Il futuro dell'energia

La digitalizzazione dell'energia

Come possiamo produrre energia quando e dove ce n'è bisogno?

La forte crescita economica di paesi come la Cina e l'India significa che, entro il 2030, sul nostro pianeta i consumi energetici aumenteranno di almeno il 50%. Una buona parte di questa imponente crescita sta avvenendo in regioni remote mai raggiunte prima dall'erogazione di corrente elettrica. Nello stesso tempo, le fonti di energia tradizionali su cui abbiamo fatto affidamento finora cominciano ad esaurirsi. Tutto ciò ci impone di cercare con più impegno nuove fonti di energia e nuovi modi per distribuirla.

L'obiettivo è individuare e sfruttare al massimo fonti di energia rinnovabili e trovare nuovi modi per immagazzinare l'energia per poterla utilizzare, ad esempio, quando non splende il sole o non soffia il vento. Le smart grid, reti elettriche intelligenti, sono essenziali per raggiungere questo obiettivo, in quanto utilizzano programmi software, sensori, contatori elettronici e Internet per gestire le informazioni in modo che la fornitura e la richiesta di elettricità possano essere organizzate in modo più efficiente e che l'elettricità venga distribuita quando e dove ce n'è bisogno.

Il video, l'articolo e l'infografica riportati di seguito analizzano la grande trasformazione che il settore dell'energia sta attraversando per cambiare il modo di soddisfare le esigenze energetiche del pianeta. Questa transizione è significativa e interesserà il nostro modo di produrre, misurare, monetizzare, consumare, controllare, immagazzinare, commercializzare e trasmettere l'energia elettrica. Quale ruolo giocano le smart grid in questo processo? In che modo la piattaforma 3DEXPERIENCE può aiutare le aziende che vogliono trasformare il modo di generare e distribuire energia con sistemi più efficienti, collaborativi e innovativi?

Sta per iniziare l'era dell'energia solare?

Anno 2035: nelle aree tropicali e desertiche della Terra, giganteschi array di pannelli solari catturano l'energia del sole per generare elettricità, che viene quindi trasmessa alle reti elettriche senza l'uso di cavi. Una quantità sufficiente di energia viene immagazzinata per la produzione notturna, quando il sole sarà tramontato.

In milioni di case e uffici, pannelli solari e finestre per la produzione di energia economici ed efficienti contribuiscono su piccola scala alla generazione di energia in loco durante le ore diurne. Le persone guidano automobili a zero emissioni sviluppate nello scorso decennio da importanti case automobilistiche come Audi, BMW, Toyota e Honda, alimentate a idrogeno, create utilizzando energia solare che separa l'acqua di scarico in idrogeno e ossigeno. Di sera, in tutto il mondo si possono osservare nuove luci nel cielo stellato: sono giganteschi array di pannelli solari in orbita, che catturano incessantemente la luce del sole dallo spazio e la rimandano a enormi impianti di ricezione a terra attraverso microonde o raggi laser.

Solo fantasia? No. L'idea dell'energia solare, e la possibilità che diventi la principale fonte di energia del pianeta, ha origine molto prima che si manifestasse la minaccia dei cambiamenti climatici e dell'esaurimento dei giacimenti di combustibili fossili. La prima cella a energia solare fu sviluppata nel 1883, mentre nel 1941 lo scrittore Isaac Asimov pubblicò un racconto, intitolato Essere razionale (Reason), che descrive una stazione spaziale che trasmette enormi quantità di energia solare utilizzando le microonde. Nel 1968, lo scienziato americano Peter Glaser progettò di realizzare le fantasie di Asimov, arrendendosi solo alle limitazioni tecnologiche dell'epoca.

Le tecnologie per un mondo alimentato a energia solare esistono già, mettendo a tacere i critici che affermano che l'energia solare globale non supererà mai i problemi della trasmissione su lunga distanza dalle zone più soleggiate a quelle meno soleggiate né riuscirà a trovare soluzioni per immagazzinare l'energia in modo che la produzione non si arresti quando diventa buio.

La Cina, ad esempio, sta già realizzando linee elettriche ad alta tensione per distribuire l'energia dai nuovi impianti solari in tutto il suo vasto territorio. Soltanto nei primi tre mesi del 2015, il gigante asiatico ha aggiunto 5 gigawatt di capacità solare alla propria rete elettrica, l'equivalente dell'intera produzione solare di una grande nazione europea come la Francia.

