Dicembre 2020 – Lo studio di caratterizzazione idrogeologica/termica del sottosuolo a diverse scale spaziali, fondamentale per identificare sia il potenziale geotermico che eventuali anomalie termiche, è stato svolto dall’Istituto scienze della Terra della SUPSI tra il 2017 e il 2020 sul delta del fiume Maggia, da Terre di Pedemonte al Lago Maggiore. In particolare il contributo descritto concerne la modellazione 3D idro/termogeologica della città di Locarno, dove è stato simulato il funzionamento per 10 anni degli impianti geotermici superficiali mappati al fine di valutare eventuali interferenze e fornire suggerimenti per una gestione migliorata.
Negli ultimi anni, la progressiva elettrificazione del settore di condizionamento (riscaldamento/raffrescamento) di edifici, che ha contribuito a ridurre le emissioni di gas serra, si è basata in larga misura su fonti di energia rinnovabile quali l’energia geotermica superficiale. Questa energia può essere efficacemente sfruttata attraverso sistemi geotermici superficiali (SGS), che sfruttano dei dispositivi chiamati pompe di calore. Tali strumenti sfruttano una piccola quantità di energia elettrica per fornire grandi quantità di calorie/frigorie all’edificio condizionato, prelevando/rilasciando calore da/verso una certa fonte naturale. Le pompe di calore possono essere suddivise in differenti categorie in base al tipo di fonte naturale di calore sfruttata, che può essere aria, acqua superficiale (fiumi, torrenti, laghi), terreno o acqua sotterranea. In particolare le pompe di calore possono essere accoppiate con l’energia immagazzinata nella porzione superficiale del terreno, risultato della propagazione e dell’accumulo della radiazione solare naturale attraverso il sottosuolo. Il calore immagazzinato nella porzione superficiale del sottosuolo, che mantiene al di sotto di circa 10 m di profondità, temperature costanti durante l’anno, può essere scambiato con l’ambiente da condizionare attraverso una pompa di calore e un fluido termovettore con specifiche caratteristiche. Il calore può essere sfruttato sia da scambiatori di calore a circuito chiuso (sonde verticali) o a circuito aperto (pozzi termici, che prelevano acqua di falda/lago).
Le prestazioni di questi SGS, tra i vari fattori, dipendono in larga misura dalla temperatura del terreno e dell’acqua sotterranea, che a sua volta è influenzata da fenomeni sia naturali che antropici.
In Svizzera, a livello federale, l’autorizzazione di SGS è determinata principalmente da leggi ed ordinanze sulla protezione delle acque sotterranee, che stabiliscono appunto restrizioni sull’installazione di tali impianti (Assemblea federale della Confederazione Svizzera, 1991) (Consiglio Federale Svizzero, 1999) mentre gli aspetti tecnici per la progettazione, il test e il funzionamento di sistemi sia aperti che chiusi sono descritti rispettivamente nelle SIA 384/7 e SIA 384/6. I principi fondamentali delle leggi Svizzere sulle acque sotterranee prevedono la protezione sia della quantità che della qualità delle acque sotterranee, anche in termini di variazione della temperatura, pertanto SGS che potrebbero essere considerati una minaccia per questi due aspetti non sono autorizzati. Non è consentita l’installazione di SGS nelle zone di protezione delle acque sotterranee, mentre viene effettuata un’analisi caso per caso per specifiche eccezioni al regolamento. Per le nuove richieste di utilizzo termico del sottosuolo si esegue appunto uno screening per capire se il nuovo impianto ricada o meno in una zona dove l’installazione è consentita.
L’attuale modello decisionale non considera la presenza di altri sistemi SGS rispetto a quello per cui si sta eseguendo la perizia, inoltre il campo idrodinamico è considerato indisturbato quando si effettuano le analisi per rilasciare una concessione, ma spesso questo non è un presupposto realistico, soprattutto nelle aree urbane dove il flusso idrodinamico naturale è precedentemente alterato, anche fortemente, dalla presenza di diversi SGS o utilizzi delle acque sotterranee.
