Tecnologie per l’ambiente

I 25 anni dell’USI

La svolta energetica, oramai inderogabile, passa anche dalla scienza computazionale

Tecnologie per l’ambiente
AP/Eric Gay

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Stando agli ultimi dati disponibili su Climate Watch, tra il 2008 e il 2018 le emissioni di gas a effetto serra sono aumentate a livello globale di 6 miliardi di tonnellate di CO2 equivalenti, arrivando a quasi 49 miliardi. Produzione e consumo di energia sono responsabili del 60% di queste emissioni. Diversi Paesi sono sì riusciti a diminuire il consumo pro capite e la loro «impronta di carbonio», ma difficilmente raggiungeranno gli obiettivi prefissati e sebbene abbiano accresciuto l’apporto di energia derivante da fonti sostenibili, dipendono in modo importante dal nucleare o da petrolio, carbone e gas. I combustili fossili coprono ancora l’81,3% dell’energia usata nel mondo, con un calo, in 50 anni, di solo qualche punto percentuale (dati IEA). Cifre che aiutano a comprendere quanto sia cruciale, e tutt’altro che semplice, perseguire l’obiettivo di un’energia più pulita. La tecnologia gioca in questo un ruolo determinante. Ne parliamo con Rolf Krause, professore all’USI, dove dirige l’Istituto Eulero occupandosi di scienza computazionale, una disciplina che attraverso simulazioni e modelli matematici avanzati permette di «sperimentare» soluzioni in un laboratorio virtualmente senza limiti: il computer.

Più pulite, ma meno prevedibili

«Uno dei problemi principali delle energie rinnovabili», indica Rolf Krause, «è la discontinuità. Sono meno prevedibili di quelle ‘‘convenzionali’’. Prendiamo eolico e solare: in base al meteo, o al momento della giornata, gli impianti si trovano a produrre un eccesso di energia quando magari non serve, o a non produrne abbastanza quando ce n’è necessità. Questo richiede requisiti completamente diversi, soprattutto per le reti di distribuzione, che devono bilanciare in modo preciso energia immessa e rilasciata». Un’altra difficoltà è data dalla decentralizzazione. «Un aspetto chiave del nuovo panorama energetico è proprio la transizione tra sistemi. L’attuale è stato concepito su una netta separazione tra produttori e consumatori di energia, con un modello di distribuzione dall’alto verso il basso, da grandi impianti centralizzati verso i destinatari finali. Il futuro – e già il presente – parla invece di una crescente presenza di cosiddetti ‘‘prosumer’’, ad esempio i proprietari di edifici con celle solari sui tetti, che diventano a tutti gli effetti proprietari di piccole centrali elettriche sparse per il territorio e quindi produttori, ma allo stesso tempo consumatori di energia, quella che producono e anche quella che non producono».

Le reti energetiche di domani

In questa complessità mantenere la stabilità della rete richiede calcoli e analisi molto sofisticati, ed è qui che interviene la scienza computazionale. «La creazione di modelli e la simulazione di diversi scenari aiutano a pianificare, comprendere e ottimizzare l’approvvigionamento energetico», spiega il professor Krause. «Le reti energetiche di domani saranno necessariamente più decentralizzate rispetto a quelle odierne, dovranno gestire ancora più tipologie di produzione e trovare modi più efficienti di immagazzinare l’energia e gestire lacune e picchi, anche tramite una maggiore integrazione: l’eccesso di energia che la mia casa produce in un determinato momento può essere usata ad esempio per ricaricare la mia auto elettrica, oppure tornare nella rete per essere stoccata in centrali di pompaggio e convertita in idrogeno. Sarà inoltre necessario un maggiore coordinamento nelle operazioni quotidiane di gestione del ‘‘traffico’’ di energia, attraverso il contributo significativo di tecniche di simulazione e dell’intelligenza artificiale».

