Nei decenni passati, la disponibilità permanente di energia a basso costo era un dato di fatto che non veniva quasi mai messo in discussione. Il cambiamento climatico, da un lato, e il previsto abbandono dell'energia nucleare, dall'altro, hanno innescato discussioni sulla ristrutturazione del nostro sistema energetico, ma le misure necessarie sono state attuate finora solo in modo esitante.

Nel 2022 la situazione è cambiata radicalmente. In Europa in particolare - e quindi anche in Svizzera - c'era una massiccia carenza di energia disponibile. A seguito dell'attacco russo all'Ucraina, le forniture di gas dalla Russia, che prima coprivano più del 30% della domanda europea, si sono esaurite quasi completamente. Allo stesso tempo, solo il 50% circa delle centrali nucleari francesi è attualmente collegato alla rete, poiché i lavori di revisione sono rimasti indietro durante la pandemia e, inoltre, sono sorti problemi di corrosione sulle condutture, che hanno portato a indagini più lunghe.

Peter Richner, vicedirettore dell'Empa, davanti a "NEST", dove vengono realizzate e testate molte tecnologie edilizie ed energetiche ecologiche per il futuro. Immagine: Empa

La conseguente carenza di forniture energetiche ha fatto aumentare massicciamente i prezzi in tutti i settori, soprattutto per il gas e l'elettricità. Per un breve periodo, i prezzi dell'elettricità per il primo trimestre del 2023 hanno superato i 1.000 euro per MWh sui mercati a termine - un aumento di dieci volte in un anno! Per riportare l'offerta e la domanda in una sorta di equilibrio, nel breve periodo l'attenzione si concentra sulle misure di efficienza e di risparmio. A medio e lungo termine, l'obiettivo è rendere disponibile energia da altre fonti, che devono essere anch'esse rinnovabili e a basse emissioni di CO₂. La ricerca orientata ai materiali e alle tecnologie, come quella condotta all'Empa, costituisce la base su cui sviluppare risposte pratiche a queste sfide.

Una trasformazione massiccia del nostro sistema energetico nel giro di pochi mesi o anni è impossibile, anche se molti vorrebbero che avvenisse al momento. La costruzione di impianti solari alpini e i relativi adeguamenti della rete elettrica, l'innalzamento delle dighe delle centrali di accumulo e il passaggio all'idrogeno prodotto in modo rinnovabile per le applicazioni industriali ad alta temperatura comportano enormi investimenti e non possono essere attuati dall'oggi al domani. Pertanto, attualmente dovremmo concentrarci innanzitutto sulle misure di efficienza e risparmio. Il modo più semplice e veloce, almeno in teoria, è quello di attuare cambiamenti comportamentali, che spesso sono solo una questione di volontà. L'esempio più ovvio è l'abbassamento della temperatura ambiente in inverno, che può far risparmiare circa il 6-7% di energia per grado.

Tuttavia, è difficile farne a meno, ma ci sono sicuramente modi per ridurre significativamente il consumo energetico senza perdite evidenti in termini di comfort o prestazioni. La digitalizzazione, in particolare, offre possibilità completamente nuove. Felix Bünning e Benjamin Huber del dipartimento Urban Energy Systems hanno sviluppato un algoritmo di controllo basato sui dati per la regolazione della temperatura ambiente e lo hanno messo alla prova in NEST. Con l'aiuto di un sensore di temperatura, in due settimane è possibile creare un modello specifico per la stanza, che viene utilizzato in combinazione con le previsioni meteorologiche per controllare il riscaldamento e il raffreddamento. Ciò avviene in modo completamente automatico attraverso l'apprendimento automatico, senza la necessità di conoscere le condizioni fisiche di un edificio. Pertanto, questa tecnologia può essere implementata in modo semplice, rapido e senza adeguamenti tecnici in numerosi edifici. Rispetto alla regolazione convenzionale del riscaldamento, il consumo energetico può essere ridotto del 20-30%, come ha dimostrato una sperimentazione su larga scala nell'edificio amministrativo dell'Empa a Dübendorf nell'inverno 2021/2022. E: circa il 90% dei dipendenti ha dichiarato di non aver notato alcuna perdita di comfort. Nel frattempo, i due ricercatori hanno fondato la start-up "viboo" e sono pieni di entusiasmo per dimostrare ancora una volta che "Empa - The Place where Innovation Starts" è molto più di uno slogan.

