La decarbonizzazione degli edifici riveste un’importanza fondamentale – anche se non sempre adeguatamente evidenziata – nella transizione green e la tecnologia digitale rappresenta un potente alleato per raggiungere l’obiettivo di un’edilizia smart.
Gli accordi Parigi prevedono che il settore globale degli edifici e delle costruzioni raggiunga emissioni nette zero entro il 2050 e che gli edifici di nuova costruzione dal 2030 siano già net-zero. L’Agenzia internazionale per l’energia (Aie) ha però sottolineato che, al momento, la maggior parte dei paesi non è a buon punto in questo percorso, mentre la superficie ricoperta da edifici continua ad aumentare (la stima è del 20% dal 2020 al 2030) e, con essa, la domanda di energia.
Reti mobili, data center innovativi, tecnologie di analisi dei dati e intelligenza artificiale applicati all’energy management e materiali hitech fanno parte delle innovazioni che aiutano a rendere gli edifici degli smart buildings.
Gli smart buildings per la transizione green
Secondo i dati Aie il settore degli edifici consuma circa il 30% (o 127 exajoule) di energia su scala globale sotto forma di elettricità, gas naturale e combustibili liquidi e solidi per il riscaldamento, il raffreddamento, la cottura, l’illuminazione e gli usi delle attrezzature. È responsabile di circa il 27% delle emissioni globali di CO2 legate all’energia, che ammontano a 10 gigatonnellate metriche di anidride carbonica all’anno (nel 2021). Di queste emissioni, il 32% proviene direttamente da gas fossile, olio combustibile, cherosene e il 68% proviene indirettamente dall’elettricità. Quando viene contabilizzato il consumo di materiali utilizzati nella costruzione di edifici, la quota del settore buildings nel consumo di energia e nelle emissioni sale rispettivamente al 36% e al 37%.
L’efficienza energetica potrebbe contribuire a circa il 25% delle riduzioni necessarie per decarbonizzare il settore degli edifici per raggiungere l’obiettivo net zero entro il 2050, soprattutto riducendo la domanda di energia per servizi come riscaldamento, raffreddamento, illuminazione e ventilazione. Un’ulteriore riduzione del 30% potrebbe provenire dall’uso diretto di energia rinnovabile, come il fotovoltaico, l’acqua calda solare termica e l’idrogeno. Il restante 45% della riduzione diretta delle emissioni arriverebbe attraverso l’elettrificazione degli edifici.
La transizione verso edifici ad alte prestazioni entro il 2030 richiederà diverse innovazioni, incluse quelle per aumentare i rendimenti degli investimenti in edilizia ad alte prestazioni, tenendo conto dei prezzi dell’energia, dei costi del lavoro e della natura della progettazione o delle ristrutturazioni o retrofit dell’edificio.
L’innovazione sarà fondamentale anche per gestire la domanda di connettività, servizi di rete e data center, che è prevista in forte crescita nel prossimo decennio.
L’efficienza energetica delle reti mobili
Il traffico globale Ip – che è triplicato dal 2018 al 2022, secondo i dati Cisco – continua a crescere e si sposta sempre più verso il wireless e il mobile. Le stime indicano che i dispositivi wireless e mobili hanno rappresentato oltre il 70% del traffico nel 2022, rispetto a circa la metà del 2018.
Questo maggiore utilizzo delle reti mobili può avere implicazioni significative per l’uso di energia, date le intensità elettriche (kWh/Gb) considerevolmente più elevate rispetto alle reti di rete fissa a parità di traffico.
La soluzione è ovviamente la migrazione a reti più evolute. Le reti 4G sono circa 50 volte più efficienti dal punto di vista energetico del 2G. Ancora minore l’impatto delle reti 5G, almeno dieci volte più efficienti del 4G.
Intelligenza artificiale nei data center
Il passaggio a cloud più efficienti e a data center hyperscale riduce l’intensità energetica dei servizi del data center, ma l’applicazione dell’intelligenza artificiale e del machine learning permette guadagni di efficienza più significativi.
L’intelligenza artificiale per la gestione dell’infrastruttura del centro dati può, infatti, ridurre l’energia utilizzata dall’infrastruttura di raffreddamento e dall’infrastruttura di alimentazione.
L’intelligenza artificiale per la gestione delle risorse può, inoltre, migliorare l’ottimizzazione del carico di lavoro dei server, gestire l’utilizzo degli elementi hardware e la congestione della rete.
