By ATESS-Aquifer Thermal Energy Storage System
La produzione energetica globale risulta da anni impegnata in una difficile e articolata transizione verso l’utilizzo, se non esclusivo, quantomeno principale di risorse rinnovabili; tendenza catalizzata dall’importanza assunta dalla questione ambientale nel dibattito pubblico o, comunque, nell’immaginario comune. Tuttavia, nonostante questa grande spinta verso produzioni energetiche maggiormente green, sostenibili, la copertura del fabbisogno energetico globale è ancora garantita per larghissima parte da tecnologie che sfruttano risorse non rinnovabili, fossili o nucleari che siano; le quali presentano tradizioni secolari, affidabilità nelle prestazioni e assicurano una maggiore costanza di esercizio, nonché una spiccata capacità di far fronte a variazioni nella domanda. Questo trova sintesi in una copertura di circa l’80% del fabbisogno mondiale da risorse non rinnovabili.
Fig.1– Ridistribuzione produzione energetica 2019.
Possono, tuttavia, essere introdotte delle tecnologie di supporto, coadiuvanti, che pur non risolvendo a monte le problematiche dei sistemi a energia rinnovabile, risultano capaci, quantomeno, di rendere questi maggiormente autonomi nel gestire una richiesta produttiva. Un esempio sono sistemi di accumulo di energia, in una determinata forma, e contestualmente capaci di rilasciarla in un determinato momento del ciclo produttivo. Lì dove l’energia è in forma termica, trovano impiego i TESS- thermal energy storage systems e, tra questi, gli ATESS- Aquifer Thermal Energy Storage System.
ATESS-Aquifer Thermal Energy Storage System, generalità
La tecnologia ATESS non è di recente introduzione , trovando sviluppo, almeno teoricamente, già a partire dagli anni ’60; nel corso dei decenni, dati gli ottimi riscontri su campo, lo studio è proseguito celermente portando a sistemi di nuova generazione e di grandi taglie, applicati a partire dai primi anni 2000. I dati aggiornati al 2019 mostrano una distribuzione ancora limitata non soltanto nelle applicazioni effettive, ma anche per quel che riguarda il numero di paesi che hanno adottato la tecnologia: 3000 ATESS, soprattutto in Nord Europa (Paesi Bassi (2500), Svezia (220), Belgio (30) Danimarca (55)) e Nord America, specialmente in ambito civile e, in particolare, integrate a sistemi di climatizzazione.
Fig.2-Distribuzione e timeline dello sviluppo dei sistemi ATESS nel mondo
Una falda acquifera può intuitivamente essere vista come “una riserva d’acqua sotterranea contenuta in una cavità, formatasi naturalmente, le cui pareti interne sono ricoperte da materiali impermeabili quali rocce, ghiaia e sabbia”. Generalmente in una falda acquifera, dati gli ingenti volumi caratteristici, è vasto il patrimonio energetico a temperature ben lontane da quelle di evaporazione e, virtù, questa risulta capace di assorbire ulteriore energia; i materiali che ricoprono le pareti interne della falda, poi, svolgono non soltanto il ruolo di “contenitori” della riserva idrica, ma anche quello di materiali isolanti, limitando la dispersione termica verso l’esterno. Ciò rende la falda sfruttabile come sistema di stoccaggio a calore sensibile sotterraneo.
Semplificato concettualmente e riportato alla sua intuitività teorica, un ATESS si configura come un insieme di un pozzo caldo e di un pozzo freddo (un ATESS con un solo pozzo è un’eccezione) da cui attingere e versare energia mediante il prelievo dell’acqua stessa. Un ATESS viene impiegato come sistema di stoccaggio stagionale, capace cioè di riversare nel sistema cui è integrato energia termica ad alta temperatura, accumulata durante l’estate, in inverno, quindi di configurarsi come sorgente di caldo; inversamente, può rilasciare il freddo, accumulato in inverno, durante l’estate. In qualsiasi caso, per l’equilibrio fisico-chimico dell’acquifero stesso è sempre bene che il quantitativo termico estratto sia quanto più possibilmente reintegrato: l’acquifero ha un proprio equilibrio, pregresso all’impiego di questo come dispositivo di stoccaggio, ed è bene che questo equilibrio sia preservato e rispettato per quanto possibile.
Fig.3– Esempio di ATESS integrato nel sistema di condizionamento di un aeroporto.
