Fondamenti per il sistema energetico di domani

L'attuale sistema energetico svizzero si basa in primo luogo sull'importazione di combustibili fossili come gas, benzina e petrolio, e in secondo luogo su un numero relativamente ridotto di grandi centrali nucleari e idroelettriche. L'elettricità generata da queste centrali raggiunge i consumatori attraverso la rete di trasmissione e distribuzione. Laghi di stoccaggio, impianti di pompaggio e scambi di elettricità con altri Paesi bilanciano le fluttuazioni di utilizzo, ad esempio tra il giorno e la notte. Questo sistema è destinato a cambiare radicalmente nei prossimi decenni. La legge sull'energia, entrata in vigore nel 2018, prevede che la Svizzera elimini gradualmente l'energia nucleare e ricorra maggiormente alle energie rinnovabili. Anche gli edifici, l'industria e la mobilità dovranno diventare più efficienti dal punto di vista energetico. Le emissioni nette di CO₂-Le emissioni dovrebbero essere pari a zero entro il 2050. Questo potrebbe far aumentare ulteriormente il consumo di elettricità, ad esempio attraverso un maggiore uso di veicoli elettrici o di pompe di calore.

Una sfida è quella di coprire la quota di energia nucleare nel mix elettrico svizzero (attualmente circa il 35%) con energia rinnovabile. Il fotovoltaico svolgerà un ruolo importante, mentre l'energia eolica avrà un ruolo relativamente minore. Entrambe sono fonti energetiche volatili, perché producono quantità diverse di energia a seconda delle stagioni e delle condizioni meteorologiche. Per armonizzare la produzione e la domanda, sono necessarie tecnologie in grado di convertire le forme di energia, immagazzinarle in modo efficiente e renderle nuovamente disponibili nella forma richiesta. In questo modo, l'energia solare in eccesso in estate potrebbe essere utilizzata per coprire l'aumento della domanda in inverno. Con tecnologie di conversione e stoccaggio flessibili, abbinate a soluzioni digitali, il cosiddetto accoppiamento settoriale sarebbe sempre più possibile. Ad esempio, l'idrogeno potrebbe essere prodotto utilizzando l'elettricità disponibile a basso costo degli impianti fotovoltaici per rifornire i camion. La rete elettrica del futuro diventerà più decentrata, flessibile e collegata in rete.

Un ecosistema per la ricerca energetica

Lo stesso deve valere per la ricerca che ne costituisce la base. "Chiunque faccia ricerca su una singola tecnologia in modo isolato può fare solo un'affermazione limitata", afferma John Lygeros, professore presso l'Istituto di Controllo Automatico dell'ETH di Zurigo. "Nella ricerca è già necessario un ecosistema in rete per testare tutte le possibili tecnologie in interazione tra loro"."Lygeros dirige uno dei dieci progetti di ricerca sotto l'egida della piattaforma ReMaP ("Renewable Management and Real-Time Control Platform"), che è in parte sostenuta dall'Ufficio federale dell'energia ed è stata presentata al pubblico nel giugno 2019 dall'ETH di Zurigo, dall'Empa e dall'Istituto Paul Scherrer.

Le istituzioni dispongono di un'ampia gamma di infrastrutture di ricerca che vengono collegate e ampliate nell'ambito del progetto ReMaP. Queste infrastrutture comprendono attualmente le piattaforme ESI del PSI e ehub dell'Empa. Mentre ESI offre diverse tecnologie per la conversione dell'elettricità in gas, ehub offre l'opportunità di studiare i flussi energetici nei settori residenziale, lavorativo e della mobilità. Il progetto si avvale dei dimostratori NEST - un "quartiere verticale" costantemente occupato per l'Umwelt Geomatik - e move, una stazione di rifornimento per carburanti da energia rinnovabile.

Il Control Framework e il Simulation Framework costituiscono il fulcro di ReMaP. Essi consentono agli utenti di collegare in tempo reale un numero qualsiasi di dispositivi fisici provenienti da luoghi diversi e di modelli digitali di dispositivi per i loro esperimenti e per analizzare le loro interazioni. I dati degli esperimenti vengono archiviati in un database centrale. Anche due partner industriali sono coinvolti nello sviluppo del software necessario: L'azienda smart grid solutions e l'ETH spin-off Adaptricity. Andreas Haselbacher, docente presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi dell'ETH e responsabile del progetto ReMaP, afferma: "Attualmente non esistono al mondo piattaforme di ricerca comparabili che consentano di comprendere diversi sistemi energetici a livello di quartiere, sia in termini di hardware che di software".

