Città al potere: la Smart City organizza l'energia
da Dirk Baranek | 19.06.2019
Il concetto di smart city implica, tra l'altro, un sistema di produzione e utilizzo dell'energia strettamente collegato in rete. Le città devono muoversi in questa direzione per influenzare positivamente la loro impronta di carbonio. Perché finora le città sono state soprattutto luoghi di consumo energetico. La situazione cambierà.
Perché la smart city ha senso?
Ha senso dal punto di vista economico se la produzione di energia e il suo utilizzo hanno un legame locale. Se l'elettricità viene generata dove le persone vivono, si risparmiano enormi risorse. Soprattutto, alleggerisce l'onere della rete di trasmissione e rende superflua l'espansione della rete con linee elettriche controverse. Per questo è giusto che le città pensino a come generare energia utilizzabile sul proprio territorio.
Poiché le turbine eoliche sono vietate in prossimità degli insediamenti e l'energia idroelettrica è disponibile solo in misura limitata, gli sforzi si concentrano su due tecnologie: il fotovoltaico e la cogenerazione. La smart city genera in loco l'elettricità che consuma. Le città con milioni di abitanti organizzano milioni di generatori di elettricità che forniscono elettricità alla città utilizzando impianti grandi e piccoli. L'accumulo di energia elettrica con strategie di carica e scarica ottimizzate e isistemi intelligentidi monitoraggio solare sono parti fondamentali del sistema per far funzionare questa Smart City.
Combinazione di calore ed energia: quasi in grado di funzionare a carico di base
Le città dell'emisfero settentrionale hanno uno svantaggio in termini di approvvigionamento energetico rispetto a quelle del sud: devono utilizzare energia per il riscaldamento. Certo, nel Sud molti condizionatori funzionano per questo motivo, ma per riscaldare gli edifici sono necessarie quantità di energia molto maggiori. Nei prossimi decenni queste capacità continueranno ad essere alimentate in gran parte da combustibili fossili. È quindi ancora più importante utilizzarli in modo efficiente. Questo è il cuore della cogenerazione: quando è necessaria l'energia di riscaldamento, i sistemi generano contemporaneamente calore ed elettricità, raggiungendo così un'efficienza di quasi il 100 %.
Gli impianti di cogenerazione e i sistemi di riscaldamento a celle a combustibile utilizzano gas naturale o biogas e, quando riscaldano l'acqua, generano elettricità con il calore di processo. Questi riscaldatori sono una gradita fonte di elettricità in autunno e in inverno. Producono quasi senza interruzioni, rendendo questa elettricità caricabile alla base. Centinaia di migliaia di piccole centrali elettriche ad alta efficienza con un rendimento del 95% invece di poche grandi centrali fuori dalle porte della città con un rendimento massimo del 45%: queste sono le alternative.
Per questo motivo, la smart city intende promuovere sistemi di riscaldamento che generano calore ed elettricità. Almeno fino a quando l'uso dei combustibili fossili non sarà completamente eliminato.
Fotovoltaico: le città intelligenti hanno spazio sufficiente
La produzione di energia elettrica da fotovoltaico ha raggiunto un ottimo rapporto costi-benefici. Così buoni, infatti, che questi impianti possono essere gestiti in modo economicamente vantaggioso anche in circostanze climatiche piuttosto sfavorevoli - per non parlare della necessità di politica climatica del loro utilizzo. La sfida per le città nell'installazione di impianti di generazione solare risiede nello spazio necessario. Il fotovoltaico richiede spazio. Questo allontana alcuni contemporanei che non riescono ad abituarsi alla visibilità pubblica degli impianti di produzione di energia elettrica. Per rassicurarli, si può affermare: Non c'è bisogno di tanto spazio come si potrebbe temere.
Ecco alcune cifre per orientarsi:
- Un metro quadro di impianto fotovoltaico genera circa 200 kWh di elettricità all'anno.
- Una città di 600.000 abitanti come Stoccarda ha bisogno di circa 840 milioni di kWh di elettricità all'anno.
