Coor­di­na­re ne­ces­si­tà e ri­sor­se per ot­ti­miz­za­re la ge­stio­ne del­l'e­ner­gia

TRACÉS: I suoi due interventi TEDx affrontano le possibilità di stabilire un'autonomia energetica a livello di città, «Come rendere una città autosufficiente dal punto di vista energetico», o di Paese, «Come la Svizzera è diventata indipendente e neutrale». Su quali principi si basano le sue analisi sul nostro fabbisogno energetico futuro?

François Maréchal: Innanzitutto, credo sia necessario ricordare che l'energia è un mezzo e non un fine in sé. La prima domanda da porsi è quindi perché, o meglio per cosa, abbiamo bisogno di energia. Attualmente è possibile suddividere il fabbisogno in tre categorie: gli edifici per circa la metà del fabbisogno energetico, i trasporti per un terzo e l'industria per la parte restante. Per gli edifici, l'obiettivo principale è garantire il comfort, soprattutto in termini di riscaldamento o raffreddamento, e la qualità dell'aria nei vari spazi. Il principio è quello di utilizzare tutto ciò che abbiamo a disposizione per garantire questa qualità, riducendo al minimo indispensabile l'apporto di energia nobile (combustibile o elettricità). Questo metodo è applicabile a diverse scale, a livello di stanza, edificio, quartiere, località o territorio.

Nel caso di un edificio, è necessario capire il comportamento dei suoi abitanti per garantire le condizioni di comfort richieste quando sono presenti, tenendo conto delle loro diverse situazioni: il comportamento di persone in pensione (presenti tutto il giorno) o attive (con esigenze concentrate all’inizio e alla fine della giornata) è molto diverso. Allo stesso modo, le fonti di energia rinnovabile solare ed eolica variano in base alle condizioni meteorologiche e non sono direttamente immagazzinabili. La gestione dell'energia consiste quindi nel coordinare le necessità e le risorse, non solo in termini di quantità ma anche di tempo, e nel generare sinergie tra i vicini, a diverse scale. A tal fine, è indispensabile conoscere molto bene le diverse capacità di stoccaggio disponibili, il loro funzionamento, e in particolare la loro reattività.

Può farci qualche esempio concreto?

Questo avviene, per esempio, quando il sistema fa funzionare le pompe di calore con energia solare durante i periodi di bassa richiesta di elettricità. O fa in modo di evitare che le lavatrici funzionino quando le pompe di calore sono attive. E questo è possibile grazie alla raccolta di dati e all'uso dell'intelligenza artificiale. Per esempio, sulla base dei dati registrati da un termostato intelligente e connesso, è possibile rilevare le abitudini degli abitanti e ottimizzare il funzionamento del sistema di conversione dell’energia.

È anche necessario imparare a formulare in modo diverso alcune esigenze: non dire più «voglio fare il bucato a tale ora», ma «voglio che sia finito entro tale ora», lasciando così al sistema di gestione la libertà di decidere l'orario ottimale per far partire le lavatrici. Aumentando, in questo modo, la possibilità di soddisfare tutte le richieste.

Questi dati sul fabbisogno individuale devono poi essere confrontati con l'energia disponibile a diversi livelli (edificio, quartiere, città ecc.). Partendo dai luoghi di produzione, dalle possibilità di stoccaggio e dalle capacità dei componenti del sistema, l'intelligenza artificiale è in grado di ottimizzare il funzionamento per soddisfare al meglio la domanda. È possibile sfruttare una certa flessibilità da parte degli utenti, sapendo, per esempio, che una differenza di temperatura di 1 °C non è immediatamente percepibile.

Quali cambiamenti comportano questi nuovi concetti, nell'approccio dei professionisti dell’edilizia?

Il metodo attuale utilizza uno stesso profilo di presenza per le persone in tutti gli edifici: applicandolo, si finisce sistematicamente per ottenere dei picchi che non hanno quasi nessun riscontro reale. È possibile, e necessario, utilizzare scenari più realistici, sapendo che è inutile investire nei picchi di ogni sottosistema affinché l’insieme funzioni.

