Indagini sperimentali sulle prestazioni e sulla sostenibilità di sistemi e tecnologie per il geo-scambio e l’accumulo di energia termica nel sottosuolo superficiale

La transizione verso sistemi energetici sostenibili ha reso sempre più centrale il ruolo delle fonti rinnovabili. Tra le varie fonti, l’energia geotermica rappresenta una soluzione strategica affidabile e a basse emissioni di gas serra per la produzione continua di energia. In particolare, la geotermia a bassa entalpia offre un elevato potenziale applicativo, tuttavia ancora poco sfruttato a causa degli elevati costi iniziali di installazione, legati principalmente alle operazioni di perforazione, e della limitata diffusione di informazioni di carattere tecnico e scientifico. In questo contesto, i sistemi basati su pompe di calore geotermiche e geo-scambiatori verticali (Borehole Heat Exchangers, BHE) risultano tecnologie promettenti e ambientalmente sostenibili per il riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria. Tuttavia, la loro efficienza è spesso limitata dai meccanismi di trasferimento di calore prevalentemente conduttivi, che non consentono di valorizzare pienamente il contributo delle acque sotterranee. Il presente lavoro di tesi si propone di investigare e analizzare l’efficienza dello scambio termico in sistemi geotermici innovativi, con particolare attenzione al ruolo rivestito dai meccanismi di convezione termica e delle condizioni idrogeologiche. A tal fine, nella presente tesi, sono stati messi a punto modelli fisici sperimentali di laboratorio per la valutazione delle prestazioni di BHE di nuova concezione aperti e saturi in cui lo spazio attorno al geo-scambiatore risulta saturo di acqua sotterranea anziché essere riempito con materiali sigillanti, quali ad esempio malte bentonitiche, e che sfruttano quindi i moti convettivi delle acque sotterranee che circolano non solo nell’acquifero ma anche all’interno del BHE. L’attività di laboratorio è poi proseguita in campo attraverso la realizzazione di un impianto dimostrativo nel contesto climatico/geologico dell’area metropolitana di Bari. La ricerca condotta, inoltre, ha anche riguardato la sostenibilità dell’accumulo termico in falda e in particolare lo studio dell’effetto della formazione di biofilm sulle dinamiche di accumulo e scambio termico in un mezzo fratturato attraverso un modello fisico di laboratorio. I risultati ottenuti contribuiscono alla comprensione dei meccanismi di trasferimento di calore in presenza di flusso idrico e forniscono indicazioni utili per lo sviluppo di sistemi geotermici più efficienti e sostenibili