Il cambiamento climatico è diventato visibile e tangibile in molte parti del mondo. Inoltre, l’effettivo Tco (Total Cost of Ownership) delle fonti energetiche convenzionali e dei processi di produzione diventa sempre più chiaro e dimostra l’urgente necessità di produrre energia rinnovabile. I concetti di una soluzione tecnica esistono già. L’industria, in particolare l’ingegneria elettrica e la tecnologia dell’informazione, può e deve ora partecipare a plasmare il futuro.
La correlazione tra condizioni sociali e sviluppi tecnici ed economici si riflette nell’evoluzione di successo dell’ingegneria elettrica e della tecnologia dell’informazione degli ultimi 150 anni. E questo processo è tutt’altro che concluso: oltre alla digitalizzazione e ad Internet come motore di rivoluzionari sviluppi tecnici ed economici, si pongono sempre più spesso due questioni globali per il futuro che richiedono risposte valide, anche a livello tecnico: il cambiamento climatico e il miglioramento delle condizioni di vita di milioni di persone in tutto il mondo. Il modo in cui si risponde a queste domande sociali ed ecologiche avrà effetto su tutti e su tutto nel mondo globalizzato.
Soluzioni di natura prevalentemente tecnica
In questi processi, la politica internazionale sta assegnando un ruolo decisivo all’industria, soprattutto attraverso i temi dell’elettrificazione, dell’interconnessione e dell’automazione. Ad esempio, gli ambiziosi obiettivi climatici dell’Accordo di Parigi del 2015 hanno portato la Germania a svolgere un ruolo pionieristico nella trasformazione del sistema energetico. I 17 Sustainable Development Goals delle Nazioni Unite (ONU), adottati nel 2016 per lo sviluppo sostenibile, presuppongono che circa il 70% delle soluzioni sarà di natura tecnica.
Il settimo obiettivo di sviluppo formulato dalle Nazioni Unite per l’energia pulita a prezzi accessibili è particolarmente rilevante per l’ingegneria elettrica, in quanto collega le sue competenze fondamentali alle due questioni globali del futuro sopra menzionate. Questi erano e sono talvolta presentati come obiettivi contrastanti: lo sviluppo più rapido dei paesi emergenti ed in via di sviluppo richiede l’uso di fonti di energia fossile, in quanto è più economico generare elettricità su questa base. In questo contesto, gli effetti negativi sul clima devono essere accettati come danni collaterali.
In considerazione dei noti costi correlati allo stoccaggio finale dei residui radioattivi o di un incidente nucleare, si evidenzia come gli attuali prezzi dell’elettricità non coprano i costi totali di questa forma di generazione di energia. Lo stesso vale in Germania per la produzione di carbone, sia sotterranea che in superficie. Il Ministero Federale dell’Ambiente dichiara costi aggiuntivi legati al clima per tonnellata di CO2 dell’ordine di 180 euro, che non compaiono in nessuna bolletta elettrica ma devono essere sostenuti dalla collettività. Questi risultati cambiano la visione del conflitto di obiettivi sopra descritto, perché la produzione di energia rinnovabile è quindi imperativa non solo per motivi ecologici, ma soprattutto economici.
L’elettricità come energia primaria prodotta in modo sostenibile
È noto che la quantità di energia solare disponibile supera notevolmente il fabbisogno energetico mondiale ed è inesauribile per gli standard umani. Inoltre, sono già state poste le basi tecniche per soddisfare questa domanda con elettricità prodotta con energia solare, a impatto zero dal punto di vista climatico, rigenerativa e rispettosa dell’ambiente. Questo rende concepibile un mondo futuro in cui l’energia elettrica per tutti gli ambiti della vita e del lavoro venga generata esclusivamente da fonti rinnovabili a emissioni zero di CO2: la All Electric Society.
(fonte fotografica: Wang An Qi@shutterstock.com)
Tuttavia, “All Electric” non significa che altre fonti di energia non avranno più un ruolo in futuro. Questo perché l’elettricità generata dal sole o dal vento non è disponibile ovunque in modo uguale e continuo, inoltre, è anche difficile da immagazzinare. Si aggiunge che l’elettricità non è adatta a tutte le applicazioni energetiche come vettore energetico, ad esempio nel trasporto aereo e marittimo, o nel riscaldamento degli edifici. Per offrire soluzioni praticabili, l’idea della All Electric Society si basa su un cambiamento di paradigma. Mentre negli ultimi decenni l’elettricità è stata generata principalmente dalle fonti di energia primaria quali carbone, petrolio e gas, in futuro l’elettricità diventerà a sua volta energia primaria prodotta in modo sostenibile, che può essere convertita in altre fonti di energia liquida o gassosa che sono anche neutre dal punto di vista della CO2.