Ciò significa affrontare l'argomento con una visione probabilistica, che può essere formulata come segue: l'installazione di X pompe di calore prevede una probabilità sufficiente perché il sistema funzioni.

Su questa base, il processo può essere diviso in due parti: progettare un'infrastruttura di produzione e distribuzione sufficiente e, successivamente, attivare un sistema di gestione che permetta di utilizzarla al meglio. Per il riscaldamento, l'approccio tradizionale, basato esclusivamente sulla curva di riscaldamento delle caldaie, era piuttosto semplice. Quando le pompe di calore, l'accumulo di acqua calda, l'inerzia dell'edificio e i pannelli solari entrano nell'equazione, tutto diventa più complicato. L'obiettivo non è quello di modificare la curva di riscaldamento, ma di informare il sistema che verosimilmente passerà una nuvola e che qualcuno probabilmente tornerà a casa tra un'ora. Grazie all’informatica, il sistema è in grado di assimilare queste informazioni e di fornire istruzioni di comando più realistiche.

Industrial Process and Energy Systems Engineering

 

L'obiettivo del gruppo di ricerca IPESE è quello di sviluppare metodi e strumenti di ingegneria dei sistemi per l'analisi e la sintesi di processi termochimici efficienti e più sostenibili, concentrandosi nel riutilizzo e nella conversione efficiente dell’energia, nell’integrazione delle fonti rinnovabili e dei sistemi complessi, utilizzando:

• Modellazione termo-economica-ambientale
• Integrazione di processi e sistemi energetici
• Modellazione delle possibili interazioni nel sistema
• Integrazione dell’uso e della gestione di energia, acqua e rifiuti
• Integrazione delle energie rinnovabili
• Ottimizzazione multi-obiettivo per il supporto alle decisioni
• Pareto termoeconomico e ambientale
• Valutazione dell’impatto ambientale del ciclo di vita
• Comprensione dell’energetica di sistemi complessi
• Metodi e metriche termodinamiche per l’analisi e la progettazione dei sistemi

Le attività dell'IPESE nel campo dei sistemi urbani riguardano l'integrazione su larga scala di sistemi energetici mediante reti (riscaldamento, raffrescamento, idrogeno, acqua, CO2, …), considerando contemporaneamente le risorse energetiche (rinnovabili) disponibili, i processi industriali e le esigenze degli edifici. L'estensione del confine di sistema per affrontare un'area geografica è una naturale evoluzione dell'applicazione di progettazione del sistema di processo.

Quali sono, secondo lei, i principali ostacoli all'applicazione dei principi che sostiene?

Esiste un problema di formazione degli attori che devono dimensionare, installare o finanziare questo tipo di infrastrutture e il loro sistema di gestione: è indispensabile avere persone con un’adeguata formazione su queste nuove tecnologie. Come ingegnere, posso e devo affermare che le soluzioni esistono. Sono in grado di definire le tecnologie giuste, dire come devono essere disposte e come devono funzionare. Per investire, bisogna trovare persone disponibili a finanziare queste attrezzature piuttosto che comprare petrolio: c'è una grande differenza tra dare i propri soldi per vincolarli in infrastrutture e darli invece a qualcuno che ha già investito per sfruttare le risorse. Per quanto riguarda la capacità di costruire sistemi, servono architetti che sappiano integrare la progettazione energetica nel loro progetto. Servono poi dei muratori che sappiano ristrutturare le case dal punto di vista energetico, evitando i ponti termici e lasciando respirare la struttura; degli installatori che conoscano le pompe di calore, i movimenti dell'aria, la distribuzione e i metodi di conversione dell'energia; degli elettricisti che conoscano gli obiettivi dei sistemi di gestione che stanno realizzando. In sintesi, tutti i soggetti coinvolti devono avere una conoscenza completa del sistema che installano. Avevamo previsto la creazione di una start-up di assistenza alle ristrutturazioni, ma non abbiamo trovato un mercato: sembrava che le aziende non trovassero un numero sufficiente di professionisti preparati per mettere in piedi questo tipo di sistema. E noto con rammarico che mancano ancora delle opportunità di formazione. In realtà, l'ostacolo principale è la mancanza di risultati concreti che possano servire da esempio di fattibilità e incoraggiare un cambiamento di approccio.

