Come l’acqua fuoriesce da un rubinetto difettoso, così nei dispositivi elettronici vi sono perdite di energia, a prescindere dal loro uso o meno. Una parte della nostra bolletta energetica è quindi frutto di uno spreco derivante dai microchip esistenti, che non sono molto efficienti. Come vedremo, le componenti elettroniche del futuro potrebbero utilizzare meno energia. Per prima cosa, però, vediamo se è possibile ridurre la bolletta con una più intelligente climatizzazione.
Nel Centro per l’edilizia sostenibile di Kassel, in Germania, il clima interno è controllato da un algoritmo informatico salva-energia. Il sistema analizza le previsioni meteorologiche per determinare quando è meglio accendere o spegnere il condizionatore. Risparmia energia anche affidandosi alla ventilazione naturale e all’energia solare, quando possibile.
“Supponiamo che ci sia un forte vento: sappiamo che certe stanze si raffredderanno più rapidamente, perché ci sono maggiori perdite verso l’esterno” spiega Dimitrios Rovas, assistente universitario di termodinamica presso l’Università Tecnica di Creta. “Il nostro sistema è in grado di prevedere quale stanza o zona particolare avrà bisogno di energia nell’immediato futuro e può iniziare a pre-raffreddarla o pre-riscaldarla, utilizzando, se disponibile, l’energia fotovoltaica”.
Il sistema si occupa di ogni singola stanza utilizzando sensori che misurano temperatura, umidità, livelli di CO2 e numero di persone presenti. Tiene conto anche degli orari di lavoro, così da sapere quali stanze saranno occupate e quando. Sulla base di questo, assicura un adeguato comfort con un minimo costo energetico.
L’algoritmo è stato sviluppato nell’ambito di un progetto finanziato dall’Unione Europea in cui sono coinvolti ricercatori di cinque Paesi.
“In questo edificio – spiega Juan Santiago, ricercatore senior nel settore delle energie rinnovabili e dell’integrazione tecnologica – simuliamo centinaia di diverse possibilità, sulla base delle previsioni della temperatura del giorno dopo e dell’irradiamento solare; con questo, creiamo una strategia per l’edificio che permetterà di risparmiare energia e dare un maggior comfort agli utenti”.
Il software di simulazione è basato su una rete cloud, lasciando le operazioni locali a dispositivi semplici. “Abbiamo un computer piccolo come questo – spiega ancora Juan Santiago – che è in grado di gestire tutto l’edificio. Riceve un segnale dal cloud e lo invia all’edificio, per far scendere, per esempio, una tenda”.
Gli utenti possono interagire con il sistema attraverso un’interfaccia web sui loro tablet con wireless o sugli smartphone se hanno bisogno di controllare qualcosa manualmente o solo verificare le indicazioni del sensore.
Utilizzando simili algoritmi su una più ampia scala, il centro di ricerca sull’energia presso l’università di Aquisgrana funziona come una sorta di frigorifero gigante. Per mantenere un’adeguata temperatura nei suoi uffici, sale conferenze e laboratori, attinge alle riserve energetiche sotterranee.
“Vediamo qui 16 sonde geotermiche con una profondità di 100 metri” spiega Alex Michalski, dottorando in energia geotermica. “Stiamo pompando acqua calda nel terreno e pompando fuori l’acqua fredda, con il gradiente di 4 gradi Celsius.”
Per il sistema climatico interno, si utilizza anche il campo geotermico, così come i pannelli solari e l’eccesso di calore nelle sale informatiche con i server. Il software utilizza tutte le fonti disponibili per ottimizzare la temperatura dell’acqua che scorre attraverso i tubi nel soffitto delle stanze.
“Dopo che la pompa di calore ha raffreddato o riscaldato l’acqua, la distribuisce nell’intero edificio, attraverso i tubi nel soffitto” spiega Ana Constantin, assistente di ricerca in ricambio di calore e simulazioni. “Quello che fa il software del sistema, è dire alla pompa di calore quale temperatura quest’acqua dovrebbe avere”.
Una casa intelligente che prevede i cambiamenti del tempo e regola il riscaldamento in base alle esigenze degli utenti potrebbe quindi nel prossimo futuro permettere il risparmio di energia preziosa.
“L’edificio si adeguerà alle vostre abitudini: il ritorno a casa dal lavoro, le uscite nel tempo libero, eccetera” afferma Johannes Fuetterer, assistente di ricerca nell’ottimizzazione delle strategie di controllo climatico. “Farà sì che il sistema di riscaldamento pre-riscaldi o pre-raffreddi le stanze, risparmiando energia, e quindi il vostro denaro, e aumentando il comfort termico”.
Un altro progetto europeo affronta il problema della perdita di energia da parte di tutti i dispositivi elettronici, dai cellulari ai supercomputer, anche in modalità ‘sleep’. Nella sola Europa, la perdita di energia in modalità stand-by corrisponde al consumo di energia elettrica di Austria, Repubblica Ceca e Portogallo messi insieme.
“Uno dei problemi che abbiamo – spiega Kirsten Moselund, scienziata di nanoelettronica all’IBM Research di Zurigo – è che i transistor oggi (il transistor è un elemento costitutivo di tutti i circuiti elettronici) sono dispositivi che perdono energia anche quando non sono in funzione. Stiamo lavorando su un nuovo tipo di transistor chiamati ‘a effetto tunnel’ che si spera possano risolvere il problema. In questo caso perderebbero meno energia quando non sono in uso, ne consumerebbero di meno e potremmo ridurre l’energia necessaria per i circuiti elettronici realizzati con questi dispositivi rispetto a quelli convenzionali”.
Un transistor funziona come un rubinetto d’acqua: consente il flusso di corrente. La teoria prevede che la nuova generazione di transistor ‘a effetto tunnel’ richiederà molto meno voltaggio per la massima efficienza. La sfida per gli scienziati di oggi è quella di combinare con successo silicio, silicio-germanio e nanofili semiconduttori.
“Mettiamo questo wafer di silicio all’interno del reattore e poi facciamo crescere i nanofili nel wafer stesso” spiega Mattias Borg, scienziato dei materiali all’IBM Research di Zurigo. “Usando questa struttura, la combinazione di questi due materiali, possiamo fare un nuovo tipo di transistor che permette operazioni a basso consumo, mantenendo la stessa velocità dei transistor attuali”.
L’obiettivo è ridurre il consumo energetico dei chip dei computer del 90%, e praticamente a zero in modalità stand-by.
Con questa efficienza, molti dispositivi in futuro potrebbero essere in grado di raccogliere tutta l’energia a loro necessaria dall’ambiente. Possiamo immaginare sottili e flessibili dispositivi autoalimentati in grado di rivoluzionare settori come quelli della sanità, della sicurezza o delle comunicazioni.
“Un risultato interessante di questo è che integrando componenti elettroniche a ultra basso consumo con una tecnologia con substrati flessibili e con l’energia proveniente dall’ambiente potremmo avere un nuovo tipo di ‘sistema autonomo’ che consente un nuovo tipo d’applicazione negli ‘oggetti intelligenti’ della vita quotidiana, come un sistema indossabile, come un oggetto nel nostro ambiente che può includere un sacco di funzionalità utili a noi per avere una vita migliore e per una migliore interazione con l’ambiente” afferma Adrian Ionescu, coordinatore del progetto ‘STEEPER’.
Per il momento, la ricerca continua: è ancora difficile dire quando la prossima generazione di transistor sarà pronta per la produzione industriale. Alcuni scienziati stimano che ci vorranno altri 15-20 anni per eliminare le perdite di energia.