La strada verso la All Electric Society è ancora lunga, ma in linea di principio è nota. Il cambiamento di paradigma sopra menzionato si basa sulle tecnologie Power-to-X, che forniscono risposte tecnicamente convincenti alle domande sulla disponibilità, lo stoccaggio e l’utilizzo dell’energia elettrica. Attraverso processi di conversione, Power-to-X rende l’energia ottenuta come elettricità utilizzabile, ad esempio, sotto forma di idrogeno, metano o metanolo. L’elettricità può quindi essere utilizzata per produrre carburanti neutri dal punto di vista climatico per automobili, navi o aerei. I cosiddetti eFuels consentono l’ulteriore utilizzo dell’infrastruttura esistente, rappresentano una buona forma di stoccaggio e trasporto dell’energia e possono anche essere riconvertiti in energia elettrica attraverso gli impianti di cogenerazione.
Aumento dell’efficienza energetica
Tuttavia, la bassa efficienza di conversione energetica delle tecnologie Power-to-X richiede una significativa riduzione del costo della produzione di energia rigenerativa per produrre eFuels in modo economico. A lungo termine, ci si può aspettare una tale riduzione come risultato della massiccia espansione globale della produzione decentralizzata di energia rinnovabile. Per l’attuale periodo di transizione, si sta rivelando fondamentale aumentare l’efficienza energetica. L’accoppiamento di settore fornisce una soluzione tecnica che è anche economicamente conveniente. Si tratta di un collegamento in rete completo e intelligente dei settori dell’energia, dell’industria, della mobilità, delle infrastrutture e dell’edilizia, sia in termini di informazioni che di energia. L’obiettivo è un sistema globale efficiente ed equilibrato in cui l’energia in eccesso possa sempre essere indirizzata dove è necessaria. La base per questo è la massima elettrificazione e la successiva digitalizzazione, l’interconnessione e l’automazione di tutti i settori.
Qui entrano in gioco l’elettricità, l’automazione e l’informatica. Le strutture e le architetture del sistema odierno hanno una forma storica. In ogni settore si sono affermati diversi standard tecnici, che svolgono i loro compiti nei rispettivi ambiti. Tuttavia, nell’interconnessione tra i vari settori, gli standard e le differenze tecnologiche diventano un ostacolo. Per consentire la necessaria comunicazione, occorre costruire dei “ponti tecnologici” che però fanno lievitare i costi del progetto. Un esempio è il collegamento di dispositivi di automazione di edifici e b, in modo che, ad esempio, i valori climatici di un locale possano essere utilizzati per il monitoraggio o l’ottimizzazione dei processi, oppure l’energia generata dal recupero possa essere reimmessa in una rete di edifici. Un tale accoppiamento è tecnicamente fattibile, ma richiede grandi sforzi.
(fonte fotografica: NicoElNino@shutterstock.com)
Convergenza nell’ingegneria elettrica e nella tecnologia dell’informazione
L’implementazione economica dell’accoppiamento di settore richiederà, nei prossimi anni, una convergenza nell’ingegneria elettrica e nella tecnologia dell’informazione attraverso i domini classici come l’automazione degli edifici, l’ingegneria del traffico e l’automazione di fabbrica e di processo. Le tecnologie di base necessarie sono già disponibili: dal 5G via TSN al Single Pair Ethernet, è possibile implementare un’infrastruttura di comunicazione senza soluzione di continuità tra i numerosi dispositivi installati dal livello sensore-attuatore fino al sistema IT. Su questa base, gli standard di comunicazione come OPC UA, le piattaforme di controllo aperte come PLCnext Technology di Phoenix Contact, le soluzioni software per container come Docker, i progetti open source come il framework MORYX recentemente pubblicato da Phoenix Contact su Github e gli ambienti di sviluppo low-code accelerano la gestione di progetti e applicazioni intersettoriali. Esiste già una vasta esperienza a livello mondiale per quanto riguarda l’implementazione tecnica di un accoppiamento di settore.
La tecnologia si sta quindi dimostrando un elemento essenziale che contribuisce a limitare il cambiamento climatico nonché a rendere partecipi milioni di persone allo sviluppo e alla prosperità. Il quadro futuro della All Electric Society sta quindi prendendo forma. Le aziende, le organizzazioni, le associazioni e gli altri attori del settore dell’automazione e dell’elettrotecnica industriale devono ora formare e progettare insieme il quadro generale. Ciò richiede molti dialoghi ed interconnessioni, sia all’interno del settore sia verso la ricerca, la scienza ed il pubblico.
Espansione della leadership tecnologica
Le aziende possono seguire il percorso verso la All Electric Society in due modi diversi: o in concorrenza con nuove tecnologie, soluzioni e prodotti che rendono sempre più efficiente la produzione di energia sostenibile, l’accoppiamento di settore e la produzione di eFuels, oppure, in stretta collaborazione a livello mondiale, sviluppando soluzioni ai problemi più urgenti anche come mercato comune. L’industria elettrica ed informatica in Germania può espandere dinamicamente la sua leadership tecnologica evolvendo ulteriormente l’immagine di una futura All Electric Society. È importante riconoscere le opportunità e, come industria, impegnarsi in un dialogo congiunto più intenso.
Riferimenti bibliografici:
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World Economic Forum: How New Technologies Can Be Key to Tackling the Global Goals. in cooperation with pwc, https://www.weforum.org/reports/unlocking-technology-for-the-global-goals, 26.06.2020.
*Frank Possel-Dölken è chief digital officer di Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, Germania e sovrintende, fra le altre cose, alla trasformazione digitale dell’azienda
