Piattaforma per acqua, gas e calore
Numerosi Paesi in tutto il mondo si sono impegnati a essere neutrali dal punto di vista climatico entro il 2050. Per i sistemi edilizi ed energetici di questi Paesi, ciò significa un rapido passaggio dai combustibili fossili alle energie rinnovabili. Inoltre, ci sarà un'interconnessione molto più forte e un'interazione costante tra i diversi settori e i loro sistemi: dal patrimonio edilizio alla mobilità e all'industria, dall'elettricità e dal calore ai combustibili sintetici e ai carburanti. Un'ampia varietà di sistemi di automazione regola la produzione, il trasporto, lo stoccaggio, la conversione e l'utilizzo dell'energia. Il patrimonio edilizio, in particolare, può offrire al sistema energetico una grande flessibilità grazie alla gestione controllata dei carichi, alle batterie e alla capacità di accumulo termico. Tuttavia, tali sistemi interagenti richiedono una visione olistica e sistemica e devono essere pianificati di conseguenza, in modo che l'obiettivo di zero netto sia accessibile e la sicurezza dell'approvvigionamento sia garantita come prima.
Matthias Sulzer è ricercatore presso il dipartimento Urban Energy Systems dell'Empa e presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California, dove anche Michael Wetter lavora nel dipartimento Building Technology and Urban Systems. Entrambi conoscono bene il settore energetico sia in Svizzera che negli Stati Uniti. «A causa della complessità e della necessaria flessibilità dei futuri sistemi energetici e dell'urgenza del cambiamento, gli attuali processi di pianificazione non sono adatti», afferma Matthias Sulzer. Nonostante gli sforzi per superare il «pensiero a silos», il processo di pianificazione degli edifici e dei sistemi energetici è ancora organizzato per discipline. Ad esempio, un ingegnere sviluppa il sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) di un edificio sulla base dei progetti dell'architetto e in conformità alle normative vigenti. Il progetto dell'impianto viene trasmesso ai tecnici dell'automazione degli edifici, che a loro volta cercano di trovare un sistema di automazione adatto alle specifiche date. «C'è poca o nessuna interazione tra le discipline per progettare edifici o infrastrutture energetiche come un sistema olistico. Spesso si lavora solo sulle interfacce per il passaggio da una disciplina all'altra», spiega Sulzer, paragonando il processo a una cascata che scorre linearmente in una direzione, verso il basso, e non offre alcuna opportunità di tornare a un livello superiore e apportare miglioramenti al sistema complessivo.
Insieme ai ricercatori di Berkeley e dell'Empa, Sulzer e Wetter propongono quindi un cambiamento di paradigma nella pianificazione degli edifici e dei sistemi energetici. L'ispirazione è venuta da Alberto Sangiovanni-Vincentelli, uno dei principali studiosi di elettronica e informatica dell'Università della California a Berkeley, il cui lavoro ha contribuito in modo significativo alla transizione della produzione di chip da una pianificazione e produzione individuale e manuale a una produzione altamente automatizzata negli anni Ottanta. In uno studio congiunto, i due ricercatori discutono come la «progettazione basata su piattaforme» sviluppata da Sangiovanni-Vincentelli, che è stata decisiva per questo sviluppo nell'industria dei chip, possa essere applicata anche alla pianificazione dei sistemi energetici. Gli elementi centrali di questo concetto sono vari livelli di astrazione su cui i sistemi vengono analizzati e ottimizzati in modo olistico e che si influenzano reciprocamente. Allo stesso tempo, a ogni livello vengono creati modelli universalmente validi ma combinabili individualmente, che specificano come un sistema deve essere specificato e costruito.
«Quando si progettano edifici e sistemi energetici, oggi vengono creati nuovi modelli caso per caso, per comprendere e valutare meglio il sistema esistente o progettato», spiega Michael Wetter, parlando di un approccio scientifico ai modelli in cui i modelli cercano di descrivere l'oggetto analizzato. «Ma cosa succederebbe se i modelli non solo descrivessero il comportamento di un oggetto, ma specificassero anche come un oggetto dovrebbe essere costruito? I modelli sarebbero quindi le cianografie che possono essere combinate in modo modulare e che specificano chiaramente la progettazione e la funzionalità di un sistema». Sulzer è convinto che questo ripensamento verso un approccio ai modelli più orientato all'ingegneria sia un primo passo verso una trasformazione simile a quella subita dall'industria dei chip e da quella automobilistica qualche decennio fa. «Questo cambiamento di paradigma può rivoluzionare i nostri processi di pianificazione, costruzione e gestione e promuovere la digitalizzazione e l'automazione, essenziali per raggiungere i nostri ambiziosi obiettivi di decarbonizzazione.»
Il concetto troverà la sua prima applicazione concreta nel progetto UE GOES («Geothermal-based Optimized Energy Systems»), che sarà lanciato nel 2023 ed è guidato dall'Empa e sostenuto, tra gli altri, dall'Ufficio federale dell'energia (UFE). L'obiettivo del progetto è sviluppare una prima applicazione della «progettazione basata su piattaforme» utilizzando impianti pilota, ad esempio nel campus dell'Empa a Dübendorf. In particolare, si tratta di definire i vari livelli di astrazione a cui avviene il processo decisionale per la progettazione di sistemi energetici urbani e di standardizzare le interfacce.
(Fonte: Empa)
Un oggetto di ricerca - molte prospettive di ricerca
Il nuovo campo di sonde geotermiche nel campus dell'Empa, che fornisce riscaldamento e raffreddamento ai nuovi edifici, non è solo un impianto pilota del progetto GOES dell'UE, ma anche l'oggetto di ricerca del progetto ARTS («Aquifer Reaction to Thermal Storage»). ARTS si concentra sulla questione di come l'uso di sistemi di accumulo di calore con sonde geotermiche influisca sul suolo circostante, sulle acque sotterranee e sui microrganismi che le abitano.
Kommentare (0)