Negli ultimi 30 anni il Cantone Ticino ha osservato un numero molto significativo di richieste di installazione di SGS, con picchi nel 2012 per la richiesta di 120-140 nuove sonde verticali e portate di 39000 l/min all’anno per i sistemi a ciclo aperto (Divisione Ambiente Ufficio Protezione delle Acque e Approvvigionamento idrico, 2019). Questi grandi tassi di installazione, dopo decenni, stanno sollevando problemi tecnici e gestionali, con impianti che stanno progressivamente diventando sempre più vicini, soprattutto nelle aree urbane densamente popolate (Locarno, Ascona in Figura 1).
Lo studio condotto l’Istituto scienze della Terra (IST) della SUPSI di Lugano dal 2017 al 2020 ha proposto un approccio per caratterizzare gli acquiferi interessati dall’alta densità di SGS installati: il metodo parte dalla caratterizzazione geometrica dell’acquifero attraverso un metodo geofisico passivo non invasivo, per poi concentrarsi sulla caratterizzazione dello stato idro/termogeologico attuale dell’acquifero, fondamentale per comprendere il deflusso regionale e il trasporto di calore, individuando eventuali anomalie termiche locali. L’indagine microsismica passiva e il monitoraggio delle acque sotterranee sono stati utilizzati per valutare la forma attuale dell’acquifero e il suo stato termico; infine la modellazione numerica sia in condizioni stazionarie che transitorie ha permesso di comprendere le dinamiche di deflusso e di trasporto del calore.
Figura 1 – L’area di studio regionale nella quale si inserisce il caso studio di Locarno (Est), rappresentata dalla falda acquifera formata dalla valle del torrente Melezza e dal delta alluvionale del fiume Maggia, con depositi fluvio-glaciali ghiaioso-sabbiosi. Sono anche riportate le posizioni dei SGS installati (rosso: pozzi termici, giallo: sonde geotermiche)
Il presente lavoro analizza un caso di studio pilota attraverso un approccio olistico, ovvero l’analisi di sistemi completi piuttosto che la dissezione in parti, dove ogni SGS autorizzato e i parametri idrogeologici o termici che potrebbero influenzare il geo-scambio sono considerati al fine di comprendere gli effetti causati dalla vicinanza di SGS nelle aree urbane.
In particolare è stata scelta come caso di studio locale la città di Locarno principalmente a causa della densità di SGS osservata, considerando sia i sistemi a circuito chiuso che quelli a circuito aperto, la presenza di diversi tipi di restituzione dell’acqua sfruttata a scopo termico e la disponibilità di punti di monitoraggio.
Figura 2 – Posizione dei SGS: pozzi termici (in rosso il prelievo e in blu la restituzione), impianti a circuito chiuso (sonde geotermiche in giallo) e dei punti di monitoraggio (in azzurro) delle acque sotterranee rispetto ai settori e alle zone di protezione delle acque sotterranee.
La raccolta di dati relativi a SGS si è basata sui formulari amministrativi, sul database GESPOS (SUPSI – IST), sui documenti amministrativi cantonali, su rapporti idrogeologici e sulle interviste a ingegneri e architetti responsabili dei sistemi di energia rinnovabile, con alcune verifiche in cantiere. Le informazioni raccolte hanno permesso di mappare 11 sistemi a circuito chiuso e 39 pozzi di pompaggio ad uso termico, che forniscono il riscaldamento/raffrescamento ad edifici sia privati che pubblici come ad esempio un ospedale, un cinema, una struttura sotterranea e un centro termale.
La rete di monitoraggio delle acque sotterranee della città di Locarno fa parte di una rete più ampia che copre tutta la falda acquifera del delta della Maggia, comprendente 18 punti di misura dove il livello piezometrico e la temperatura dell’acqua sotterranea vengono monitorati mensilmente. La rete di monitoraggio urbano di Locarno è composta da 5 piezometri, 2 situati nella parte nord-occidentale dell’area di studio e 3 verso il lago, riportati nella Figura 2 come punti azzurri. Per ogni piezometro, tra Febbraio/Luglio 2019 e Ottobre 2019/Agosto 2020 sono state effettuate misurazioni del livello delle acque sotterranee ed eseguiti dei profili termici lungo la colonna d’acqua. I profili di temperatura delle acque sotterranee sono stati eseguiti per valutare la variabilità verticale della temperatura e per valutare le condizioni termiche medie del luogo. L’approccio “olistico” proposto prevede che ogni parametro/processo sia collegato: pertanto viene eseguito uno studio completo del fenomeno di interferenza tra SGS considerando lo stato idro/termogeologico della falda acquifera e le informazioni disponibili relative agli impianti installati. Questo è realizzato attraverso la modellazione numerica, che può essere utile per avere un quadro generale e può aiutare i decisori a considerare tutti gli aspetti idrogeologici nella definizione o nell’applicazione di linee guida o regolamenti per una gestione sostenibile della risorsa termica.
