Funzionamento ottimale di sistemi energetici multi-vettore integrati con fonti rinnovabili e sistemi di accumulo dell’idrogeno

Alimentare le città con molte fonti di energia

Con l’aumento di pannelli solari, turbine eoliche, auto elettriche e dispositivi intelligenti nelle nostre città, mantenere accese le luci e in funzione gli impianti idrici diventa un complesso esercizio di equilibrio. Questo articolo esplora un nuovo modo di gestire le reti energetiche locali affinché elettricità, calore, raffrescamento, acqua e persino idrogeno funzionino insieme invece di essere pianificati separatamente. L’obiettivo è semplice da comprendere: usare l’energia più pulita in modo più efficiente, ridurre gli sprechi e abbassare i costi per tutti.

Dalle reti monodirezionali agli hub multi-energia

I sistemi elettrici tradizionali trasferiscono principalmente elettricità in una direzione dalle grandi centrali ai consumatori. Gli autori invece si concentrano sugli “hub energetici”: sistemi a scala di quartiere che possono ricevere diversi tipi di energia (come elettricità e gas) e fornire ciò di cui le persone hanno realmente bisogno: energia per gli elettrodomestici, acqua calda e riscaldamento, aria condizionata e acqua potabile. Nel modello, tre hub vicini condividono energia rinnovabile locale proveniente da pannelli solari e turbine eoliche, oltre a unità di cogenerazione a gas che producono simultaneamente elettricità e calore. Ogni hub gestisce un portafoglio di dispositivi, inclusi chillers elettrici e ad assorbimento per il raffrescamento, caldaie e unità di accumulo che possono immagazzinare elettricità, calore o freddo per un uso successivo.

Collegare acqua, idrogeno e aria al mix energetico

Una caratteristica chiave di questo lavoro è che non tratta l’elettricità in isolamento. Gli hub gestiscono anche il “lato acqua” e il “lato idrogeno” del sistema. L’acqua potabile può provenire da falde sotterranee, da un impianto di dissalazione che trasforma acqua salata in acqua dolce, o da un serbatoio di accumulo. Poiché la dissalazione richiede molta elettricità, il modello consente agli hub di preferire l’acqua di falda e di temporizzare il pompaggio quando l’energia è più economica. Inoltre, un elettrolizzatore converte l’eccesso di elettricità rinnovabile in idrogeno, che viene immagazzinato in serbatoi e successivamente utilizzato in celle a combustibile per generare energia durante le ore di picco più costose. L’accumulo di energia ad aria compressa fornisce un ulteriore buffer: quando l’elettricità è economica, l’aria viene compressa e immagazzinata; quando l’elettricità è costosa, questa energia immagazzinata viene rilasciata per contribuire a soddisfare la domanda.

Perché la cooperazione batte l’isolamento

La domanda centrale dello studio è quanto migliorano le prestazioni di questi hub quando cooperano invece di agire da soli. Nel caso “autonomo”, ogni hub cerca di bilanciare la propria domanda e offerta con condivisioni limitate, il che a volte lascia parte della domanda locale insoddisfatta e costringe a maggiori acquisti dalla rete principale. Nel caso “cooperativo”, gli hub possono scambiare elettricità e altri servizi energetici tra loro. L’eccesso solare o l’energia immagazzinata di un hub può coprire la carenza di un altro. Utilizzando una modellizzazione dettagliata e una programmazione giornaliera suddivisa in step orari, gli autori dimostrano che la cooperazione riduce i costi operativi ed elimina completamente l’energia non servita. Per il sistema di prova, il costo giornaliero totale diminuisce di circa l’1,6% e la quantità di domanda insoddisfatta scende da 64,3 kilowattora a zero.

Tempistica intelligente e accumulo rendono le rinnovabili più utili

Lo studio esplora inoltre cosa succede quando cambiano i prezzi o le dimensioni degli impianti. Quando i prezzi dell’elettricità aumentano, sia i sistemi autonomi sia quelli cooperativi pagano di più, ma la configurazione cooperativa rimane sempre meno costosa perché dipende meno dagli acquisti dalla rete principale. Aggiungere batterie e accumuli termici, o aumentarne la capacità, riduce ulteriormente i costi spostando l’uso dell’energia dalle ore economiche a quelle costose. Aumentare la capacità delle fonti rinnovabili, come solare ed eolico, riduce i costi operativi in entrambe le modalità, con risparmi superiori al 13% quando le rinnovabili vengono triplicate. Una versione stocastica, cioè che tiene conto dell’incertezza, del modello che include variabilità meteorologica e dei prezzi conferma lo stesso andamento: la condivisione delle risorse tra hub riduce nettamente sia i costi sia il rischio che alcune richieste non possano essere soddisfatte.

Cosa significa per la vita di tutti i giorni

Per i non specialisti, il messaggio è che i quartieri del futuro potrebbero non essere semplicemente connessi a una grande rete elettrica; saranno mini-sistemi che scambiano elettricità, calore, acqua e idrogeno tra loro. Coordinando l’uso di pozzi, dissalazione, batterie, serbatoi di idrogeno e accumulo ad aria compressa, questi hub locali possono smorzare gli alti e bassi di sole e vento, fare meno affidamento sui combustibili fossili e mantenere bollette più basse e servizi più affidabili. In termini semplici, l’articolo mostra che quando tecnologie pulite diverse sono pianificate insieme e i quartieri vicini cooperano, le città possono avvicinarsi a un futuro a basse emissioni di carbonio più resiliente e più economico.

Citazione: Foroughian, S., Bijan, Z.A.J., Karimi, H. et al. Optimal operation of multi-carrier energy systems integrated with renewable energy sources and hydrogen storage systems. Sci Rep 16, 6635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35497-3

Parole chiave: sistemi multi-energia, integrazione delle rinnovabili, accumulo di idrogeno, hub energetici, risposta alla domanda