A scenario-based framework for characterising subsurface uncertainties in shallow mine thermal flow systems

Profondamente sotto le città del Regno Unito giacciono vasti, silenziosi labirinti di miniere di carbone abbandonate. Per oltre un secolo, questi tunnel sono stati le arterie dell'industria, ma oggi sono allagati dalle acque sotterranee, formando un oceano sotterraneo nascosto. Gli scienziati sanno da tempo che quest'acqua trattiene calore, riscaldata naturalmente dall'interno della Terra, e che pomparla in superficie potrebbe fornire un modo pulito e a basse emissioni di carbonio per riscaldare case e condomini. Questo concetto, noto come energia geotermica dalle acque di miniera, offre una strada promettente per decarbonizzare i nostri sistemi di riscaldamento. Tuttavia, trasformare queste rovine allagate in centrali elettriche affidabili è un processo pieno di incertezze. Il mondo sotterraneo non è una spugna uniforme; è un mix caotico di tunnel aperti, detriti crollati e roccia solida, tutto nascosto alla vista. Senza sapere esattamente come questi spazi si connettano, gli ingegneri non possono prevedere se l'acqua scorrerà fluidamente tra i pozzi o se il calore svanirà troppo rapidamente per essere utile.

Un team di ricercatori della Heriot-Watt University e della Delft University of Technology ha affrontato questo problema costruendo un sofisticato gemello digitale di una miniera allagata a Glasgow. Utilizzando dati reali provenienti da una stazione di monitoraggio profonda, hanno creato un modello virtuale per testare come diverse forme e materiali sotterranei influenzino il flusso dell'acqua e del calore. Il loro lavoro rivela una verità sorprendente su questi sistemi: la quantità totale di calore immagazzinato nel terreno conta molto meno dei percorsi specifici che l'acqua può effettivamente percorrere. Nelle loro simulazioni, hanno scoperto che se i tunnel tra un pozzo di iniezione e un pozzo di produzione non sono direttamente connessi, il sistema fallisce rapidamente, indipendentemente da quanto calore sia teoricamente disponibile nelle vicinanze. Hanno anche scoperto che la roccia che circonda la miniera gioca un ruolo critico, agendo come una batteria termica che può ricaricare il sistema, ma solo se i tunnel interni della miniera sono troppo ostruiti per lasciare che l'acqua si muova liberamente da sola.

I ricercatori hanno iniziato costruendo una mappa tridimensionale dettagliata del sottosuolo, basandosi su registri geologici e dati di sondaggi provenienti dal Glasgow UK Geoenergy Observatory. Non si sono affidati a una singola ipotesi di ciò che si trovasse sottoterra. Al contrario, hanno costruito un insieme di molte diverse realtà possibili, ognuna delle quali rappresentava un diverso arrangiamento della storia della miniera. Alcuni modelli presentavano tunnel ampi e aperti con pochi ostacoli, mentre altri includevano pareti parziali di carbone o grandi sezioni riempite di detriti e roccia di scarto, nota come materiale di riporto (backfill). Hanno simulato il movimento dell'acqua e del calore attraverso queste miniere virtuali per un periodo di dodici anni, osservando come cambia la temperatura mentre l'acqua fredda viene pompata all'interno e l'acqua calda viene estratta.

I risultati hanno evidenziato una tensione fondamentale nella progettazione di questi sistemi. La capacità di pompare acqua attraverso la miniera, nota come producibilità (deliverability), dipende dall'avere un percorso ampio e aperto tra i due pozzi. Più i tunnel sono aperti, più è facile muovere l'acqua e meno energia è necessaria per pomparla. Tuttavia, questo alto tasso di flusso comporta un costo. Quando il percorso è ampio e aperto, l'acqua fredda iniettata nel sistema corre direttamente verso il pozzo di produzione, creando un "cortocircuito termico". Ciò accade in pochi anni, facendo sì che la temperatura dell'acqua scenda al di sotto del livello necessario per il riscaldamento molto prima che il calore immagazzinato nella miniera sia stato completamente utilizzato. Al contrario, se il percorso è bloccato da barriere o detriti, l'acqua è costretta a seguire un percorso più lungo e tortuoso. Questo rallenta il flusso, rendendo più difficile il pompaggio, ma ritarda anche l'arrivo dell'acqua fredda, permettendo al sistema di produrre calore utile per un tempo molto più lungo.

