Modellare la svolta energetica

Il sistema energetico svizzero cambierà radicalmente nei prossimi anni. Con la legge sull'energia, entrata in vigore nel 2018, i cittadini hanno votato a favore dell'abbandono graduale dell'energia nucleare e di una maggiore produzione di elettricità decentralizzata da energie rinnovabili. Nel 2019, il Consiglio federale ha anche deciso che la Svizzera dovrà ridurre le proprie emissioni di gas serra pari a zero entro il 2050.

Il fotovoltaico svolgerà un ruolo importante in questo senso. ? anche chiaro che questo cambiamento richiederà tecnologie flessibili in grado di convertire e immagazzinare in modo efficiente l'energia e di renderla disponibile rapidamente quando necessario, su tempi che vanno dalla stagione all'ora. Tuttavia, non è ancora chiaro nel dettaglio come si possano raggiungere questi ambiziosi obiettivi.

Questo porta a domande in apertura nella politica, nell'industria e nella società. Quali sono le misure politiche adatte a garantire una transizione graduale dall'energia nucleare alle energie rinnovabili? Quali sono le tecnologie flessibili che possono meglio bilanciare la fluttuante produzione di elettricità del fotovoltaico, ad esempio l'accumulo con pompaggio, le dighe, l'accumulo a batteria, l'idrogeno da energia solare o i consumatori flessibili? Come convincere l'economia e la società a investire nelle tecnologie per questa transizione? E come minimizzare i rischi sistemici nelle future infrastrutture energetiche?

Soluzioni per un sistema complesso

La modellazione al computer può essere di grande aiuto per rispondere a queste domande e comprendere i possibili percorsi verso la neutralità climatica. Un gruppo di ricerca interdisciplinare dell'ETH di Zurigo sta quindi sviluppando la piattaforma "Nexus-e", che può essere utilizzata per modellare i sistemi energetici. La prima versione di Nexus-e è stata completata alla fine del 2020. Il progetto pilota e dimostrativo è stato cofinanziato dall'Ufficio federale dell'energia (UFE) e dalle cattedre dell'ETH partecipanti.

L'obiettivo comune del progetto è quello di sviluppare uno strumento adatto a mappare in modo olistico il complesso sistema elettrico svizzero. In particolare, ciò consentirà di valutare il ruolo delle tecnologie centralizzate e decentralizzate, nonché dei fattori economici e politici in una futura rete elettrica con requisiti di flessibilità crescenti.

"? necessaria una maggiore flessibilità per trovare soluzioni per il futuro. Con Nexus-e vogliamo fornire una piattaforma con cui modellare diversi scenari e facilitare così la trasformazione del settore energetico nei prossimi decenni", afferma Marius Schwarz, project manager di Nexus-e.

Cassetta degli attrezzi per la svolta energetica

Poiché l'industria dell'energia è molto complessa, finora ci sono stati solo pochi tentativi di modellare le interazioni tra i singoli componenti a livello di sistema. Nexus-e mira a colmare questa lacuna. "La caratteristica principale è l'architettura trasparente della piattaforma. Permette ai componenti del sistema energetico di essere facilmente collegati tra loro sotto forma di moduli attraverso interfacce chiaramente definite", spiega Schwarz.

Nello specifico, la piattaforma combina attualmente cinque modelli energetici che riuniscono conoscenze e metodi di varie discipline, come l'elettrotecnica e la macroeconomia. Questi cinque moduli rappresentano l'economia svizzera nel suo complesso e il mercato dell'elettricità, gli investimenti in impianti energetici decentrati e centralizzati, la sicurezza della rete e l'espansione della rete. L'approccio modulare consente di mappare il sistema energetico e l'interazione dei suoi componenti in modo molto più completo rispetto alle tradizionali simulazioni isolate dei sottosistemi.

Scenari di prova illustrativi

Per illustrare il potenziale di Nexus-e, i ricercatori hanno calcolato tre scenari di prova per la trasformazione del sistema elettrico svizzero entro il 2050 come parte della prima fase del progetto. Le simulazioni indicano che l'abbandono graduale dell'energia nucleare potrebbe essere reso possibile soprattutto con notevoli investimenti in nuovi impianti fotovoltaici. L'energia eolica, invece, potrebbe svolgere un ruolo solo se i costi venissero ridotti in modo significativo. Con l'energia idroelettrica, la Svizzera è anche in una buona posizione di partenza per bilanciare la produzione di elettricità giornaliera ma anche stagionale del fotovoltaico.

"Poiché le ipotesi sottostanti sono ancora soggette a una notevole incertezza, i risultati di questi test sono principalmente di natura illustrativa e non devono essere intesi come previsioni ufficiali", sottolinea Schwarz.

Catalizzatore per la ricerca interdisciplinare

Nexus-e è anche un'infrastruttura di modellazione che viene utilizzata costantemente nella ricerca e nell'insegnamento. Christian Schaffner, responsabile dell'Energy Science Center, afferma: "La piattaforma Nexus-e consente a studenti e ricercatori di studiare in modo più efficiente questioni complesse e nuovi fenomeni", permettendo di studiare in dettaglio e a bassa soglia come si comportano i sotto-aspetti del sistema complessivo.

In questo modo, la piattaforma di modellazione centrale semplifica la ricerca interdisciplinare all'interno della scuola universitaria. Nexus-e è già alla base di diversi progetti dell'ETH e viene ulteriormente sviluppato in modo mirato. Un esempio è il progetto di ricerca CH2040, in cui il team di Nexus-e collabora con il Gruppo Protezione del Clima e Adattamento di Anthony Patt per studiare in che misura la decarbonizzazione della Svizzera entro il 2040 sia tecnicamente e finanziariamente fattibile.

Un'altra collaborazione con il Laboratorio Processi di Separazione di Marco Mazzotti utilizza Nexus-e per valutare la misura in cui l'energia da biomassa combinata con la CO₂-La cattura e lo stoccaggio potrebbero ridurre le emissioni e cosa significherebbe per il sistema energetico svizzero in termini economici e ambientali.

Detlef Günter, Vicepresidente per la ricerca dell'ETH di Zurigo, è molto soddisfatto dell'intensificazione della collaborazione tra cattedre e dipartimenti: "Nexus-e mostra in modo impressionante ciò che l'interdisciplinarità può raggiungere. Sono convinto che solo la collaborazione interdisciplinare produrrà soluzioni valide e realizzabili, soprattutto per sfide come la svolta energetica."

Creazione di un ambiente di prova pratico

Secondo Schaffner e Schwarz, la nuova piattaforma di modellazione sarà utilizzata e sviluppata anche da parti interessate al di fuori della scuola universitaria. La loro visione è che Nexus-e serva come ambiente di prova pratico e generalmente accettato. "Siamo quindi aperti a nuove collaborazioni nel campo accademico, ma anche con decisori politici o rappresentanti dell'industria che desiderano utilizzare Nexus-e", afferma il responsabile del CES Schaffner.

Nexus-e sta quindi cercando di rendere l'accesso alla piattaforma il più semplice ed efficiente possibile. Il team è già riuscito a ridurre il tempo di esecuzione della simulazione da giorni a poche ore. Il prossimo passo sarà quello di aprire completamente la piattaforma e supportare utenti e sviluppatori esterni nel loro lavoro con Nexus-e.

Gruppi di ricerca partecipanti

• Laboratorio Sistemi energetici
• Centro di ricerca per le reti energetiche (FEN)
• Laboratorio di ingegneria dell'affidabilità e del rischio (RRE)
• Cattedra di Economia pubblica ed energetica (EEPE)
• Energy Science Center (ESC)