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Condividere l'energia locale
L'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha avviato un importante progetto di rinnovamento di tutte le infrastrutture di riscaldamento e raffreddamento del campus di Écublens (VD). Le nuove apparecchiature, che sono entrate in funzione nell'ottobre del 2021, favoriscono l'utilizzo delle risorse disponibili sul sito o nelle sue immediate vicinanze, come l'acqua del lago o il calore sprigionato dal nuovo Datacenter, e miglioreranno le possibilità operative per spingere gli scambi tra i vari utenti.
Nella seconda metà degli anni Settanta, sotto la pressione della prima crisi petrolifera, l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) è stata pioniera nel decidere di utilizzare le acque del Lago Lemano con le pompe di calore (PAC). Una scelta molto ambiziosa per l'epoca, che ha portato inizialmente alla messa in funzione, nel 1978, della stazione di pompaggio di Pierrettes (SSP), che alimenta anche l'Università di Losanna (UNIL). Inizialmente destinata a soddisfare le esigenze di raffreddamento delle due istituzioni, questa stazione ha permesso, a partire dal 1986, di utilizzare l'acqua del lago come fonte di energia per l'impianto di riscaldamento a pompa di calore dell'EPFL (CCT). A causa dell'enorme sviluppo del campus, queste apparecchiature funzionano oggi alla massima capacità ormai da diversi anni e, con oltre 30 anni di servizio, stanno raggiungendo la fine del loro ciclo di vita.
Nuova epoca, altre esigenze
Se la prima crisi petrolifera aveva generato preoccupazioni sulle condizioni di approvvigionamento del petrolio, sono state soprattutto le questioni di sviluppo sostenibile a influenzare le attuali scelte dell'EPFL di rinnovare la propria centrale elettrica. L'obiettivo è quello di adattare la capacità produttiva degli impianti ai fabbisogni previsti per il 2040 utilizzando, a lungo termine, esclusivamente energia rinnovabile per il riscaldamento e il raffreddamento. Si tratta di un obiettivo ambizioso, dato che solo la metà della potenza del vecchio sistema era fornita da pompe di calore, e la parte rimanente proveniva da turbine a olio combustibile. Questo cambiamento deve comportare una riduzione annuale delle emissioni di gas effetto serra, derivanti dalla produzione di calore di circa 1'800 t (da 4'300 a 2'500 t).
La ristrutturazione ha offerto anche l'opportunità di migliorare sensibilmente le condizioni operative dell'impianto, da un lato attraverso l'ammodernamento delle apparecchiature (in particolare le prestazioni delle pompe di calore), ma soprattutto grazie alla costruzione di ventisei sottostazioni di riscaldamento distribuite sul sito, che permettono di ottimizzare la distribuzione ai vari edifici del campus.
Alla fine, il progetto prevede la costruzione del Data Center, coperto da pannelli solari, sopra l'edificio che contiene la centrale elettrica, in modo da poter sfruttare facilmente i circa 4 MW di calore prodotti dai server. Il nuovo progetto della CCT prevede due bacini di accumulo separati: un «bacino caldo» di 230 m3 per l'acqua destinata a produrre calore con le pompe di calore e un «bacino freddo» di 290 m3 per l'acqua di raffreddamento utilizzata per raffreddare gli edifici dell'EPFL e il Data Center. È possibile d'ora in poi reimmettere nel sistema gli scarichi freddi delle pompe di calore e gli scarichi caldi del Data Center. È, inoltre, previsto, in un secondo tempo, il recupero dell'acqua calda scartata dal sistema di raffreddamento degli edifici.
Quattro nuove pompe di calore
Il nuovo impianto comprende quattro nuove pompe di calore in grado di fornire una potenza totale di 24 MW, che funzionano con l'ammoniaca, che passa attraverso un primo scambiatore (l'evaporatore) dove trae energia dall'acqua del bacino caldo, passando dallo stato liquido a quello gassoso. Viene quindi pressurizzata in un compressore per aumentarne la temperatura, prima di essere indirizzata a un secondo scambiatore (il condensatore) per riscaldare l'acqua che circola nelle reti di distribuzione del calore (alta e bassa temperatura). L'ammoniaca passa infine attraverso una valvola di espansione che la riporta alla temperatura iniziale prima di ricominciare il suo ciclo.