Le soluzioni per l'immagazzinamento già utilizzate in tutto il mondo hanno dimostrato la validità di due metodi. Uno utilizza l'energia solare per creare sali fusi, la cui capacità di trattenere il calore consente di alimentare le turbine elettriche per tutta la notte. Altri impianti solari, invece, utilizzano i raggi del sole per comprimere un gas che viene poi rilasciato dopo il tramonto per far girare le turbine.

Guardare in alto

Una risposta più radicale al problema di come generare energia quando il sole tramonta è pensare a un luogo in cui ciò non avviene mai: lo spazio. Sia Cina che Giappone stanno progettando di rendere operative entro il 2030 centrali solari spaziali (SBSP) che faranno impallidire i precedenti progetti di questo tipo. "Una centrale solare spaziale economicamente attuabile sarebbe davvero enorme, con un'area totale dei pannelli fotovoltaici che raggiungerebbe i 5-6 chilometri quadrati", spiega Wang Xiji dell'Accademia delle scienze cinese.

Ma perché costruire centrali elettriche nello spazio? Una delle ragioni principali è sfruttare i livelli molto più alti di radiazioni solari disponibili nello spazio (oltre il 60% dell'energia solare viene dispersa a causa della riflessione e dell'assorbimento nell'atmosfera terrestre) e farlo senza soluzione di continuità. "I pannelli solari spaziali possono generare una quantità di elettricità dieci volte maggiore dei pannelli a terra per unità di area", osserva l'ingegnere spaziale cinese Duan Baoyan.

Una SBSP pone problemi enormi, in particolare la necessità di assicurare una trasmissione precisa al massimo per evitare di carbonizzare grandi distese della superficie terrestre con raggi vaganti di formidabile potenza. "Quando l'energia viene trasmessa tramite le microonde, un problema significativo è come trasmetterla con la massima precisione al sito ricevente a terra. Trasmettere microonde da un'altezza di 36.000 km su una superficie piatta di 3 km di diametro è come infilare il filo in un ago", afferma Yasuyuki Fukumuro dell'agenzia spaziale giapponese JAXA.

La giapponese Shimizu Corporation propone un'alternativa alla SBSP ancora più sorprendente: una cintura di celle solari larga 400 km attorno all'equatore lunare, per una lunghezza di 11.000 km. Secondo il progetto, denominato Luna Ring, l'anello di celle fotovoltaiche sarebbe in grado di rimandare sulla Terra quasi istantaneamente energia sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico mondiale.

Altre sfide sono rappresentate dalla manutenzione dei sistemi nell'ambiente ostile dello spazio e dal mandare in orbita le SBSP. Una centrale elettrica spaziale commercialmente praticabile peserebbe oltre 10.000 tonnellate ma attualmente sono pochi i razzi che riescono a trasportare un carico superiore alle 100 tonnellate.

Anche se la creazione di SBSP pone sfide enormi, queste ultime ricordano quelle legate ai primi viaggi dell'uomo nello spazio negli anni Sessanta. Molti si interrogavano sulla necessità di mandare l'uomo nello spazio, eppure l'arricchimento in campo tecnologico e del sapere che affrontare tali sfide ha prodotto è qualcosa di cui il mondo beneficia ancora adesso.

Controllo a terra

Ma se le SBSP (centrali solari spaziali) rappresentano una fantastica frontiera per estendere i limiti della tecnologia, il vero potenziale sta negli sviluppi a terra. La verità è che la quantità di energia solare che colpisce la superficie della Terra, benché attenuata dall'atmosfera, supera di gran lunga il fabbisogno energetico del nostro pianeta. Nel Global Apollo Programme 2015, pubblicato dai maggiori esperti di energia del Regno Unito, si sostiene che il sole fornisce alla superficie terrestre una quantità di energia 5.000 volte maggiore di quella attualmente utilizzata dall'umanità.

Inoltre, da alcuni anni a questa parte, l'elettricità solare è diventata stabilmente più economica. Il costo dei pannelli fotovoltaici è 1/20 di quello di 25 anni fa, mentre le efficienze aumentano. Gli attuali pannelli in silicio convertono in elettricità circa il 20% della luce solare che li colpisce, tre volte tanto la quantità dei primi pannelli; i nuovi pannelli basati su composti come l'arseniuro di gallio (un conduttore di elettricità migliore del silicio) promettono ulteriori miglioramenti. Tutto ciò nonostante esistano limiti fisici intrinseci alla massima efficienza teorica dei pannelli solari, dovuti a vari fattori come l'energia dispersa dalla riflessione e la conducibilità dei materiali (limite di Shockley-Queisser).

