In questo contesto, le tecnologie ICT giocano un ruolo particolare. Da un lato, sono parte del problema. L’industria ICT nel suo complesso ha un impatto ambientale tutt’altro che trascurabile. Le radici del mondo “immateriale” dell’informatica sono in realtà saldamente ancorate alla materia. Per esempio, secondo Gartner, le emissioni di CO2 del settore ICT sono paragonabili a quelle dell’aviazione. O ancora, secondo stime dell’Uptime Institute, dieci nuove centrali elettriche saranno necessarie entro il 2015 per sostenere la crescita dei consumi dei datacenter nei soli Stati Uniti.

D’altra parte, le tecnologie ICT sono anche parte della soluzione, in quanto offrono strumenti di grande potenza per la riduzione dei consumi in altri settori. In particolare, il contributo più rilevante dell’ICT alla sfida dell’energia sostenibile risiede probabilmente nella sua capacità di controllo dei sistemi. La tesi è la seguente: se si prescinde dall’ICT, un qualsiasi sistema non può “comprendere” i propri obiettivi e il contesto in cui opera e quindi, per quanto ben progettato, consumerà quasi certamente (molta) più energia di quanto necessario.

Questo ragionamento vale a tutti i livelli, dai sistemi complessi quali le infrastrutture di telecomunicazione o la rete elettrica, fino a componenti apparentemente elementari come i motori elettrici. Questi ultimi sono oggetti più interessanti di quanto si possa sospettare, e me ne servirò per illustrare la mia tesi. Tanto per cominciare, sono ormai ubiqui. Li troviamo nei locomotori dei treni e negli impianti industriali, ma anche nei giocattoli, negli ascensori, nei computer, negli elettrodomestici. Non è sorprendente quindi che costituiscano di gran lunga il carico elettrico più diffuso, assorbendo mediamente circa la metà dell’energia elettrica nei paesi sviluppati. Aumentare l’efficienza dei motori elettrici avrebbe quindi un un impatto notevole sui consumi energetici a livello mondiale. A tal fine si può pensare di agire in molte direzioni diverse, per esempio migliorando la conversione dell’energia elettrica in meccanica, le trasmissioni, e così via.

Facciamo un piccolo esperimento mentale. Supponiamo di aver progettato un motore “ottimo”, relativamente alla tecnologia disponibile, nel senso che, per il regime di funzionamento per cui è stato progettato, ha la massima efficienza energetica possibile. Bene, potremmo restare sorpresi nello scoprire che, con tutta probabilità, ci sono ancora notevoli margini di risparmio energetico nel suo utilizzo. Come è possibile? La risposta è apparentemente banale: possiamo spegnere il motore quando non serve. La risposta è apparentemente banale perché, in molte situazioni, decidere quando “non serve” tenere acceso il motore può essere sorprendentemente complicato. Tanto per cominciare, occorre essere a conoscenza degli obiettivi complessivi che il sistema in cui è inserito il motore deve soddisfare. Bisogna poi avere una conoscenza del contesto attuale in cui il motore sta operando, calcolare le possibili conseguenze di uno spegnimento in quel particolare istante e per quella durata, stabilire se tali conseguenze siano in accordo con gli obiettivi, attuare lo spegnimento,  controllarne i risultati  e prepararsi a riaccendere il motore, con un conveniente anticipo, quando “serve”.

Cominciamo quindi a intuire perché le tecnologie ICT siano fondamentali per garantire quel controllo sul funzionamento di componenti e sistemi che può portare a significativi risparmi energetici, a parità di obiettivi e di infrastrutture, intervenendo a qualsiasi livello. A livello di singolo componente, quale un motore elettrico, le tecnologie ICT possono realizzare per esempio sistemi di controllo automatico della velocità (adjustable speed drive) che adattano in tempo reale la velocità del motore alle effettive esigenze e consentono di realizzare apprezzabili risparmi energetici. Ad un livello intermedio, di sotto-sistema, le stesse tecnologie ICT possono coordinare il funzionamento di più componenti per ottimizzarne l’efficienza, per esempio nei sistemi di domotica intelligente, dove il sotto-sistema è la singola abitazione vista come parte di un sistema più vasto, che potrebbe essere la città o addirittura l’intero settore residenziale (responsabile di circa il 26% dell’energia consumata in Europa).

