Un nuovo quadro intelligente per sfruttare l’energia termica sotterranea ottimizzando le proprietà termofisiche di malta e riempimento

Immagazzinare calore nel sottosuolo

Con il crescente ricorso a energie rinnovabili nelle abitazioni e nelle città, una grande sfida è come conservare il calore di una stagione per usarlo in un’altra. Questo studio considera il sottosuolo come una grande batteria termica ricaricabile. Scegliendo con cura come riempiamo e circondiamo le tubazioni sotterranee, e utilizzando strumenti informatici intelligenti, gli autori mostrano come estrarre più calore utile dal terreno usando l’energia in modo più efficiente.

Come funziona lo stoccaggio termico sotterraneo

Lo stoccaggio di energia termica sotterranea sfrutta pozzi profondi nel terreno, detti fori di sondaggio, contenenti tubi a forma di U. In estate o quando è disponibile calore residuo, un fluido caldo viene pompato attraverso questi tubi per caricare la roccia circostante di calore. In inverno, un fluido più freddo viene inviato per recuperare quel calore e portarlo agli edifici. La roccia funge da grande spugna termica, mentre il materiale che riempie lo spazio tra i tubi e la roccia, noto come malta o riempimento, determina quanto facilmente il calore può entrare e uscire da questa spugna.

Perché il materiale di riempimento è importante

Il successo di questi sistemi dipende fortemente da caratteristiche fisiche fondamentali sia della roccia sia della malta, come la conducibilità termica, la capacità termica e la densità. Se i materiali conducono bene il calore, il sistema può caricare e scaricare rapidamente, ma il calore può anche disperdersi nel terreno circostante. Se immagazzinano molta energia termica, si può conservare più calore sotto terra, ma potrebbe essere più difficile recuperarlo. Gli autori mostrano che la conducibilità termica della malta è particolarmente importante per il recupero del calore, mentre le proprietà della roccia controllano quanto può essere immagazzinato inizialmente.

Insegnare ai computer a sostituire modelli complessi

Simulare completamente il flusso di calore in e intorno a un foro di sondaggio è lento e richiede molte risorse di calcolo, specialmente se si devono testare molte opzioni progettuali. Per superare questo limite, gli autori hanno addestrato reti neurali artificiali per imitare un modello numerico dettagliato di un singolo foro di sondaggio nella roccia. Queste reti apprendono da un insieme di simulazioni campione e poi forniscono previsioni molto rapide di due risultati chiave: quanto calore viene immesso nel terreno e quanto viene successivamente recuperato. Ottimizzando le reti con metodi di ricerca ispirati alla genetica e alla caccia animale, il team ha ottenuto previsioni molto accurate, con un accordo quasi perfetto tra la rete e il modello originale.

Cercare i migliori compromessi di progetto

Con questi predittori rapidi, lo studio esplora migliaia di possibili combinazioni di proprietà della roccia e della malta. Un algoritmo di ricerca multiobiettivo, modellato sul comportamento di avvoltoi che condividono e inseguono il cibo, è usato per trovare una serie di compromessi ottimali. Ogni punto su questa frontiera di Pareto rappresenta un progetto in cui migliorare un obiettivo, come recuperare più calore, peggiorerebbe automaticamente un altro, come l’energia necessaria per caricare il terreno. Il set risultante copre energie immesse di circa 1,27–2,29 gigajoule e energie recuperate di circa 0,43–0,74 gigajoule, rivelando chiare aree in cui un aumento della carica porta a guadagni limitati nel calore recuperato.

Scegliere opzioni progettuali per il mondo reale

Gli ingegneri necessitano ancora di scelte precise, non solo di una nuvola di opzioni, quindi gli autori utilizzano un metodo decisionale che ordina i progetti di Pareto secondo diverse priorità. Variando l’importanza relativa tra basso consumo di energia in ingresso e alto calore recuperato, estraggono sette scenari pratici. Alcuni privilegiano un input energetico molto basso e un recupero modesto, adatti a siti piccoli o con risorse limitate, mentre altri privilegiano un recupero maggiore per il teleriscaldamento o edifici di grandi dimensioni, accettando energia di carica più elevata e malte più avanzate. Questo passaggio mostra come lo stesso concetto di stoccaggio sotterraneo possa essere adattato a molte condizioni reali.

Cosa significa per i sistemi energetici del futuro

In termini semplici, l’articolo dimostra che le batterie di calore sotterranee possono diventare più efficaci selezionando in modo intelligente le proprietà dell’ambiente roccioso e del materiale di riempimento attorno alle tubazioni, guidati da strumenti avanzati basati sui dati. Invece di progettare per tentativi o regole pratiche, il quadro proposto permette ai pianificatori di vedere rapidamente come le variazioni di questi materiali influenzano sia l’energia immessa in stoccaggio sia il calore che è realisticamente possibile recuperare. Questo può contribuire a rendere i sistemi di riscaldamento e raffrescamento basati sul sottosuolo più efficienti, flessibili e meglio adattati alle esigenze delle reti energetiche a basse emissioni di carbonio del futuro.

Citazione: Zandy Ilghani, N., Maleki, H. A novel intelligent framework for harnessing underground thermal energy through the optimization of grout and backfill thermophysical properties. Sci Rep 16, 15931 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46104-w

Parole chiave: stoccaggio di energia termica sotterranea, scambiatore di calore in foro di sondaggio, riscaldamento geotermico, ottimizzazione con apprendimento automatico, proprietà termiche della malta