- Se metà dell'elettricità di Stoccarda dovesse essere generata con il fotovoltaico, sarebbe necessaria un'area di 2,1 milioni di metri quadrati.
- Per fare un confronto: a Stoccarda, un'area di quasi 38 milioni di metri quadrati è coperta da edifici. Altri 30 milioni di metri quadrati sono utilizzati per le aree di circolazione.
Conclusione: sì, il fotovoltaico ha bisogno di spazio, ma certamente non su una scala che le città non possono gestire. Si tratta piuttosto di attivare nelle città aree che abbiano un senso economico e in cui il fotovoltaico si inserisca organicamente nello spazio urbano.
Il fotovoltaico sui tetti vecchi e nuovi della città
I moduli fotovoltaici si troveranno su ogni tetto di una smart city, se ha senso generarvi elettricità: case private, edifici industriali e commerciali, edifici pubblici come scuole, palazzetti dello sport e strutture amministrative, depositi, ecc. La smart city cerca di sfruttare appieno il potenziale disponibile per la generazione di energia elettrica.
E la smart city sarà inventiva nel trovare il potenziale. Ci saranno PV alle fermate degli autobus, nelle aree di traffico coperte di recente, come i parcheggi o gli ultimi piani dei parcheggi multipiano.
Grazie alle nuove possibilità tecniche, come la costruzione di impianti fotovoltaici direttamente nelle tegole, l'elettricità sarà presto generata su tutti i tetti delle città e in molti luoghi degli spazi pubblici.
Utilizzando la verticale
I grattacieli genereranno elettricità con le loro facciate in vetro. Esistono diversi approcci tecnici per generare elettricità con i rivestimenti dei grattacieli. Le celle solari semitrasparenti nei vetri delle finestre, ad esempio, utilizzano solo una parte dello spettro luminoso per generare energia e trasmettono l'altra parte sotto forma di luce attenuata o colorata.
Tutti questi approcci hanno uno svantaggio: la resa di questi moduli in vetro non è neanche lontanamente paragonabile a quella dei normali moduli fotovoltaici. Gli occhiali speciali difficilmente generano più del 10%. Tuttavia, le superfici verticali dei grattacieli sono molte volte più grandi delle superfici orizzontali del tetto.
Un altro campo d'azione del fotovoltaico sono le ringhiere, che nelle città non si trovano solo sui balconi delle case. Ponti, parapetti di terrazze, ecc: I fornitori sono inventivi e sviluppano elementi assolutamente a prova di incidente che generano elettricità.
Le masse lo fanno
La conseguenza di queste numerose applicazioni possibili per il fotovoltaico è che molti, molti piccoli e piccolissimi impianti produrranno elettricità e la immetteranno nella rete. Quando il sole splende forte, viene prodotta molta elettricità; quando il sole splende poco o per niente, corrispondentemente meno. La città solare dipende quindi fortemente dalle condizioni meteorologiche per la produzione di elettricità.
L'utilizzo dell'elettricità solare generata, invece, non lo è: avviene sempre, indipendentemente dalle condizioni atmosferiche. I sistemi di accumulo vengono utilizzati per colmare questo gap, ovvero la differenza di tempo tra la produzione e l'utilizzo di energia elettrica.
I sistemi di stoccaggio dell'elettricità sono necessari nella Smart City
Il sole non splende sempre. I moduli fotovoltaici generano elettricità anche quando il cielo è nuvoloso, ma di notte non contribuiscono assolutamente alla fornitura di energia. Per garantire il consumo in questi periodi, la Smart City disporrà di molte unità di stoccaggio dell'elettricità. Se queste saranno tutte batterie agli ioni di litio, di cui decine di migliaia vengono già messe in funzione ogni anno, è una questione aperta. Scienziati e ingegneri di tutto il mondo stanno lavorando su concetti che avvicinano il problema dell'immagazzinamento a una soluzione nel modo più efficiente ed economico possibile: sale riscaldato, produzione di idrogeno (power-to-gas), immagazzinamento di energia a strati, immagazzinamento di aria compressa e molto altro ancora.