Anche a livello alto, di sistema, troviamo che solo le più sofisticate tecnologie ICT sono in grado di controllare il funzionamento dei molteplici sotto-sistemi e dei singoli componenti in modo da ottimizzare il consumo energetico complessivo, coerentemente con gli obiettivi globali del sistema, che possono spaziare dalla garanzia della qualità del servizio all’affidabilità, dal rispetto dei vincoli normativi alla tutela dell’immagine dell’azienda. A titolo illustrativo, consideriamo un grande operatore telefonico. Il consumo elettrico della sua infrastruttura di rete è facilmente dell’ordine di parecchie decine di milioni di euro all’anno, un dato tutt’altro che trascurabile. Nel nostro paese, tanto per offrire qualche termine di confronto, il secondo consumatore di energia elettrica dopo le Ferrovie è Telcom Italia. Nel caso di un operatore di telefonia mobile, il consumo è dato principalmente dalle decine di migliaia di stazioni base sparse sul territorio, costituite da antenne ricetrasmittenti collegate ad alcuni apparati di rete che devono essere mantenuti entro un ben preciso intervallo di temperatura per evitare malfunzionamenti.

Per ridurre efficacemente i consumi della rete, è necessario disporre di una infrastruttura di monitoraggio capillare che consenta di analizzare i consumi nel tempo e individuare possibili margini di riduzione, pur mantenendo costante la qualità del servizio. Si scoprirà per esempio che una parte significativa dei consumi è data dall’assorbimento degli apparati di rete, che funzionano a pieno regime indipendentemente dalle condizioni di traffico effettivo che devono smaltire. Anche nelle ore notturne, quando il traffico è molto ridotto, spesso tutti gli apparati di rete rimangono accesi e perfettamente funzionanti. Questa situazione, comune a molti operatori di telefonia, è il risultato di una pianificazione e progettazione di rete effettuate in tempi in cui i temi dell’efficienza energetica non erano ancora alla ribalta, e l’obiettivo principale era aumentare la copertura e ampliare la clientela il più in fretta possibile. Oggi, tuttavia, esistono tutte le condizioni per sfruttare questi margini di miglioramento. I moderni sistemi di gestione delle reti consentono di monitorare il traffico in tempo reale, e quindi possono fornire l’input necessario ad un opportuno algoritmo di controllo che spenga dinamicamente gli apparati non necessari nelle ore a basso traffico, per riaccenderli progressivamente all’aumentare della domanda.

Si noti che il risparmio ottenibile, in percentuale, è in buona misura indipendente dall’efficienza del singolo apparato di rete, in quanto è ottenuto modificandone il profilo di utilizzo. In altre parole, anche ammettendo che tutti gli apparati di rete siano “ottimi”, nel senso che abbiamo definito più sopra per i motori elettrici, esistono ancora margini di miglioramento legati a come questi apparti vengono di fatto usati e coordinati. Tali margini potrebbero essere significativi. Anche in aree fortemente urbanizzate, come a Milano, circa il 30% dei consumi degli apparati non corrisponde ad alcun traffico da smaltire. In generale, la nostra esperienza in vari settori ci dice che l’ottimizzazione dei singoli apparati, siano essi elettrodomestici, televisori, cellulari, computer, o altro ancora, è solo una parte della soluzione. Riduzioni significative di consumo, spesso comparabili se non superiori, si possono ottenere facendone un uso più razionale.