Flessibilità come obiettivo principale

John Lygeros e la sua dottoranda Marta Fochesato possono, ad esempio, utilizzare sia un elettrolizzatore presso l'Istituto Paul Scherrer che una stazione di rifornimento di idrogeno presso l'ETH di Zurigo. Nell'elettrolizzatore, l'elettricità viene utilizzata per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. I due ricercatori vogliono ottimizzare l'immagazzinamento dell'energia sotto forma di idrogeno. Tra le altre cose, stanno studiando il modo più conveniente per soddisfare una domanda specifica di idrogeno. Sulla base dell'efficienza, della dinamica termica e del comportamento di controllo dell'elettrolizzatore, hanno sviluppato un controllore digitale ottimale, ossia un algoritmo che decide ogni minuto, in base al prezzo corrente dell'elettricità, a quale potenza deve funzionare l'elettrolizzatore. Se l'elettricità è costosa, l'idrogeno viene prodotto solo quando c'è una forte richiesta, ad esempio quando un'auto deve essere rifornita di idrogeno. Se invece è economica, il dispositivo produce idrogeno in stock. I costi dell'elettricità sono quindi inferiori a quelli che si avrebbero se l'elettrolizzatore reagisse sempre e solo in anticipo alla domanda. Il fattore decisivo dell'esperimento è rendere la conversione flessibile e l'immagazzinamento dell'energia il più efficiente possibile, per dare un contributo importante al problema ancora irrisolto dell'immagazzinamento stagionale economico dell'energia solare o eolica. "Integrare infrastrutture di diverse istituzioni in uno stesso esperimento è una sfida. ReMaP è unico in quanto consente una collaborazione di questa portata tra l'ETH, l'Empa e il PSI", afferma Lygeros.

Un altro progetto ReMaP si concentra sugli impianti di cogenerazione. Questi sono spesso costituiti da un motore a combustione e da un generatore che produce elettricità. Questa può essere reimmessa nel sistema in caso di eccedenza. Il calore di scarto della combustione viene utilizzato, ad esempio, per riscaldare gli edifici. Questo calore è deciso fino a 750°. Per riscaldare un edificio, tuttavia, viene utilizzato a circa 80°, il che significa che si perde un notevole potenziale di utilizzo, poiché una temperatura più elevata può essere utilizzata in modo più flessibile ed efficace. Konstantinos Boulouchos e Christian Schürch della cattedra di Aerotermochimica dell'ETH di Zurigo stanno seguendo l'approccio di utilizzare parte del calore di scarto per alimentare una reazione chimica in un reformer a vapore, invece di riscaldare e produrre il cosiddetto gas di sintesi, una miscela di idrogeno, metano e anidride carbonica. Sebbene ciò riduca la produzione di calore dell'unità di cogenerazione, la centrale genera una forma di energia di qualità superiore e più flessibile: il gas di sintesi è una fonte di energia immagazzinabile stagionalmente. I due ricercatori sono ora alla ricerca del miglior concetto di funzionamento per tali centrali. La centrale di cogenerazione utilizzata per l'esperimento si trova nell'edificio ML del Campus Zentrum, ma è integrata nella rete Empa: tutti i dati vengono elaborati lì.

Apertura ad altri partner

ReMaP è ancora in fase di costruzione. Questi esperimenti dimostrano che un giorno potrebbero essere integrati nella piattaforma anche altri sistemi fisici, come impianti di biogas o centrali idroelettriche, anche se non si trovano in nessuno dei tre siti. Il responsabile del progetto Andreas Haselbacher guarda al futuro: "Siamo molto interessati a coinvolgere altri partner, siano essi università, scuole universitarie o operatori del settore"."Lo scopo dichiarato di ReMaP non è solo la ricerca e lo sviluppo, ma anche la formazione e la comunicazione: la piattaforma intende contribuire alla formazione della prossima generazione di ricercatori e specialisti, offrendo allo stesso tempo approfondimenti sul sistema energetico del futuro alla società in generale e ai decisori politici ed economici. Detlef Günther, Vicepresidente per la ricerca dell'ETH, si rallegra: "Per progredire più rapidamente nella ricerca e realizzare la svolta energetica, dobbiamo lavorare in rete e in modo interdisciplinare, coinvolgendo l'industria, i politici e il pubblico. ReMaP è un buon esempio di come l'ETH sia all'avanguardia in queste aree".