L'edificio ospita anche due caldaie a gas con una capacità totale di 16 MW, inizialmente costruite per fornire il riscaldamento alla scuola durante la sostituzione delle pompe di calore, ma che dovrebbero in futuro essere utilizzate solo come dispositivo di backup in caso di grave guasto del sistema principale. La CTC ha dovuto essere leggermente ampliata per ospitare le nuove attrezzature, ma senza influire sul confine della foresta o sul fiume Sorge che la delimita.
Raddoppiare la capacità di pompaggio
L'aumento del fabbisogno ha richiesto anche il raddoppio della capacità della stazione di pompaggio esistente (SSP), portandola a 2'700 l/s. Questo ha comportato: una seconda presa d'acqua, collegata a una nuova condotta del lago, un ampliamento dell'edificio per ospitare otto nuove pompe (quattro delle quali per UNIL), l'installazione di due nuove condotte a terra, per portare l'acqua all'UNIL e all'EPFL.
Per avere l'acqua a una temperatura costante di circa 7 °C, la nuova presa d'acqua doveva essere installata a circa 75 m di profondità. Questa è costituita da un filtro in acciaio inossidabile – 2 m di diametro, forato con buchi di 15 mm su un'altezza di un metro – che viene fissato all'estremità di un tubo lacustre in polietilene (HDPE) con un diametro di 1100 mm. A causa della topografia del fondo del lago, questo nuovo condotto, posto proprio accanto a quello esistente, ha una lunghezza totale di circa un chilometro: si trova a una bassa profondità (di massimo 10 m) per circa 550 m, e sprofonda a 75 m per i restanti 450 m. È stata assemblata in sezioni nel Grand Canal, vicino alla riserva delle Grangettes (VD), prima di essere trasportata – galleggiando via acqua – al largo di Saint-Sulpice, depositata sul fondo del lago e collegata alla stazione di pompaggio.
Anche la stazione di pompaggio è stata duplicata grazie alla giustapposizione di un edificio annesso che ospita otto nuove pompe per spingere l'acqua verso l'UNIL e l'EPFL. Due nuove tubature a terra, di 700 mm di diametro, sono state interrate fino alle gallerie di collegamento con le due istituzioni, vicino all'edificio Biophore dell'UNIL. Isolate termicamente per evitare la formazione di condensa, queste nuove tubazioni utilizzano le gallerie esistenti per raggiungere l'UNIL e l'EPFL. La costruzione dei due nuovi condotti prevedeva il passaggio sotto la strada cantonale RC1 tramite un processo di roto-percussione basato sul seguente principio: i tubi di ghisa vengono azionati da un martello a percussione che disloca il terreno in loco, che viene poi evacuato all'indietro tramite una coclea (o vite senza fine) situata nei tubi. È stata la prima volta con un diametro (1'000 mm) e una lunghezza (100 m) così grandi. Infine, va notato che questo raddoppio della capacità di pompaggio è stato effettuato anche per soddisfare il fabbisogno energetico del Vortex, il nuovo edificio di alloggi per studenti universitari.
Influenza degli scarichi sui fiumi e sulle cozze quagga
Il progetto è stato oggetto di una dichiarazione di impatto ambientale (NIE). L'attenzione si è concentrata, in particolare, sulla questione dello scarico dell'acqua pompata nel lago. A seguito delle scelte operate negli anni Ottanta, gli scarichi non vengono immessi direttamente nel lago, ma attraverso i tre fiumi situati nei pressi dell'UNIL e dell'EPFL: la Sorge, la Chambronne e, in misura molto minore, la Mèbre. Poiché questi scarichi influenzano sia il flusso sia la temperatura dell'acqua nei fiumi, sono state effettuate delle simulazioni per valutare l'impatto dei nuovi impianti. Va notato che entrambe le istituzioni hanno un punto di scarico diretto nel lago e che il punto di scarico dell'EPFL rappresenta il 60% dell'acqua di raffreddamento consumata dal campus. Infine, dei sei punti di scarico, è chiaramente quello situato vicino al CCT ad avere la maggiore influenza sulle variazioni di flusso e temperatura.