Il caso delle infrastrutture di telefonia mobile ci può aiutare ad illustrare un altro aspetto fondamentale della questione. Una quota importante dei consumi delle reti cellulari, tipicamente intorno al 30-40%, è dovuta ai condizionatori necessari per mantenere la temperatura degli apparati di rete entro livelli accettabili. Se la temperatura di soglia non è già al limite di garanzia degli apparati, si potrebbe pensare di aumentarla di qualche grado centigrado per ridurre l’uso dei condizionatori su tutta la rete, con un risparmio apparentemente facile da quantificare. Tuttavia, questa apparente semplicità nasconde una piccola insidia. Infatti, l’aumento medio della temperatura ambientale potrebbe avere un impatto sul tasso di guasto degli apparati, di conseguenza sulla manutenzione e, in ultima analisi, sul consumo energetico globale. Non bisogna infatti dimenticare che anche la manutenzione, come qualsiasi attività, ha un suo costo energetico oltre che economico.

Questo semplice esempio illustra come il problema energetico debba essere considerato nel suo complesso, con un approccio olistico, pena il rischio di migliorare una parte del sistema peggiorando il risultato finale. Quasi invariabilmente l’introduzione di nuovi prodotti, veicoli o dispositivi che consumano meno energia viene presentata come un miglioramento dell’efficienza energetica complessiva. Ma altrettanto invariabilmente nessuno presenta il quadro nella sua interezza. Affinché un nuovo prodotto possa effettivamente portare ad un miglioramento nell’efficienza energetica complessiva occorre considerarne l’intero ciclo di vita su un periodo di tempo adeguatamente lungo. Non basta che il prodotto consumi meno durante la fase d’uso. Bisogna dimostrare che l’intero ciclo di vita sia effettivamente più efficiente, dalla progettazione alla produzione, dalla distribuzione all’utilizzo, dalla manutenzione allo smaltimento. Occorre poi verificare che un tasso di sostituzione troppo serrato di vecchi prodotti, che potrebbero durare ancora molti anni, con nuovi e più efficienti non generi sul medio o lungo periodo un'inefficienza complessiva. Infine, è necessario considerare eventuali nuovi usi o comportamenti sociali indotti dal nuovo prodotto, che potrebbero vanificare il miglioramento atteso a causa di un utilizzo più intenso o prolungato. Per inciso, l’aumento della domanda generato dalla diminuzione dei costi e dai comportamenti indotti è un fattore dell’equazione spesso trascurato ed uno dei motivi per cui, nel settore ICT, si assiste ad una crescita costante dei consumi totali, nonostante i continui e rapidissimi progressi nell’efficienza energetica dei singoli prodotti.

Un altro caso particolarmente interessante è costituito dalla rete elettrica di potenza. Secondo alcuni la più complessa infrastruttura mai costruita, la rete elettrica ha ormai un’estensione continentale e fornisce l’energia prodotta dalle centrali di generazione a centinaia di milioni di utenze attraverso una rete capillare di trasporto e distribuzione. L’estensione del sistema elettrico è considerata fra i principali indici di sviluppo delle nazioni e la sua integrità è ritenuta di interesse strategico a livello economico e militare. Questa infrastruttura enormemente complessa deve essere costantemente monitorata e mantenuta in equilibrio per evitare sbilanciamenti che potrebbero avere conseguenze molto serie. Non è pertanto difficile comprendere perché sistemi di monitoraggio e controllo basati su sofisticate tecnologie ICT siano ormai diffusi in questo settore. Ma il ruolo di tali sistemi è destinato a diventare sempre più critico a causa del profondo cambiamento che sta interessando l’intero comparto. Il vecchio modello centralizzato, con poche grandi centrali di generazione connesse agli utilizzatori finali da una rete gerarchica e a senso unico, è in corso di profonda trasformazione sotto la spinta di deregolamentazione, competizione, introduzione di energie rinnovabili, interazione con l’utente finale. Il nuovo modello che sta emergendo è decentralizzato, con fonti di energia rinnovabile distribuite e un’interazione a doppio senso con gli utenti. Necessiterà pertanto di strumenti e infrastrutture di controllo sempre più potenti. I sistemi di controllo del prossimo futuro non dovranno solo mantenere in equilibrio elettrico una rete sempre più complessa, ma saranno chiamati anche a rispondere a nuove esigenze, quali per esempio il rispetto delle normative ambientali, la massimizzazione dell’efficienza energetica dei generatori, la riduzione delle perdite nel trasporto e nella distribuzione, il miglioramento del rapporto con il cliente finale fornendo dati analitici sul consumo e inviando segnali di prezzo per gestire efficacemente la domanda, l’integrazione di molteplici sorgenti medio-piccole di energie rinnovabili intermittenti, il miglioramento della qualità dell’energia, la garanzia di sicurezza e affidabilità.

