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Algoritmi e supercomputer per spingere la green transition, Enea in campo



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Il centro di ricerca impegnato in due iniziative che vedono l’utilizzo di tecnologie d’avanguardia per tracciare l’inquinamento dell’aria e ottimizzare le prestazioni di fonti energetiche rinnovabili

Pubblicato il 31 mag 2024

Federica Meta

Giornalista



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Si intensifica l’impegno di Enea sul fronte della transizione green. Il centro di ricerca è in campo con due progetti che vedono l’utilizzo di algoritmi e supercomputer rispettivamente per tracciare l’inquinamento dell’aria e ottimizzare le prestazioni di fonti energetiche come il fotovoltaico, l’idroelettrico, l’eolico e in futuro anche il nucleare da fusione.

Il progetto Orsa

Orsa è l’algoritmo messo a punto da Enea per identificare la provenienza per settore e area geografica delle emissioni inquinanti, tenendo traccia dell’origine anche durante le trasformazioni chimico-fisiche in atmosfera. Grazie al supporto del Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica e della società Arianet, l’algoritmo Orsa è già operativo nel sistema Enea di monitoraggio della qualità dell’aria Minni, che fornisce previsioni giornaliere delle principali concentrazioni di gas e particolati negli strati più bassi dell’atmosfera (a tre giorni per l’Italia e a quattro per l’Europa).

“Questo strumento funziona come un vero e proprio sistema di tracciabilità che permette di ‘etichettare’ le emissioni per conoscere il ‘contributo’ specifico di ogni singola fonte alle concentrazioni di inquinanti in atmosfera – spiega Gino Briganti del Laboratorio Enea di Inquinamento atmosferico – È pensato in particolare per le amministrazioni locali – prosegue Briganti – che hanno il compito di preservare la qualità dell’aria e la salute dei cittadini attraverso politiche che vadano a incidere direttamente sulle fonti più inquinanti che comprendono il traffico stradale, il riscaldamento domestico, gli allevamenti, i fertilizzanti e l’industria. Ad esempio, Arpa Piemonte lo ha utilizzato per un suo studio”.

Attualmente esistono i cosiddetti inventari delle emissioni, compilati per legge dalle agenzie ambientali, che catalogano e calcolano la quantità di massa di ogni sostanza inquinante che ha impatto su salute e ambiente (ossidi di azoto, ossidi di zolfo, polveri, composti organici volatili, ammoniaca, metalli pesanti) emessa dalle diverse sorgenti.

 “Tuttavia, tale informazione non è sufficiente per capire ‘chi fa cosa e quanto’ in aria, perché lo spostamento delle masse d’aria e i processi chimici e fisici in atmosfera modificano le caratteristiche degli inquinanti a cui sono esposti l’uomo e l’ambiente”, puntualizza Antonio Piersanti, responsabile del Laboratorio Enea di Inquinamento Atmosferico. Ad esempio, le polveri, trasportate e disperse dal vento, vanno incontro a deposizione sulle superfici e a risospensione successiva, a seconda delle loro dimensioni, che dipendono dal tipo di sorgente; l’ozono, un inquinante tipicamente estivo, non viene emesso direttamente da sorgenti naturali o antropiche, ma si genera in aria da reazioni chimiche che coinvolgono ossidi di azoto e composti organici volatili, cioè sostanze emesse da diverse attività antropiche e dalla vegetazione.

“Il nostro algoritmo ha dimostrato di essere uno strumento adeguato per orientare la pianificazione delle politiche di qualità dell’aria, perché rileva la composizione ‘attuale’ e non ‘potenziale’ dell’atmosfera (come in altri metodi), mettendo in luce le principali sorgenti sulle quali agire; successivamente, occorrerà uno studio modellistico completo, con maggiori costi di calcolo, che vada a stimare direttamente gli effetti delle specifiche riduzioni delle emissioni considerate dalle politiche di qualità dell’aria in esame”, sottolinea Piersanti.

La prima applicazione di Orsa

Una prima applicazione sperimentale su scala nazionale del metodo Orsa ha già confermato che nei mesi invernali, in Italia, le maggiori concentrazioni di PM10 sono attribuibili al riscaldamento residenziale, specialmente nei centri abitati. Nella Pianura Padana, il traffico e l’agricoltura hanno un impatto rilevante sull’inquinamento dell’aria. Inoltre, ad esempio, in alcune località rurali della Lombardia, le concentrazioni estive di ozono sono prevalentemente originate in altre regioni oppure derivano da alti strati dell’atmosfera confermando che questo inquinante, particolarmente dannoso per la salute e l’ambiente, è originato da contributi non localizzati, ma proviene dal trasporto per centinaia di chilometri e dalla trasformazione chimica di altri inquinanti.

Supercomputer per le rinnovabili

Enea è impegnata anche ad ottimizzare le prestazioni di fonti energetiche come il fotovoltaico, l’idroelettrico, l’eolico e in futuro anche il nucleare da fusione, utilizzando supercomputer di nuova generazione in grado di risolvere un trilione di operazioni al secondo (‘esascala’). EoCoE-III – questo è il nome del progetto triennale – finanziato dall’Impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni (EuroHpc JU) che si propone di rendere l’Unione europea leader mondiale nel supercalcolo. Al progetto partecipano esperti informatici e di fonti rinnovabili provenienti da 18 organizzazioni europee pubbliche e private, tra cui per l’Italia Enea, Cnr e le università di Trento e di Roma Tor Vergata.

La potenza di calcolo dei supercomputer esascala consente di sviluppare applicazioni in grado di riprodurre virtualmente e fedelmente, su scala reale, fenomeni naturali di interesse energetico. “Attraverso il supercalcolo è possibile effettuare simulazioni in settori quali l’energia da fusione, i materiali, l’idroelettrico e l’eolico”, spiega il responsabile del progetto per Enea, Massimo Celino, ricercatore della Divisione per lo Sviluppo di sistemi per l’informatica e l’Ict.

Le simulazioni

Nell’ambito della fusione, le simulazioni si propongono di supportare gli esperimenti sul tokamak Iter in costruzione a Cadarache, in Francia. Per ottimizzare le prestazioni e minimizzare i rischi, ogni scenario dovrà essere convalidato numericamente. “Nel settore dei materiali sarà realizzata un’applicazione per effettuare simulazioni che potranno avere sviluppi significativi sul fotovoltaico e sulla sensoristica” aggiunge Celino.

Per quanto riguarda la produzione di energia idroelettrica, i modelli ricavati con il supercalcolo consentono di ottenere informazioni spazio-temporali continue e di fare previsioni e proiezioni sull’andamento, ad esempio, dei bacini idrici. Rispetto all’eolico, le simulazioni potranno chiarire in modo ottimale la dinamica dei flussi di aria all’interno di un parco eolico. Questa tipologia di analisi consentirà di rendere l’eolico più economico e diffuso anche attraverso una riduzione delle perdite di energia che, a livello di impianto, sono stimate fra il 20% e il 30% complessivo.

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