Per quel che riguarda i livelli di temperatura in gioco, il pozzo caldo può arrivare fino a 70°, anche se nella maggior parte delle applicazioni rientra in un range 25°-50°, mentre quella di pozzo freddo si attesta in un range 15°-20°, non potendo scendere sotto i 5°. Allo stesso tempo un ATESS può presentare più pozzi caldi e più pozzi freddi, soprattutto se integrato in sistemi produttivi o di condizionamento di grandi ambienti: esempi sono il campus dell’Università Politenica di Eindhoven, che presenta un sistema di condizionamento ambientale in cui è integrato un ATESS con 12 pozzi caldi e altrettanti pozzi freddi, con portate pari a 150/300 m3/h, nonché il palazzo del Reichstag, sede del Bundestag, il Parlamento tedesco, che prevede un sistema di condizionamento integrato con un ATESS di 36 pozzi caldi e altrettanti freddi, con portate di 3000 m3/h e una potenza nominale di 20 MW. 
Fig.4– Tabella esemplificativa applicazione ATESS in vari contesti.
ATESS-Aquifer Thermal Energy Storage System, Applicazioni
Un ATESS può risultare in grado di operare individualmente, cioè disaccoppiato da altri sistemi (pompe di calore, HVAC, teleriscaldamento e GHP) per il solo raffreddamento oppure per raffreddamento e riscaldamento, mentre non può, l’acquifero, lavorare individualmente per il solo riscaldamento. Nella maggior parte delle applicazioni, comunque, questo necessita di sistemi ausiliari per lo smaltimento del calore assorbito dall’ambiente, come torri di raffreddamento (Cooling Tower), e, soprattutto, operativamente, si mostra integrato con una o più pompe di calore. Nel momento in cui la pompa deve fornire “freddo” la presenza di un ATESS, interponendosi fra questa e l’ambiente target, consente un raffreddamento diretto prima che lo faccia la pompa, consentendo un risparmio sull’energia spesa. Il calore sottratto dalla pompa all’ambiente, poi, non viene più disperso verso l’esterno, in atmosfera, ma viene, come detto, ceduto all’acqua del pozzo caldo e riutilizzata nel riscaldamento dello stesso ambiente in un secondo momento. In inverno l’acqua ad alta temperatura preriscalda il fluido tecnico della pompa facendo sì che la temperatura inferiore del ciclo salga, ottenendo quindi un miglioramento del COP. Risulta quindi evidente un doppio risparmio sull’energia spesa dalla pompa di calore (il risparmio energetico per un sistema HP-ATESS è compreso nell’intervallo 80%-87% mentre per un ATESS integrato con collettore solare il risparmio energetico è del 65% al massimo), nonché miglioramenti prestazionali dei sistemi( il COP) e, quindi, per effetto domino, un risparmio economico. Oltre a vantaggi puramente economico/prestazionali, la presenza di un ATESS integrato in un sistema produttivo comporta conseguenze d’esercizio, quali la produzione in off-peak , cioè la produzione lontano dal picco di domanda, lo spostamento della produzione in momenti della giornata in cui produrre costa meno, l’effetto buffering e, ovviamente, l’allargamento dell’intervallo produttivo stesso; tutto questo rende la produzione maggiormente indipendente nel gestire una domanda e da ulteriori sistemi ausiliari.
Un ATESS contribuisce, poi, anche all’abbattimento delle emissioni di in quanto lo stoccaggio termico consente di sopperire alla produzione di calore mediante combustione. I risultati sono molto importanti per le emissioni di biossido di carbonio, per le emissioni di ossidi di zolfo e degli ossidi di azoto (NOx).
Fig.5- Tabella riassuntiva prestazioni sistemi integrati con ATESS.
ATESS-Aquifer Thermal Energy Storage System, casi applicativi
Applicazione ATESS in ospedale
Uno dei primi utilizzi degli ATESS è stato in campo ospedaliero, essendo un ospedale un complesso sistema richiedente non soltanto il condizionamento delle stanze e il riscaldamento della struttura ma anche specifiche temperature per singole stanze, al fine di conservare medicinali, provette e materiale sanitario, nonché nelle sale operatorie, configurandosi quindi come una struttura fortemente energivora e piuttosto eterogenea nelle condizioni richieste. Il caso trattato riporta un ospedale in Belgio, il “Klina” (Klinieken Noord Antwerpen) , dei primi 2000 con 440 posti letto, sale operatorie e laboratori in un edificio di quattro piani. Il riscaldamento dell’impianto è affidato a un gruppo di caldaie a gas (mediante radiatori), mentre per il condizionamento delle stanze e degli ambienti è presente un HVAC che presenta 40 UTA (Unità Trattamento Aria) a batteria d’acqua dove questa è portata a temperatura di esercizio da due pompe di calore e un ATESS. I pozzi dell’ATESS sono profondi 65 m, distanti 100 m, con temperatura del pozzo caldo di 18 °C e temperatura del pozzo freddo di 8 °C.