Sono disponibili numerose altre soluzioni, che negli ultimi anni hanno dimostrato il loro potenziale e la loro fattibilità in laboratorio e nei primi progetti dimostrativi. Tuttavia, non hanno ancora trovato spazio sul mercato, semplicemente perché non hanno reso ai precedenti prezzi dell'energia e della CO₂. L'unità NEST "Solar Fitness and Wellness", ad esempio, propone un concetto energetico innovativo in grado di ridurre di tre volte il consumo energetico di saune e bagni di vapore; inoltre, consente un approvvigionamento quasi esclusivo di energia solare in combinazione con tecnologie di accumulo. Solo ora, quando gli hotel si trovano improvvisamente a dover far fronte a prezzi dell'elettricità dieci volte più alti, l'interesse per questa tecnologia sta aumentando a dismisura e ci sono buone probabilità che l'implementazione nella pratica con i partner dell'industria diventi realistica.

Lo stesso vale per la diffusione dei "contatori intelligenti". Sebbene la tecnologia sia ben nota e i dispositivi corrispondenti siano disponibili, la Svizzera sta prendendo tempo con l'implementazione; entro il 2027, l'80% di tutti i contatori elettrici dovrà essere sostituito da "contatori intelligenti". Questi sono un prerequisito fondamentale per l'integrazione di energia rinnovabile generata in modo decentralizzato e per il bilanciamento del carico a bassi livelli di rete. Ciò consente di ottenere notevoli guadagni di efficienza a livello di quartiere, come hanno dimostrato le ricerche condotte negli ultimi anni dall'Empa e dai suoi partner. Nell'attuale situazione di incertezza  della fornitura di energia elettrica, l'installazione  a livello nazionale di "Smart Meters" sarebbe un prerequisito per poter controllare la domanda in modo mirato in caso di carenza di energia, controllando centralmente gli apparecchi il cui funzionamento non è critico dal punto di vista temporale, come il riscaldamento o le caldaie.

Ci sono quindi molte soluzioni pronte e in attesa di essere implementate, e quindi di dare un contributo significativo a un approvvigionamento energetico neutrale dal punto di vista climatico, affidabile e conveniente. Tuttavia, sono necessari ulteriori sforzi per seguire con successo il percorso fino alla fine. L'attenzione si concentra sulle soluzioni che consentono di immagazzinare l'energia per diversi periodi di tempo e di trasportarla su lunghe distanze. Nuovi concetti di batterie basate su materie prime non critiche e concetti di riciclaggio per le batterie ad alte prestazioni, essenziali per la mobilità, sono al centro di diversi progetti di ricerca dell'Empa.

La completa autosufficienza energetica della Svizzera non ha senso né dal punto di vista economico né da quello tecnico. Oltre all'espansione delle energie rinnovabili a livello nazionale, occorre quindi trovare il modo di importare energia rinnovabile, soprattutto in inverno. Non è certo che ciò sia possibile da parte dei Paesi vicini, poiché è probabile che i sistemi energetici dei nostri Paesi confinanti si sviluppino in modo molto simile. In altri luoghi del mondo, invece, il potenziale di generazione di energia rinnovabile è enorme, ad esempio nelle regioni desertiche del Nord Africa, del Medio Oriente o in Patagonia e Australia. Tuttavia, trasportarla su distanze così lunghe sotto forma di elettricità non è fattibile. L'elettricità generata dal vento o dal sole deve essere prima convertita in vettori energetici chimici come idrogeno, ammoniaca o idrocarburi sintetici. Questo rende l'energia immagazzinabile e trasportabile allo stesso tempo. Nuovi catalizzatori e processi catalitici sono essenziali per rendere i processi di conversione chimica il più efficienti possibile e per produrre vettori energetici che forniscano il massimo beneficio possibile, ad esempio come sostituto della paraffina (fossile). In tutti questi approcci innovativi, il bilancio dei gas serra è centrale. Questo dovrebbe essere "netto zero" o - idealmente - addirittura negativo, cioè ridurre la concentrazione di gas serra nell'atmosfera.

Grazie alle sue conoscenze nella scienza dei materiali e nello sviluppo tecnologico, l'Empa continuerà a sviluppare nuove soluzioni che consentiranno di porre il nostro sistema energetico su basi sostenibili. Tuttavia, noi come società dobbiamo raccogliere la volontà necessaria e la corrispondente serietà per affrontare con successo questo percorso impegnativo insieme.