Non è sorpendente quindi che il sistema elettrico si stia integrando sempre più con le reti di telecomunicazione. Molti gestori di infrastrutture elettriche già dispongono di una rete di telecomunicazione privata basata su fibre ottiche o linee di potenza (power line communications) e desiderano sfruttarla per offrire servizi all’utenza. D’altra parte, per aumentare l’efficienza e ridurre i costi, gli stessi gestori si affidano sempre più alla rete di telecomunicazione pubblica e a fornitori di servizi internet per il proprio traffico dati, creando non poche preoccupazioni in tema di sicurezza e l’affidabilità, specie negli Stati Uniti. Non è quindi azzardato pensare ad un’integrazione ancora più spinta. La convergenza della rete elettrica e della rete telecom presenta indubbiamente aspetti interessanti. Dal punto di vista della posa in opera e della gestione, un’infrastruttura condivisa avrebbe chiari vantaggi, potendosi condividere lavori civili, torri, linee e diritti di passaggio. L’intera infrastruttura potrebbe essere progettata tenendo conto delle esigenze reciproche, dato che gli apparati di telecomunicazione devono essere alimentati, e che la rete elettrica necessita della rete telecom per il monitoraggio e la gestione. I vantaggi sarebbero ovviamente maggiori nei paesi in via di sviluppo, dove l’infrastruttura potrebbe nascere già integrata.

Dal punto di vista dell’utente, la comunicazione diventerebbere un servizio come l’acqua, il gas e l’elettricità, beneficiando di interessanti riduzioni di costo dovute alle economie di scala nella gestione di un servizio integrato. Dal punto di vista del gestore del servizio, la nuova rete diventerebbe il fondamento su cui costruire servizi innovativi, per esempio legati alla gestione della domanda di energia. Si tratta in questo caso di intervenire sulla domanda di energia da parte dell’utenza finale con lo scopo di modificarne il profilo temporale, per esempio incentivando l’uso di energia nel momenti di basso carico, e riducendolo nei momenti di picco. Una gestione in tempo reale della domanda energetica porterebbe indubbi vantaggi a livello di sistema. La riduzione dei picchi di assorbimento consentirebbe di dimensionare una capacità produttiva più vicina all’assorbimento medio, evitando la costruzione di nuove centrali solo per far fronte ai momenti di picco. Inoltre, dato che la possibilità di immagazzinamento dell’energia è limitata, incentivandone l’uso nei periodi di basso carico si eviterebbe lo spreco di energia prodotta e non utilizzata. Senza contare gli effetti positivi sull’affidabilità, derivanti dalla possibilità di prevedere ed evitare situazioni di assorbimento eccessivo. Una gestione efficace della domanda in tempo reale richiede di monitorare puntualmente gli assorbimenti, inviare segnali tempestivi all’utenza (per esempio segnali di prezzo) per modificarne il comportamento, rilevare i feedback e al limite intervenire in modo automatico staccando i carichi a bassa priorità, secondo precisi accordi contrattuali.