Nello studio condotto l’ATESS offre ottime prestazioni durante la cooling mode, arrivando a fornire 12MW con picchi di 280 MWh al mese, nonché buone prestazioni durante la heating mode, in cui riversa 350 kW di media e fino a 200-300 MWh al mese. Questo determina un impatto complessivo dell’ATESS sulla totalità del carico fornito in estate e in inverno pari a circa l’81 % (7645 GJ) del carico di freddo necessario alla struttura (il restante 19% (1776 GJ) è offerta dalla pompa), mentre durante la heating mode l’ATESS non fornisce direttamente calore all’aria trattata nelle UTA ma alla pompa di calore contribuendo per un 78 % (9594 GJ) dell’energia all’evaporatore.
Fig.6- Grafico dell’energia spesa dall’ATESS durante i tre anni dello studio.
Fig.7- Grafico che mostra la ripartizione dei vari elementi del sistema HVAC durante il funzionamento.
Per lo studio circa l’energia prima risparmiata e la riduzione delle emissioni di il sistema HVAC in esame è stato confrontato con sistemi presenti in altri ospedali di dimensioni simili a quello studiato, in particolare con un sistema in cui la richiesta di riscaldamento è garantita da caldaie a gas mentre in estate trovano impiego delle unità di condizionamento. I risultati mostrano, sui tre anni di funzionamento considerati, una riduzione di emissioni di CO2 superiore al 70 % con una media del 73 % e con crescita costante del + 4% da anno in anno, mentre la riduzione complessiva ammonta a 1284 t; c’è un risparmio di energia primaria che aumenta col tempo per una media triennale del 71 %. 
Fig.8– Tabella prestazionale del sistema HP-ATESS in ospedale.
Applicazione ATESS in un supermercato
Un supermarket presenta una richiesta, per quel che riguarda il condizionamento, piuttosto eterogenea: oltre al condizionamento dell’intera struttura, è necessario fornire adeguato raffreddamento, ad esempio, ai banchi frigo, ai freezer per surgelati nonché alle celle frigorifere dei magazzini. Tutto questo rende un supermarket in un sistema dall’equilibrio piuttosto delicato per le temperature necessarie da raggiungere. Il caso studiato è quello di un supermarket a Mersin in Turchia che si estende su un’area di circa 1800 m², che presenta un sistema HVAC integrato da un ATESS con una temperatura media della falda acquifera di 18 °C, due pozzi profondi 100 m e distanti fra loro 75 m. Il sistema HVAC, oltre l’ATESS, prevede due UTA, quattro compressori collegati a quattro valvole di laminazione che svolgono, insieme, il compito di pompa di calore e, infine, un condensatore.
Fig.9– Schema impianto HVAC del supermercato integrato con un ATESS.
Nello studio il sistema HVAC integrato con l’ATESS è confrontato con un sistema HVAC tradizionale (Mitsubishi DR101HE Apacked type air-conditioner) nel fornire il carico di raffreddamento necessario al condizionamento del supermercato durante la giornata di picco nel mese di agosto, pari complessivamente a 2401,5 kWh, con una temperatura dell’ambiente esterno che cade, durante tutta la giornata, nell’intervallo 30°C-35°C. Il sistema tradizionale garantisce il carico con un consumo energetico pari a 898,4 kWh mentre il sistema integrato con l’ATESS prevede un consumo di 574,2 kWh, con un risparmio del 36,08 %. Inoltre, il COP del sistema integrato con l’ATESS s’attesta su un valore medio di 4,18, il 60% più alto del COP del sistema tradizionale pari a 2,67.
Fig.10- Tabella prestazionale di un sistema HVAC-ATESS in un supermercato.
Applicazione ATESS in una serra
Il condizionamento di una serra ha un grande impatto sulla crescita di frutta e verdura, ragion per cui l’impianto deve essere in grado di garantire una produzione nel rispetto di standard qualitativi e in linea con gli obiettivi prefissati circa volumi e tempistiche produttivi. In uno studio del 2009 viene analizzato l’impatto di un ATESS sulla produzione in serra confrontando due serre di 360 m² , finalizzate, entrambe, alla coltivazione di pomodori, di cui una presenta un tradizionale impianto di riscaldamento senza impianto di raffreddamento e la seconda un sistema di riscaldamento integrato con un sistema ATESS (temperatura al pozzo caldo di 35 °C, temperatura al pozzo freddo di 20 °C, distanti 108 m e profondi 80 m). Durante i mesi estivi la temperatura all’interno della serra può arrivare fino a 60 °C con un’energia termica trattenuta piuttosto rilevante. L’integrazione dell’ATESS, che in questa applicazione lavora direttamente sull’ambiente disaccoppiato da gruppi HP o HVAC, consente di immagazzinare parte di questo carico di energia termica per utilizzarlo, poi, durante l’inverno per riscaldare la serra. Nel periodo estivo l’ATESS progettato risulta in grado di assorbire fino a 100000 GJ, rilasciati, poi, in inverno al fine di mantenere la temperatura interna alla serra costantemente su un valore ottimale per la crescita dei pomodori (12 °C). L’ATESS, nello specifico, risulta in grado di mantenere la temperatura interna alla serra costantemente attorno al valore richiesto e, comunque, sempre al di sopra di questo. Come mostra il grafico, la temperatura dell’ambiente esterno è rappresentata in blu e presenta, ovviamente, un comportamento fortemente variabile; la curva gialla rappresenta la temperatura all’interno della serra che non presenta il sistema a falda acquifera integrato mentre la curva rosa rappresenta la temperatura all’interno della serra che presenta integrato l’ATESS. Si nota che per la serra integrata col sistema di stoccaggio la temperatura rimane costantemente al di sopra del valore critico.