Forse il risultato più sorprendente è emerso quando i ricercatori hanno mantenuto costante il volume totale di spazio vuoto nella miniera, cambiando però il modo in cui tale spazio è connesso. In uno scenario, hanno creato una miniera in cui i tunnel erano ampiamente isolati l'uno dall'altro, costringendo l'acqua a bypassare le principali aree di stoccaggio. Anche se la quantità totale di calore immagazzinato nel terreno era identica a quella di una miniera ben connessa, il sistema con scarsa connettività perdeva il suo calore utile venti volte più velocemente. In questi scenari di disconnessione, la durata della produzione termica è scesa da oltre tre anni a poche settimane, mentre la capacità di pompare acqua è rimasta quasi invariata. Ciò dimostra che la mera presenza di calore nel terreno non è sufficiente; il calore deve trovarsi nella parte specifica della miniera che l'acqua può effettivamente raggiungere.

Lo studio ha anche esaminato il ruolo della roccia che circonda i tunnel della miniera. In alcuni modelli, la roccia era trattata come una barriera stretta e sigillata che l'acqua non poteva penetrare. In altri, la roccia era considerata "permeabile" (leaky), permettendo all'acqua di filtrare dentro e fuori dai tunnel della miniera. Quando i tunnel della miniera erano ostruiti o scarsamente connessi, la roccia permeabile diventava una risorsa vitale. L'acqua filtrava nella roccia circostante, attingendo calore dalla massa termica stessa della Terra. Questo processo agiva come una ricarica naturale, estendendo significativamente la vita del sistema. Negli scenari con maggiore ostruzione, questa ricarica geologica ha raddoppiato il tempo in cui il sistema poteva produrre calore. Tuttavia, se i tunnel della miniera erano già ampiamente aperti, la roccia circostante aveva scarso effetto, poiché l'acqua preferiva rimanere nel percorso facile dei tunnel.

I ricercatori hanno anche esaminato l'impatto del materiale di riporto (backfill), ovvero i detriti e la roccia di scarto spesso lasciati nelle miniere abbandonate. Hanno scoperto che le proprietà del materiale di riporto, come la sua porosità o permeabilità, contavano molto poco a meno che non fosse posizionato direttamente nel percorso del flusso d'acqua. Se il materiale di riporto si trovava lateralmente, l'acqua semplicemente fluiva intorno ad esso, e la sua composizione non aveva alcun effetto sulle prestazioni del sistema. Era solo quando il materiale di riporto bloccava la via principale tra i pozzi che diventava un ostacolo significativo, riducendo il flusso e alterando il recupero del calore. Ciò suggerisce che la posizione degli ostacoli è molto più importante della loro natura chimica o fisica.

Questi risultati sfidano il modo in cui gli ingegneri potrebbero tradizionalmente valutare il potenziale di una miniera per l'energia geotermica. Piuttosto che calcolare semplicemente il volume totale di acqua e calore immagazzinati nel terreno, lo studio suggerisce che la priorità debba essere la mappatura delle specifiche connessioni tra i punti di iniezione e di produzione. Il fattore più critico è il "volume di scansione" (swept volume): la porzione specifica della miniera che l'acqua circolante effettivamente tocca. Se l'acqua non può raggiungere il calore, quel calore è effettivamente perso. Lo studio indica che un progetto di successo richiede un equilibrio attento: abbastanza connettività per permettere all'acqua di fluire, ma abbastanza complessità o barriere per evitare che l'acqua fredda corra direttamente attraverso il sistema.

Il lavoro sottolinea anche l'importanza dell'incertezza in questi progetti. Poiché l'architettura sotterranea delle miniere abbandonate è spesso scarsamente documentata, affidarsi a un singolo modello è rischioso. L'approccio dei ricercatori, che consiste nel testare molti diversi scenari, fornisce un modo più sicuro per comprendere l'intervallo dei possibili risultati. Dimostra che una miniera che sembra promettente sulla carta potrebbe fallire in pratica se i tunnel nascosti non sono connessi come previsto. Al contrario, una miniera che sembra bloccata potrebbe comunque essere vitale se la roccia circostante può fornire la necessaria ricarica termica.

In definitiva, questa ricerca fornisce un quadro più chiaro di come trasformare le vecchie miniere in nuove fonti di energia. Sposta l'attenzione dalla quantità totale di calore disponibile ai percorsi specifici che permettono di catturare tale calore. Comprendendo che la geometria dei tunnel e la natura della roccia circostante sono i controlli primari sulle prestazioni, gli ingegneri possono progettare sistemi migliori. Possono scegliere la posizione dei pozzi in modo da massimizzare i percorsi di flusso connessi, utilizzando al contempo le barriere naturali per estendere la vita del sistema. Lo studio conferma che, sebbene il potenziale dell'energia geotermica dalle acque di miniera sia significativo, realizzarlo richiede una profonda comprensione del mondo nascosto e complesso che si trova sotto i nostri piedi.