Sebbene l’integrazione delle tecnologie ICT nella rete elettrica sia attualmente in fase più avanzata, un’evoluzione simile è in corso anche per altre infrastrutture fondamentali, per esempio la rete idrica, la rete del gas e la rete dei trasporti. In molte parti del mondo si sta pianificando l’adozione di sistemi di telelettura automatica (Automatic Meter Reading) dei contatori della luce, del gas e dell’acqua, che consentiranno ai fornitori di servizi di ridurre i costi operativi, fornire una tariffazione più tempestiva e accurata, e adattare in modo più efficace l’offerta di energia alla domanda effettiva. Nei paesi più sviluppati va emergendo una nuova mega-infrastruttura dalla convergenza di energia (includendo rete elettrica, gasdotti, oleodotti, rete idrica), telecomunicazioni e trasporti, la cui complessità in termini di componenti e interdipendenze cresce esponenzialmente. Come controllare un sistema così eterogeneo, geograficamente disperso ma globalmente interconnesso, costituisce una seria sfida tecnica. Tanto più se si richiede il controllo in tempo reale e il perseguimento di molteplici obiettivi in un contesto di libera competizione sul mercato.

Quasi tutte le aree di ricerca e sviluppo nell’ambito ICT sono chiamate a rispondere a queste sfide. A livello di sistema, abbiamo bisogno di modelli matematici più accurati, sistemi esperti per l’ottimizzazione dinamica sulla base di strategie complesse, metodi di analisi e gestione di moli enormi di dati, strumenti di simulazione più potenti e completi. A livello di componenti, occorre ridurre in modo significativo il consumo di energia, aumentare la controllabilità da remoto attraverso interfacce e metodi standard, diminuire la necessità di manutenzione, ridurre la richiesta di condizionamento ambientale. A livello di sensoristica, occorre lavorare sulla riduzione dei costi, la capacità di operare in ambienti difficili, la semplicità di installazione e interconnessione, il tempo di vita delle batterie e la possibilità di recuperare energia dall’ambiente circostante. A livello di telecomunicazioni, occorre capire come interconnettere e accedere alle future reti di sensori altamente distribuite (smart dust), e ottimizzare apparati e protocolli per un consistente traffico dati machine-to-machine e machine-to-network altamente frammentato e proveniente da un numero di nodi potenzialmente molto più elevato rispetto ai tradizionali utenti umani.

In conclusione, l’ICT può giocare un ruolo fondamentale nell’attuare qualsiasi strategia di ottimizzazione energetica grazie alla sua capacità di controllo dei sistemi per un uso più razionale delle risorse. Tuttavia, ben difficilmente l’ICT potrà realizzare da sola l’obiettivo - l’utopia? - auspicato dall’Unione Europea di un completo disaccoppiamento fra crescita economica e consumi di energia. Si assiste infatti in Europa e nelle nazioni più sviluppate ad una progressiva riduzione dell’intensità energetica, misurata come rapporto fra l’energia consumata e il prodotto interno lordo, senza tuttavia raggiungere l’obiettivo ambizioso di un completa separazione fra crescita economica e consumo di energia. L’energia consumata annualmente dall’Europa a 25 è cresciuta mediamente dello 0,8% negli anni dal 1990 al 2003, contro una crescita del 2% del prodotto interno lordo. Di conseguenza l’intensità energetica è mediamente diminuita dell’1,2% per anno, ma nonostante questo il consumo assoluto di energia è aumentato nello stesso periodo dell’11%. Secondo le previsioni della stessa Unione Europea, questo trend è destinato a proseguire. Occorre pertanto lavorare in modo coordinato e sinergico su tutti gli aspetti e i piani del problema: politico, economico, normativo, sociale, tecnologico, culturale. Soprattutto, mai come nel caso dei temi dell’efficienza energetica e dell’impatto ambientale, è imperativo un approccio olistico e multidisciplinare.

Efficienza energetica e nuove convergenze

di Diego Ragazzi 

pubblicato su Beltel di gennaio 2009

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