andasse a spegnere l’impianto per i cinque mesi successivi da Maggio fino a Settembre. A lungo termine, le condizioni di stazionarietà verrebbero raggiunte dall’ottavo anno di simulazione e il potenziale termico associato alla galleria energetica immaginata risulterebbe circa pari a 2,5 MW, superando di circa 1,25 MW quella a lungo termine ottenuta nel caso di funzionamento continuo, di 0,45 MW circa quella ottenuta con spegnimento dell’impianto durante i tre mesi estivi e di soli 45 kW, se posto a confronto con il funzionamento con sospensione nei 5 mesi consecutivi da Maggio a Settembre.
178 Il funzionamento a mesi alterni è l’unico caso in cui le differenze energetiche, dovute ai due diversi valori di velocità di flusso del fluido, sono più evidenti nei brevi periodi, mentre si andrebbero a ridurre leggermente al crescere degli anni. Di conseguenza, adottare un valore maggiore di velocità non comporterebbe benefici energetici a lungo termine, soprattutto rispetto all’aumento delle spese economiche previste per il funzionamento della pompa di calore. Inoltre, è anche l’unico tipo di simulazione per la quale, dopo 2 anni e 8 mesi e per entrambe le velocità di flusso utilizzate, si riuscirebbe a mantenere la temperatura dell’aria interna, nei mesi in cui l’impianto viene spento, sotto la massima soglia stabilita da LTF (2013) di 32 °C.
Infine, in linea con quanto fatto dallo studio TELT (2021), si sono individuati tre scenari di disponibilità della risorsa: il primo scenario associato al potenziale termico estraibile nei primi 365 giorni, il secondo scenario associato alla potenza stimata nel tratto supposto attivo del tunnel fino al termine del quinto anno, mentre il terzo scenario riferito alla disponibilità di risorsa che si avrebbe in condizioni di stazionarietà. I risultati hanno mostrato che, in media, per le due velocità di flusso adottate di 0,6 e 0,8 m/s:
i. Il funzionamento continuo dell’impianto fornirebbe un potenziale termico di 2,77 MW nel primo scenario, per passare ad un range di 2,77 - 1,98 MW per il secondo scenario e terminare in un intervallo di 1,98 - 1,78 MW con il terzo scenario di disponibilità della risorsa a lungo termine.
ii. Attraverso un funzionamento che considererebbe lo spegnimento nei tre mesi estivi, una potenza termica di 3,04 MW sarebbe ottenuta nel primo scenario, per poi proseguire in un intervallo di 3,04 - 2,28 MW nel secondo scenario e terminare con una variazione di 2,28 – 2,09 MW nel terzo scenario di disponibilità della risorsa a lungo termine.
iii. Per un funzionamento ciclico con sospensione di circolazione del fluido nei cinque mesi consecutivi da Maggio a Settembre si avrebbe una disponibilità della risorsa di 3,41 MW nel primo scenario, per passare ad un intervallo di 3,41 - 2,65 MW per il secondo scenario e terminare con una variazione di 2,65 – 2,47 MW con il terzo scenario di disponibilità a lungo termine.
iv. Con un impianto pensato attivo per mesi alterni si calcolerebbe un potenziale termico di 3,57 MW nel primo scenario, per avere poi una variazione di quella quantità tra 3,57 e 2,68 MW per il secondo scenario e terminare con una variazione di 2,68 – 2,44 MW nel terzo scenario di disponibilità della risorsa.
Un’altra opzione potrebbe essere quella di immaginare tre fasi di disponibilità della risorsa in termini puramente quantitativi e non temporali. La fase 1 iniziale di massimizzazione della potenza termica è stata assegnata ad una risorsa di 5,54 MW (media tra i risultati avuti per le due velocità di flusso del
179 fluido di 0,6 e 0,8 m/s) estraibile dall’impianto al termine del primo mese dall’attivazione in regime continuo (limite arbitrariamente scelto). Quando questo valore, a cui è stato attribuito la soglia massima del potenziale geotermico, si ridurrebbe di 1/3, si entra nella fase 2 (scenario di disponibilità media), a cui è associata una potenza termica di 3,70 MW. Infine, quando il potenziale termico che sarebbe ottenuto per i 10 km di galleria energetica ipotizzata attiva termicamente, raggiunge i 1,85 MW (ovvero con un abbassamento di 2/3 rispetto al valore nominale di potenza), si sarebbe giunti allo scenario di disponibilità bassa (o fase 3).
Anche lo studio TELT (2021) aveva stabilito tre possibili scenari di disponibilità della risorsa geotermica, a seconda delle ipotesi sulle portate e temperatura delle acque incontrate durante lo scavo e delle loro modalità di canalizzazione. Nella condizione di massima ottimizzazione di quest’ultime, la potenza nominale stimata risultava pari a 9,3 MW, ma, come è stato detto, i loro risultati sono associati alla lunghezza totale del tunnel di base (57,5 km) e non ai 10 km di galleria energetica a cui si fa riferimento nello studio svolto in questa tesi. Estendere i risultati avuti dall’attivazione dell’impianto geotermico (con installazione dei conci energetici) a tutto il tunnel di base non sarebbe, però, corretto, poiché queste stime dipendono da più fattori (quali i valori di temperatura presenti lungo la progressiva, le condizioni idrauliche e le caratteristiche geologiche e di permeabilità dell’ammasso roccioso in cui il tunnel sarà scavato) che varieranno a seconda della porzione dell’infrastruttura considerata.
Per poter fare un confronto in termini di potenziale tra le due possibili modalità di sfruttamento della risorsa geotermica (la prima mediante canalizzazione delle portate incontrate durante lo scavo, la seconda attraverso l’estrazione di calore dalla tratta dell’infrastruttura che presenta le temperature più elevate) e in riferimento alla stessa porzione di tunnel simulata nel presente studio, si sono divise le potenze termiche stimate da TELT (2021), mostrate nei tre scenari, per la lunghezza complessiva di 57500 metri. Queste potenze al metro, calcolate su una lunghezza generica di 10 km di galleria (che può essere, quindi, anche la stessa porzione da cui si va ad estrarre calore dall’aria interna, da pk 42 a pk 52), hanno fornito una potenza nominale di 1,62 MW, una potenza media di 1,03 MW e, infine, una potenza geotermica bassa di 0,56 MW. Dal confronto quantitativo tra la potenza nominale stimata con lo sfruttamento delle acque (TELT, 2021) e le potenze che si potrebbero ottenere attraverso l’estrazione di calore da quella stessa porzione scelta di galleria (nel terzo scenario più cautelativo di lungo termine), si sono potute calcolare differenze di 0,16 MW e 0,47 MW, con l’utilizzo di un meccanismo di attivazione continuo e ciclico rispettivamente (che avrebbe previsto la sospensione nei tre mesi estivi).
Sotto l’ipotesi di un funzionamento di tipo ciclico (con sospensione dei 5 mesi consecutivi da Maggio a Settembre) e a mesi alterni, le differenze raggiungerebbero addirittura i 0,85 MW e 0,82 MW rispettivamente.