Stiamo sperimentando qualcosa di simile con l'utilizzo di CO₂ per il trasferimento del calore o del freddo nelle città. La CO₂ presenta una serie di vantaggi rispetto all'acqua, ma non vi è una dimostrazione. Cercheremo di porre rimedio a questa situazione dotando tre edifici dell'HES-SO (Alta Scuola Specializzata della Svizzera Occidentale – Vallese) a Sion di un sistema di questo tipo. Immagino che se una norma SIA descrivesse il processo d’installazione di una rete di CO₂, è probabile che – sentendosi «protetti» dalla norma – tutti accetterebbero di farlo. Ma credo che la vera ragione di questa inattività sia dovuta alla natura innovativa e non ben conosciuta di questo approccio.

Quali strumenti abbiamo a disposizione per promuovere una maggiore consapevolezza degli aspetti energetici nei progetti di costruzione?

Qualche anno fa, abbiamo avuto la possibilità di realizzare un progetto piuttosto insolito che riguardava la pianificazione di un nuovo quartiere. La domanda era: come devono essere disposti gli edifici per ridurre al minimo i costi energetici? L'obiettivo era quello di evitare la situazione tradizionale dell'urbanista che inizia a progettare il quartiere e solo dopo si chiede come ottimizzare l'energia necessaria per il suo corretto funzionamento. Come edificio esistente, inizialmente c'era solo una fabbrica, con una fonte di calore, e le domande erano: che tipo di edificio è? Dove si trova? Quanti piani ha? I dati raccolti sono stati inseriti e si è premuto il pulsante dell’ottimizzazione: tutti i nuovi edifici erano addossati alla fabbrica. Ovviamente siamo stati presi in giro, ma abbiamo sostenuto che, tenuto conto dell’unico criterio dato, di minimizzare i costi energetici, la nostra risposta era corretta. Ci è allora stato dato un secondo criterio: ottimizzare l'energia rinnovabile. Nuova ottimizzazione e... una nuova presa in giro: vi erano ancora grandi edifici nelle immediate vicinanze della fabbrica, ma con una proliferazione di casette individuali, per aumentare la superficie dei pannelli solari sui tetti. Gli urbanisti allora hanno segnalato la necessità di avere dei parchi. Definita la nozione di parco, comincia a emergere l'idea di un compromesso: più parchi si vogliono, più alte diventano le case, e minore è la superficie solare. Sono poi stati aggiunti i criteri di qualità della vista, la distanza dai trasporti pubblici ecc. in modo da integrare gradualmente, oltre agli aspetti energetici, un numero crescente di criteri di pianificazione urbana.

Questi elementi, in competizione tra loro, devono essere oggetto di compromessi confrontabili dal punto di vista energetico e ambientale. Il risultato è uno strumento di supporto decisionale che permetta di valutare facilmente le conseguenze delle scelte urbanistiche e di convincersi della soluzione migliore; nonché la creazione della start-up Urbio (www.urb.io), in grado di generare varianti di sistemi energetici distribuiti e centralizzati. Oggi, la start-up si è discostata dai progetti di urbanizzazione per concentrarsi di nuovo sui sistemi energetici degli edifici esistenti, poiché questi ultimi rivestono un ruolo fondamentale nella questione climatica. L’approccio dello strumento rimane simile, con due eccezioni. In primo luogo, i gradi di libertà si riducono notevolmente perché gli edifici sono un input (sono uno degli input? Oppure sono gli input di partenza?) e lo strumento può quindi essere applicato a zone molto più ampie, per esempio alla scala urbana.

Inoltre, i destinatari sono i fornitori stessi di energia e le società di consulenza ingegneristica, ovvero coloro che di solito realizzano i progetti di pianificazione e dimensionamento di sistemi energetici.

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