Il futuro mostrerà quali sistemi possono essere sensibilmente integrati negli spazi urbani. Tuttavia, il fatto che ci saranno batterie in ogni scantinato di un edificio è uno scenario realistico, almeno per il prossimo futuro.
Caso speciale di mobilità
Le città destinano una parte considerevole delle loro risorse alle esigenze di mobilità dei loro abitanti. La città intelligente di domani avrà un forte sistema di trasporto pubblico elettrificato. Il trasporto individuale con autovetture private sarà ulteriormente arretrato.
Tuttavia, anche il possesso di auto elettriche private offre delle opportunità. Perché le auto elettriche della prossima generazione, e solo loro hanno un futuro nelle città, svolgeranno due funzioni: Generano elettricità e la immagazzinano. La superficie di un'automobile è limitata, ma abbastanza grande da poter installare moduli fotovoltaici sul tetto e sui lati. Questi sono, ovviamente, sicuri per il traffico. Più interessanti per l'ecosistema energetico di una città, tuttavia, sono le batterie che immagazzinano l'energia per la propulsione delle auto elettriche. Si caricano preferibilmente quando c'è il sole.
Ma le batterie potrebbero anche rilasciare l'elettricità non necessaria alle auto quando è urgentemente richiesta dalla rete elettrica. Questi due scenari possono essere realizzati con le auto elettriche se gli utenti si comportano di conseguenza.
Questo è possibile se si premiano i comportamenti che si adattano alle fluttuazioni del mercato dell'energia. Quando il sole splende, c'è abbondanza di elettricità. Il prezzo dell'elettricità scende. Una buona motivazione per i conducenti di auto elettriche a collegare subito il proprio veicolo per la ricarica. Quando il prezzo dell'elettricità aumenta perché è buio e le centrali non producono abbastanza, c'è un incentivo finanziario a mettere a disposizione della rete l'elettricità che non è attualmente necessaria. Le auto elettriche sono fondamentalmente batterie motorizzate che stabilizzano il sistema energetico della smart city.
Gli abitanti delle città utilizzano l'energia in modo flessibile
Come nel caso delle auto elettriche, è auspicabile che gli abitanti delle città adattino il loro utilizzo di energia alla situazione del sistema energetico. Il principio è chiaro: prelevare elettricità quando ce n'è in abbondanza e viceversa.
Ad esempio, far funzionare la lavatrice a mezzogiorno, quando il sole è al massimo e l'abbondanza di elettricità nel sistema fa crollare i prezzi. D'altra parte, prelevare elettricità nel cuore della notte diventerà più costoso. I costosi sistemi di batterie da cui viene fornita l'elettricità di notte devono essere rifinanziati.
Pertanto, i sistemi di incentivi finanziari, gestiti digitalmente e operanti in tempo reale sul mercato dell'elettricità aggiornato quotidianamente, garantiscono un comportamento adeguato.
La rete elettrica è digitale
La smart city ha un sistema energetico trasparente e controllato digitalmente. È necessaria un'ampia tecnologia informatica per modellare tutti i generatori, tutti i consumatori, tutte le capacità di stoccaggio e l'influenza delle condizioni meteorologiche in un sistema significativo e coordinato. Il monitoraggio e il controllo dei sistemi solari svolgono un ruolo di primo piano.
I dati in tempo reale vengono confrontati con le serie storiche per sviluppare previsioni affidabili. Da ciò i fornitori di energia ricaveranno in futuro segnali di mercato per influenzare il comportamento degli utenti.
La smart city non funzionerà senza l'IT, perché il mercato dell'elettricità, che finora è stato piuttosto statico con tariffe eternamente valide, ora diventerà un organismo di mercato molto più dinamico a cui parteciperà quasi ogni abitante della città. L'informatica è fondamentale per questo. I dati di mercato ne sono la base.