Elettrificazione dei consumi domestici: la resilienza si misura con l’AI

La progressiva elettrificazione dei consumi domestici basata sull’impiego delle fonti rinnovabili si rende necessaria per ridurre le emissioni e per puntare alla transizione energetica. Ma cosa succede nel caso di eventi meteo estremi, sia durante l’inverno sia d’estate?

Un team della Steven Institute of Technology ha effettuato uno studio, basato sui modelli energetici di 129mila case unifamiliari in otto Stati, per scoprire le “firme” energetiche nascoste che distinguono le case completamente elettrificate – quelle alimentate interamente da elettricità – da quelle che impiegano un mix diversificato di fonti energetiche.

Si è avvalsa di tecniche di intelligenza artificiale per studiare l’impatto delle condizioni meteorologiche estreme sulle due tipologie di abitazione. Quelle completamente elettrificate provviste di fotovoltaico affrontano rischi significativamente più elevati durante le tempeste invernali, con una vulnerabilità maggiore del 60% rispetto alle case con alimentazione energetica mista. Al contrario, le stesse mostrano una maggiore resilienza durante le ondate di calore, sfruttando le risorse energetiche rinnovabili per mitigare i rischi.

L’importanza dell’elettrificazione dei consumi domestici per ridurre le emissioni

Lo studio non vuole affossare l’impiego delle rinnovabili, quanto sottolineare l’importanza della differenziazione energetica e delle risorse energetiche distribuite (DER) nella riduzione delle vulnerabilità alle interruzioni.

L’elettrificazione dei consumi domestici “ha un immenso potenziale per ridurre le emissioni”, ha rilevato il coordinatore dello studio, Philip Odonkor, direttore del Design Informatics Lab e professore associato presso il Dipartimento di sistemi e imprese allo Steven Institute of technology. Si sa che l’edilizia e il patrimonio costruito devono puntare ad abbattere consumi energetici ed emissioni climalteranti.

Ormai è evidente come l’impatto delle attività umane e il conseguente aumento dei gas effetto serra siano i principali responsabili dei cambiamenti climatici e degli effetti conseguenti. Pensiamo all’intensificarsi degli eventi meteo estremi. Solo in Italia, lo scorso anno Osservatorio Città Clima di Legambiente ne ha contati 351, cresciuti di quasi sei volte (+485%) rispetto al 2015.

Resilienza ai cambiamenti climatici e agli eventi meteo

I cambiamenti climatici e gli effetti avversi sono da affrontare con strategie di resilienza che riducano quanto più possibile le interruzioni di corrente. È un problema di livello mondiale e che ha portato, per esempio, ai disastrosi effetti causati in Texas nel febbraio 2021 a seguito di una tempesta invernale. Quest’ultima ha causato interruzioni elettriche, lasciando al buio e al gelo milioni di persone, con pesanti perdite di vite umane (57 vittime) ed economiche (195 miliardi di dollari di danni).

Da una parte vanno considerati gli impegni delle città nella decarbonizzazione attraverso l’elettrificazione degli edifici, dall’altra “la crescente dipendenza dai sistemi elettrici introduce nuove vulnerabilità durante le interruzioni di corrente”, sottolinea il team di ricerca nell’articolo, pubblicato sul Journal of Smart Cities and Society. Già oggi, più di un quarto di case degli Stati Uniti conta sulla completa elettrificazione dei consumi domestici (fonte: EIA); le installazioni fotovoltaiche sono destinate a triplicare nei prossimi cinque anni.

“Stiamo correndo verso l’elettrificazione per combattere il cambiamento climatico, ma dobbiamo anche comprendere i rischi che ne derivano”, ha affermato Odonkor.

Fotovoltaico e storage: cosa occorre considerare, grazie all’AI

Per valutare la vulnerabilità delle famiglie alle interruzioni di corrente, il lavoro di ricerca del team statunitense ha messo a punto un framework data-driven, sfruttando i dati energetici sintetici ad alta risoluzione da 129mila abitazioni unifamiliari statunitensi in otto Stati. Ha sviluppato una metodologia basata sull’intelligenza artificiale, più precisamente su machine learning, che classifica i livelli di elettrificazione delle famiglie con oltre l’80% di accuratezza e valuta la vulnerabilità in diversi scenari climatici e di stress della rete.

Nello studio, è emerso che l’integrazione di DER, come fotovoltaico e batterie di accumulo, è un fattore critico nella resilienza domestica. Queste tecnologie di generazione di energia elettrica su piccola scala possono migliorare l’affidabilità durante le interruzioni, ma la loro efficacia vari a seconda della posizione geografica, del clima e della progettazione del sistema.

Non solo: si è notato che la vulnerabilità varia in modo significativo con le condizioni climatiche e le misure di adattamento. Per esempio, le famiglie con sistemi di riscaldamento elettrico mostrano un consumo invernale tre volte superiore. Ciò implica una maggiore vulnerabilità durante gli eventi di freddo. Analogamente, la presenza di installazioni fotovoltaiche modifica la vulnerabilità attraverso il potenziale di generazione durante le ore diurne.

Questo aspetto evidenzia, secondo gli autori dello studio, la necessità di un’ulteriore integrazione di soluzioni di accumulo stagionale o fonti di energia complementari, come i sistemi di alimentazione di backup, per migliorare la resilienza durante tutto l’anno.

Valutare la resilienza nelle politiche utili per le smart city

“La nostra ultima ricerca ha scoperto come il mix energetico di una casa – che si affidi alla rete, ai pannelli fotovoltaici o alle batterie di accumulo – influenzi la sua capacità di resistere ai blackout, soprattutto in caso di eventi meteorologici estremi. I risultati offrono nuovi spunti di riflessione sulla resilienza energetica e su cosa significhi veramente tenere le luci accese quando è più importante”, ha affermato Odonkor.

I risultati dello studio, che valuta l’elettrificazione dei consumi domestici, possono avere implicazioni significative per la politica energetica urbana e lo sviluppo delle smart city nella modernizzazione della rete, nell’elettrificazione degli edifici e nella pianificazione della resilienza.

“L’elevata accuratezza del framework di classificazione (superiore all’80% per tutti e cinque gli elettrodomestici chiave) fornisce alle utility e agli urbanisti gli strumenti per tracciare con precisione le tendenze di elettrificazione”, sottolineano gli scienziati dello Steven Institute of technology. Per esempio, la capacità di classificare carichi dipendenti dalle condizioni meteorologiche come riscaldamento (con una precisione del 96%) e raffreddamento (con una precisione del 98,5%) supporta la mappatura dettagliata dei modelli di elettrificazione senza indagini invasive. Questa capacità si estende al tracciamento delle installazioni fotovoltaiche (con una precisione del 96,5%), consentendo una migliore pianificazione per le risorse energetiche distribuite.

“I potenziali benefici dello studio vanno oltre il potenziamento dei singoli proprietari di casa. Mentre le città lavorano per costruire la resilienza al clima, questi nuovi strumenti potrebbero aiutare le unità di servizio di emergenza della comunità a stabilire le priorità di risposta durante le interruzioni. Potrebbero anche aiutare i pianificatori urbani nello sviluppo a lungo termine di abitazioni e quartieri più resistenti”.