Fig.11- Grafico che mostra andamento della temperatura interna alla serra.
La stabilizzazione della temperatura interna alla serra, porta a vantaggi notevoli nei parametri di crescita della pianta: l’altezza delle piante, il numero di foglie, il diametro dello stelo e il numero di frutti per grappolo nella serra con l’ATESS sono rispettivamente 18 %, 28 %, 18 %, -3% e 35% superiori a quelli della serra con condizionamento tradizionale dopo 180 giorni dall’inizio dello studio. Per quel che riguarda il peso troviamo una maggiorazione del 36 % per il peso della foglia, del 4 % nel peso dello stelo e una crescita del 36 % nel valore della dimensione della superficie della foglia. In aggiunta troviamo il relativo abbattimento delle emissioni inquinanti: per una serra di riferimento su 1000 m², in cui vengono coltivati pomodori, troviamo un abbattimento di emissioni di anidride carbonica pari a 56 t/a, un abbattimento pari a 0,4 t/a per gli SOx e un abbattimento di 0,7 t/a per gli NOx. Utilizzando in inverno l’energia immagazzinata in estate il risparmio sull’energia spesa è del 78 %.
Fig.12-Tabelle comparative circa i parametri di crescita dei frutti della pianta di pomodoro nelle due serre dopo 180 giorni dall’inizio dello studio e il confronto fra i prodotti delle due serre dopo 175 giorni dall’inizio dello studio
ATESS-Impatto ambientale
Ovviamente un ATESS non ha un impatto nullo sulla falda acquifera che viene sfruttata come mezzo di accumulo. In primis risulta necessario considerare il fatto che in un ATESS la quantità di acqua estratta viene completamente reintegrata; le portate estratte, però, devono risultare non impattanti sulla falda durante l’esercizio del sistema (carica/scarica): un volume estratto/iniettato rilevante potrebbe portare a una difficoltà di pompaggio da parte di un altro sistema collegato alla falda, sistema che potrebbe avere uso civile (pozzo di abbeveraggio), agricolo (irrigazione) o domestico. Inoltre, il prelievo di grandi volumi, o lo squilibrio fra il volume estratto e quello pompato, può portare a fenomeni di erosione delle pareti interne della falda o a rischio idrogeologico.
Da un punto di vista chimico la falda presenta una grande varietà di sostanze inorganiche disciolte; la massiccia estrazione di volumi d’acqua o l’iniezione di acqua calda possono portare all’alterazione dell’equilibrio chimico preesistente dando vita a fenomeni di dissociazione, di precipitazione e di variazione del pH dell’acqua. Questi fenomeni potrebbero avere impatti pima di tutto sul sistema di stoccaggio stesso (ostruzione, corrosione) ma anche sull’ambiente esterno alla falda nel momento in cui le acque di questa vengano utilizzate per altre applicazioni e/0 dall’uomo stesso. Inoltre, in un flusso di acqua calda, come quella in circolo in un ATESS, possono verificarsi fenomeni di precipitazione di carbonato che porta all’ostruzione delle condutture, necessitando quindi, l’acqua, potrebbe dover essere pretrattata per garantire il corretto funzionamento del sistema di stoccaggio. Una volta scaricata, però, con questa, entrerebbero nella falda elementi potenzialmente alieni in grado di impattare l’ambiente.
Allo stesso tempo, come conseguenza di una possibile discrepanza fra il calore estratto dalla falda e quello re-immesso, troviamo la potenziale compromissione della flora batteria e/o microorganica. La maggior parte di questi organismi è coinvolta in fenomeni chimici di una certa rilevanza per la stabilità della falda e per la qualità dell’acqua: la perturbazione dell’equilibrio microbiologico potrebbe portare, per effetto domino, a mutamenti nella qualità dell’acqua e delle sue proprietà rendendola meno adatta ad applicazioni ad uso civile, agricolo o domestico.
Fig.1 Fig.2 Fig.3 Fig.4 Fig.5 Fig.6 Fig.7 Fig.8 Fig.9 Fig.10 Fig.11 Fig.12
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