Le soluzioni di gestione termica pesano per il 30-40% del consumo energetico annuale di un data center. Oggi le thermal management technologies sono principalmente basate sull’aria, sotto forma di condizionatori per sale computer. Tuttavia, con l’aumento del consumo energetico di Cpu e Gpu e la crescente presenza di acceleratori nei server le densità di potenza dei rack sono in aumento e questo porta alla necessità di gestire carichi di calore più elevati, dove l’aria ha iniziato a raggiungere i limiti di ciò che può essere fisicamente raffreddato. Per questo motivo il settore ha iniziato a pensare di introdurre sistemi come il raffreddamento diretto a liquido (Dlc), che cattura – secondo le stime – l’80% del calore generato da un server. Il raffreddamento a immersione è un invece un processo che consiste nell’immergere un server appositamente progettato, o un server di serie leggermente modificato, in un serbatoio di un fluido specifico, per catturare quasi il 100% del calore generato.
Alla fine del 2021, il raffreddamento a liquido e a immersione rappresentava circa il 5% (168 milioni di dollari) del fatturato totale della gestione termica dei data center. Dell’Oro Group prevede che l’adozione del raffreddamento a liquido continuerà e accelererà fino al 2026, raggiungendo un totale di 1,1 miliardi di dollari (19%) dei ricavi della gestione termica.
Verso edifici più efficienti
Le opzioni tecnologiche per migliorare l’efficienza energetica e decarbonizzare gli edifici in generale includono materiali isolanti ad alte prestazioni e a basso costo, finestre isolanti, sistemi di riscaldamento e raffreddamento ad alta efficienza, elettrodomestici e attrezzature ad alte prestazioni e sistemi di controllo intelligenti e digitali.
Anche lo stoccaggio integrato e le tecnologie di energia rinnovabile per gli edifici (ad esempio, l’accoppiamento della produzione di energia pulita con lo stoccaggio locale e l’uso locale di energia) possono indirizzare più obiettivi di mitigazione dei cambiamenti climatici contemporaneamente. Per esempio, lo stoccaggio di energia termica può spostare la domanda di raffreddamento e riscaldamento, consentendo anche una maggiore penetrazione di fonti rinnovabili variabili nel sistema energetico. Le energie rinnovabili integrate (ad esempio sulla facciata di un edificio) possono anche consentire una maggiore produzione di energia, poiché l’area correlata di solito è molto più grande dello spazio sul tetto.
Il ruolo delle smart grids
Gli edifici possono diventare più efficienti dal punto di vista energetico attraverso un approccio incrementale, con il retrofitting, o ristrutturazioni profonde mirate, che sono più efficaci e efficienti e meno frammentarie. Vanno ovviamente calcolati i costi delle tecnologie e della manodopera e la necessità di competenze e know-how.
L’elettrificazione degli edifici è un’altra operazione chiave che consente agli edifici di diventare net zero eliminando gradualmente l’uso diretto di combustibili fossili insieme all’aggiunta di una produzione rinnovabile in loco e di una rete elettrica a energia rinnovabile. In questo caso la realizzazione degli smart buildings deve andare di pari passo con quella delle smart grids.
Le strategie green-digital
L’Aie stima che, per raggiungere emissioni nette zero a livello globale, gli investimenti globali nelle reti elettriche dovranno più che raddoppiare, da circa 300 miliardi di dollari all’anno nel periodo 2016-2020 a oltre 600 miliardi di dollari all’anno, in media, durante il 2026-2030. L’aumento dovrà avvenire principalmente nei paesi emergenti e in via di sviluppo e concentrarsi sulla digitalizzazione.
La decarbonizzazione della rete può migliorare la sicurezza energetica, ma solo con una corretta pianificazione, investimenti e azioni tempestive per evitare una pressione sul sistema elettrico durante la transizione. Le risorse energetiche distribuite, come i pannelli solari fotovoltaici, le batterie e altri importanti carichi distribuiti come i condizionatori d’aria, si stanno rapidamente espandendo. È fondamentale gestire la loro crescita per mantenere l’affidabilità del sistema, controllare i costi e garantire che i modelli di business delle utility tengano il passo con questi cambiamenti.
Inoltre, va tenuto conto del fatto che i sistemi elettrici sono ad alto rischio di interruzioni causate da eventi legati al clima e anche, man mano che diventano sempre più digitalizzati, di incidenti di cybersicurezza. Ogni aspetto del sistema energetico smart, dalla generazione alla distribuzione allo stoccaggio, andrà, da un lato, reso più efficiente con sensori connessi alla rete (IoT), sistemi di analisi dei dati (analytics) e predizioni sulla domanda e l’offerta (grazie all’intelligenza artificiale), dall’altro protetto da possibili manipolazioni e attacchi cyber.