L’importanza delle simulazioni

La modellizzazione computazionale è un valido strumento anche per «sviluppare e migliorare componenti di rete, turbine, generatori o impianti», continua l’esperto. «Con la Hochschule Luzern stiamo lavorando ad esempio all’ottimizzazione delle turbine per l’energia idroelettrica. L’obiettivo è progettarle in modo che funzionino in modo efficiente anche a media o bassa potenza». Un altro campo di applicazione è l’energia geotermica, cui è affidato un ruolo rilevante nella Strategia energetica 2050, chiamata a portare la Svizzera fuori dal nucleare, che provvede tuttora al 35,5% della nostra produzione di elettricità. La geotermia, tecnica che permette di sfruttare il calore delle profondità della terra, comporta il rischio di generare piccoli terremoti e proprio in seguito a episodi sismici i tentativi di esplorazione del sottosuolo elvetico sono stati precauzionalmente bloccati. «In un progetto che riunisce USI, Servizio sismico svizzero, ETH Zürich e Centro svizzero di calcolo scientifico», spiega Rolph Krause, «usiamo simulazioni e modelli matematici per ricreare al computer il sito da perforare, con le sue caratteristiche geologiche, e simulare la reazione alla cosiddetta stimolazione idraulica, l’iniezione di acqua ad alta pressione per scavare la roccia. Possiamo così stimare in modo affidabile la probabilità di terremoti artificiali, con tempistiche che consentano di reagire velocemente per evitarli, e più in generale aiutare a comprendere come e dove sfruttare al meglio e in sicurezza le potenzialità della geotermia». Un esempio particolarmente indicativo di come l’uso del computer per prevedere e testare prima di «mettere mano» alla realtà fisica possa contribuire ad affrontare più attrezzati l’inderogabile svolta energetica.

Comunicazione e politica economica giocano un ruolo chiave

Abbassare un po’ il riscaldamento, non eccedere con l’aria condizionata... La comunicazione può aiutarci a cambiare le nostre abitudini, e come? È la domanda attorno a cui ruota il social marketing. Come ci indica la professoressa Suzanne Suggs, che all’USI insegna e fa ricerca nel campo, «non basta limitarsi a dire alle persone che un certo comportamento è ‘‘buono’’ o ‘‘cattivo’’, o fornire solo informazioni. Modificare i comportamenti è molto più complesso. Richiede riconoscere ciò che le persone considerano importante e assicurarsi che abbiano possibilità e capacità di intraprendere le azioni raccomandate. Il social marketing, con la sua interdisciplinarità, parte dalla comprensione di ciò che determina un dato comportamento (dinamiche sociali, culturali, politiche, individuali, ...) per poi progettare una comunicazione in sintonia con il pubblico di destinazione, che sia anche ‘‘con’’ e non solo ‘‘per’’ le persone».

I costi dell’inquinamento

Gli attuali sistemi energetici, basati prevalentemente su combustibili fossili, provocano un forte inquinamento dell’aria e dell’atmosfera con gravi conseguenze sul clima e sull’aria che respiriamo e quindi ingenti danni economici e sanitari, ci spiega Massimo Filippini, professore all’USI e all’ETH di Zurigo. Secondo uno studio dell’Organizzazione mondiale della sanità (OMS), ogni anno l’inquinamento dell’aria determina a livello mondiale 7 milioni di morti premature (in Svizzera circa 2.200). Inoltre, il cambiamento climatico farà aumentare le morti premature a causa degli eventi naturali estremi, delle ondate di calore (nell’estate del 2003 circa 70.000 morti in Europa), della diffusione di malattie infettive, delle inondazioni e del fenomeno delle migrazioni climatiche. Per trasformare l’attuale sistema energetico e renderlo sostenibile bisogna promuovere efficaci misure di politica energetica e climatica, che puntino in modo integrato al miglioramento dell’efficienza energetica, allo sfruttamento di fonti di energia rinnovabili e a cambiamenti degli stili di vita.

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