Perché quindi solo l'1% del fabbisogno energetico mondiale viene attualmente soddisfatto dall'energia solare? Il limite fondamentale non è tecnologico ma l'inerzia della politica, piegata agli interessi delle grandi imprese dei carburanti fossili e dalla mancanza di investimenti adeguati, secondo i più importanti rapporti sul tema, come il Global Apollo Programme e il rapporto 2015 del MIT, intitolato The Future of Solar Energy. In questi rapporti viene dimostrato come enormi sovvenzioni globali nascondano il costo reale dell'elettricità generata dai combustibili fossili, così come l'omissione dei costi per i danni all'ambiente e alla salute che essi provocano.

Un altro motivo sta nel "disaccordo tra le esigenze di legislatori, normative e fornitori di tecnologie", secondo Stéphane Declée, Vice presidente di Energia, processo e servizi di pubblica utilità di Dassault Systèmes, azienda informatica globale.

"I nostri clienti devono adattarsi a normative e requisiti che cambiano. Utilizzando la nostra piattaforma 3DEXPERIENCE, i soggetti del settore dell'energia solare possono dimostrare la fattibilità e la sicurezza delle proprie soluzioni a diverse parti interessate, come legislatori, finanziatori, comunità locali e media".

Un'altra sfida, osserva Declée, è che "con una quota crescente di fonti di energia rinnovabile intermittenti, come quella solare, la generazione di energia non sempre coincide con il momento in cui c'è una forte domanda del mercato". La soluzione, secondo Declée, sta nello sviluppare sistemi in grado di controllare la domanda con maggiore precisione, come le smart grid, bilanciando meglio l'erogazione intermittente con una domanda più flessibile, ad esempio immagazzinando parte dell'energia rinnovabile da utilizzare al bisogno.

Esempi viventi

Oltre ai progetti portati avanti da paesi come la Cina e il Giappone, molte aziende stanno conducendo programmi innovativi per identificare modi ancora più efficienti e convenienti di produrre e immagazzinare energia. L'imponente impianto di Solana, in Arizona, è un ottimo esempio del potenziale che l'energia solare concentrata (CSP) ha di alimentare un futuro a energia solare. I suoi 3.000 specchi di dimensioni gigantesche concentrano i raggi del sole del deserto creando vapore acqueo super riscaldato che fa girare enormi turbine, fornendo energia sufficiente a 70.000 abitazioni. Cosa ancora più importante, l'impianto di Solana ha giganteschi serbatoi pieni di sale fuso che durante il giorno immagazzinano calore sufficiente al funzionamento delle turbine alla massima capacità per sei ore dopo il tramonto. Non sorprende che il numero di impianti a CSP in tutto il mondo sia destinato a raddoppiare entro il 2018.

Anche progressi tecnologici su scala più piccola stanno spianando la strada verso un futuro a energia solare. Le nuove celle solari polimeriche (PSC) trasparenti sono alla base delle "finestre solari", che producono elettricità assorbendo la luce infrarossa e lasciando passare la luce visibile. "Le nostre celle PSC sono leggere, flessibili e possono essere prodotte in grossi volumi con costi bassi", spiega Yang Yang, a capo del team della UCLA che le ha sviluppate. "La finestra solare è un'idea rivoluzionaria".

Il panorama sta cambiando anche nel settore dei trasporti. Nel corso del 2015, il velivolo ultraleggero alimentato a energia solare Solar Impulse ha iniziato a circumnavigare il globo, sebbene aeromobili più tradizionali abbiano maggiori possibilità di produrre dal sole l'idrogeno da utilizzare come carburante. Auto elettriche alimentate a idrogeno prodotto dall'energia solare sono già in circolazione e le loro prestazioni sono molto incoraggianti. Eicke Weber, direttore del tedesco Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ne guida una in grado di percorrere 300 km con una carica di 5 minuti della "pompa" a idrogeno alimentata a energia solare.

Le attuali tecnologie ci hanno già aperto la strada verso un futuro a energia solare, con stazioni spaziali che sfidano i migliori ingegneri a estendere i limiti tecnologici verso le stelle. Tutto quello di cui abbiamo bisogno è un cambio nelle priorità politiche ed economiche perché questa possibile rivoluzione energetica veda finalmente la luce.

Grazie ad aziende come Dassault Systèmes, che contribuiscono a indicare il cammino con una visione chiara e condivisa di ciò che il futuro può portare, forse il sogno di un futuro a energia solare potrebbe presto diventare realtà.

Il video, l'infografica e l'articolo sono originariamente comparsi come informazione pubblicitaria su bbc.com e sono stati realizzati dal team BBC Advertising Commercial Production in collaborazione con Dassault Systèmes.