Il primo punto su cui è stato necessario decidere, era lo stato di riferimento da accettare per quantificare gli impatti: quello dei fiumi prima della costruzione dei primi impianti negli anni Ottanta, cioè senza scarichi; oppure il funzionamento degli ultimi trenta anni, con gli scarichi delle Hautes écoles. La Direction générale de l'Environnement (DGE) del Cantone di Vaud ha fissato lo stato senza scarichi come stato di riferimento. I flussi di riferimento sono stati stabiliti sottraendo gli scarichi delle Hautes Ecoles dai flussi attualmente registrati nelle stazioni di misura. Lo studio è stato condotto nel periodo compreso tra la metà del 2016 e la metà del 2017.
È stato innanzitutto rilevato che gli scarichi attuali non influenzano in modo significativo il flusso della piena decennale, ma che generano apporti significativi durante il periodo di magra. Per quanto riguarda le temperature, le variazioni superano regolarmente il valore limite di +/- 1.5 °C. Le simulazioni hanno mostrato che la situazione futura rischierebbe di portare a scarichi in grado di generare un significativo colpo d’ariete e un abbassamento delle temperature invernali che sarebbero dannosi per la biologia acquatica. Di conseguenza, si è deciso di cambiare il CCT dell'EPFL da una modalità «on/off» a una modalità modulante per ridurre il colpo d’ariete, di aumentare la temperatura di mandata degli impianti di raffreddamento a 16 °C e di tenere conto delle previsioni meteorologiche per anticipare le esigenze di riscaldamento o raffreddamento. Con queste misure diversificate, le temperature dei fiumi dovrebbero avvicinarsi allo stato naturale. Sebbene la deviazione superi talvolta il valore limite di +/- 1.5 °C, ciò si verifica molto più raramente rispetto agli scarichi attuali. Anche la diminuzione delle temperature medie dovrebbe essere notevolmente ridotta.
Non è possibile parlare di questioni ambientali senza menzionare il problema della recente colonizzazione del fondo del Lago di Ginevra (e di altri laghi svizzeri) da parte della cozza quagga. Menzionata in una riunione della primavera 2017 come possibile fonte di problemi per le tubature del lago, è ora una delle principali preoccupazioni per i funzionari della CTC che stanno sperimentando la rapida proliferazione di questo mollusco all'interno delle tubature. Non potendo evitare il problema, si è reso necessario mettere a punto un dispositivo per pulire le tubature.
Un esempio incoraggiante
Progetti come quello presentato qui sembrano essere in aumento, e questo è un bene. Infatti – al di là dell'idea di prelevare calore da un lago –, è da sottolineare anche la volontà di sfruttare al meglio le risorse locali e di favorire gli scambi tra gli utenti per far funzionare i sistemi energetici. A questo proposito, è gratificante vedere che l'EPFL sta svolgendo un ruolo di primo piano (si veda anche l'intervista a François Maréchal, p. 31), non solo continuando a formare ingegneri di alto livello che probabilmente saranno attivi nel campo dell'edilizia, ma anche offrendo una dimostrazione, a grandezza naturale, che soluzioni energetiche più efficienti sono possibili e, soprattutto, meno inquinanti.
Infine, dopo aver visitato diversi progetti di questo tipo, è possibile descrivere un modello che evoca la geometria frattale in questo nuovo approccio energetico, poiché le soluzioni basate su una logica simile possono essere applicate a diverse scale. Abbiamo affrontato l'argomento per un campus delle dimensioni di una cittadina di 16'000 abitanti, ma esiste anche un potenziale a livello di singolo edificio o persino di locale, nonché a livello di quartieri, città o regioni. Oggi questo è rassicurante e incoraggiante.
Traduzione FA