Figura 3 – Modello numerico 3D con riportati il contesto geologico concettuale e le condizioni al contorno impostate
Tutte le informazioni idrogeologiche e impiantistiche raccolte sono state inserite all’interno del modello numerico riportato in Figura 3, ipotizzando uno scenario di sfruttamento reale di ogni SGS (dato che i profili di utilizzo reali non sono stati resi disponibili dai gestori degli impianti) e settando una funzione di modulazione che prevede picchi di sfruttamento ad Agosto (per il raffreddamento) e Gennaio (per il riscaldamento). La stagione di riscaldamento è stata quindi impostata da Gennaio ad Aprile e da Ottobre a Dicembre, per un totale di 212 giorni l’anno, mentre la stagione di raffreddamento è stata impostata da Maggio a Settembre, per un totale di 153 giorni/anno in accordo con le condizioni climatiche del Cantone. Le condizioni al contorno e le funzioni di modulazione sono state impostate come cicliche per simulare un periodo di 10 anni, che è pari alla durata normale di concessione di un impianto.
Figura 4 – Confronto tra livello e temperature delle acque sotterranee misurate e simulate dal modello numerico
Figura 5 – Campo termico simulato a 15m di profondità dopo 10 anni, scenario realistico (fine Giugno 2025)
Il modello numerico calibrato su dati reali (Figura 4) ha fornito approfondimenti sulle interazioni idrauliche e termiche tra sistemi a circuito chiuso e aperto prodotte dalla reciproca vicinanza, a causa di un trend autorizzativo stabile in spazi progressivamente limitati, definiti dalla normativa sulla protezione delle acque sotterranee. I risultati (Figura 5) hanno mostrato che le interferenze termiche possono essere negative per l’efficienza di SGS limitrofi o positive se particolari condizioni idrogeologiche permettono al pennacchio termico di un SGS a monte di migrare a valle e di essere prelevato dal secondo sistema durante la stagione di condizionamento opposta. Le condizioni idrogeologiche e in particolare le interazioni acqua di falda/superficie hanno dimostrato di svolgere un ruolo significativo nella forma dei pennacchi termici prodotti, influenzando la loro velocità di migrazione durante l’anno. In particolare il rapporto tra acque sotterranee e lago si modifica significativamente durante precipitazioni intense: l’acqua sotterranea non defluisce più verso il lago ma si crea un gradiente inverso, che influenza anche la forma e lo scorrimento dei pennacchi termici prodotti dai SGS che tendono a stazionare nei pressi del punto di restituzione.
Il modello ha permesso anche di simulare diversi metodi di restituzione delle acque sotterranee termicamente modificate. I risultati hanno mostrato che sia i pozzi d’infiltrazione che le trincee drenanti, grazie all’infiltrazione nella zona vadosa, sono soluzioni valide per la restituzione di acqua sotterranea.
Il modello numerico proposto potrebbe essere aggiornato con nuove informazioni sia dal punto di vista idrogeologico che geotermico per renderlo più affidabile e preciso nella simulazione di scenari futuri.
Nei prossimi anni il settore del condizionamento degli edifici si affiderà sempre più all’energia geotermica superficiale per raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO 2. Di conseguenza, si osserverà un numero crescente di richieste di autorizzazione SGS in spazi limitati spesso fortemente vincolati dai regolamenti di protezione delle acque sotterranee. Studi olistici, come quello proposto, saranno quindi più frequentemente richiesti per valutare la sostenibilità termica a lungo termine dello sfruttamento di molteplici SGS.
Si ringraziano tutti i progettisti, geologi, dipendenti delle aziende acque potabili e di strutture pubbliche e private coinvolti nello studio.
M.S.c. Scienze Ambientali, Rodolfo Perego
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