Un modello di sistema energetico completo per la Svizzera

Poco più di quindici anni fa, Kannan Ramachandran ebbe un'idea. Lo scienziato del gruppo di economia energetica del Laboratorio di analisi dei sistemi energetici (LEA) del PSI ha iniziato a lavorare su un nuovo modello di industria energetica per la Svizzera. Il finanziamento dell'Ufficio federale dell'energia (UFE) gli ha permesso di avviare il progetto. Una delle caratteristiche richieste da Ramachandran era una risoluzione temporale dell'ordine delle ore. Si trattava di un territorio inesplorato. Tra gli ostacoli che il ricercatore ha dovuto superare c'erano i dati insufficienti e le risorse di calcolo limitate. Poiché alcune equazioni venivano utilizzate per la prima volta, la risoluzione dei problemi era frequente. Anche i tempi erano stretti: Solo due anni per creare un prototipo iniziale.

Evangelos Panos, oggi responsabile del gruppo di Economia dell'energia, ha potuto contribuire con la sua esperienza nella ricerca operativa come ricercatore post-dottorato appena assunto. Ricorda come è venuto a conoscenza del progetto: "Ho visto il calendario del progetto appeso alla parete dell'ufficio di Kannan. Quando gli chiesi a cosa stesse lavorando, mi rispose con molta semplicità: 'Sto costruendo un nuovo modello di sistema energetico per la Svizzera, che dovrebbe essere pronto tra due anni'. Ho pensato: "Com'è possibile? Ma ce l'ha fatta!".

Un modello per la transizione energetica in Svizzera

Nel 2025, il modello di sistema energetico svizzero TIMES, o STEM, ha festeggiato il suo 15° anniversario. Oggi il modello copre l'intero panorama energetico svizzero, dalla fornitura di elettricità ai trasporti, dagli edifici all'industria. Sviluppato dal Gruppo Economia dell'Energia del PSI, il modello è diventato uno strumento analitico all'avanguardia per l'analisi della politica energetica in Svizzera ed è ora una pietra miliare della ricerca energetica nazionale.

Poiché i sistemi energetici dei diversi Paesi differiscono tra loro, ogni Paese ha bisogno di un proprio modello. Questo deve riflettere le rispettive condizioni geografiche e climatiche, l'infrastruttura energetica esistente, la struttura economica, il quadro politico nazionale e le preferenze culturali. Questo vale anche per la transizione energetica. STEM viene attualmente utilizzato principalmente da scienziati, politici e gruppi di interesse per analizzare la transizione della Svizzera verso un sistema energetico_{privo di CO2}. Il modello viene utilizzato per rispondere a domande sulla decarbonizzazione dell'elettricità e dei trasporti, sull'integrazione delle energie rinnovabili fluttuanti, sull'uso efficiente della biomassa nazionale e sul ruolo strategico dell'energia idroelettrica.

"L'Istituto Paul Scherrer PSI ha svolto un lavoro pionieristico sviluppando il primo modello di sistema energetico completo per la Svizzera che rappresenta tutti i settori in un modello integrato e coerente", spiega Nicole Mathys. All'epoca lavorava presso l'Ufficio federale dell'energia e ha sostenuto il progetto nelle prime fasi di finanziamento. "Il modello del sistema energetico svizzero TIMES (STEM) ha introdotto un approccio dinamico che comprende molte tecnologie. Questo ha permesso di simulare percorsi di sviluppo a lungo termine per la transizione energetica svizzera in modo coerente e supportato da dati, in un momento in cui non esisteva uno strumento simile".

Nel frattempo, STEM è diventato uno strumento importante per valutare concetti energetici solidi, efficienti dal punto di vista dei costi e socialmente accettabili per la Svizzera, grazie a numerosi studi e confronti tra modelli.

Oltre i tradizionali modelli di sistema energetico

Il modello STEM copre tutti i settori rilevanti, ha un orizzonte temporale che va dal 2010 al 2100 e modella la domanda di elettricità nei giorni feriali e nei fine settimana in tre stagioni su base oraria. Le caratteristiche avanzate di STEM includono profili di carico endogeni, mercati per i servizi ausiliari, dispacciamento sofisticato delle unità di generazione, vincoli nella rete di trasmissione dell'elettricità, segmentazione dei consumatori per le decisioni sulla mobilità e la modellazione dei flussi di materiali per le emissioni legate ai processi. Ciò consente di ottenere approfondimenti che vanno oltre le possibilità dei tradizionali modelli di sistema energetico.

Il modello è inoltre compatibile con altri strumenti analitici, tra cui modelli di equilibrio generale, modelli di mercato e basati su agenti e analisi del ciclo di vita. Ciò consente uno sviluppo di scenari più completo e multiprospettico. La documentazione completa e la trasparenza aumentano i vantaggi per i ricercatori e i decisori politici.

Uno strumento indispensabile per la ricerca sul sistema energetico svizzero

Secondo Anne-Kathrin Faust dell'Ufficio federale dell'energia, il valore del modello STEM è aumentato significativamente con la crescente complessità del sistema energetico. Per le analisi dettagliate e dinamiche, STEM si è dimostrato "indispensabile", afferma Faust. Aggiunge: "Estensioni come l'integrazione con i modelli a livello europeo per l'elettricità, l'idrogeno e le infrastrutture per la CO₂, la modellazione dettagliata dell'industria, la rappresentazione del comportamento dei consumatori e della domanda flessibile, nonché l'accoppiamento con modelli di politica macroeconomica e di rete, hanno reso STEM uno strumento unico per l'analisi evidence-based della politica energetica in Svizzera e non solo."

Dal 2025, il gruppo di economia energetica della LEA e il modello STEM contribuiscono alle Prospettive energetiche 2060, che determinano la politica energetica a lungo termine del Paese. Il team ha anche sviluppato strumenti che vanno oltre la Svizzera per coprire l'intera Europa e consentire analisi a livello di città, ad esempio a Basilea. Anche un modello nazionale completo per la Nuova Zelanda è stato ispirato dal modello STEM.

"Nel corso degli anni, la portata, la profondità e la capacità di calcolo del modello STEM sono state costantemente ampliate, facendolo diventare uno dei principali modelli economici energetici ricchi di tecnologia al mondo", spiega Stefan Hirschberg, che ha fondato il Laboratory for Energy System Analyses LEA vent'anni fa e ha sostenuto lo sviluppo del modello nella sua fase iniziale. Tom Kober, il precedente capo del Gruppo di Economia dell'Energia, afferma: "Un confronto con altri modelli mostra che si tratta di uno dei modelli di sistema energetico più ricchi di dati della sua categoria e che rappresenta in modo coerente la tecnologia reale e i dati di mercato".

Il modello STEM è stato finanziato dall'Ufficio federale dell'energia, da Swissgrid, da Innosuisse, dall'Associazione delle aziende elettriche svizzere (VSE) e da Swisselectric Research e sostenuto da molti altri partner.

La prossima fase della modellazione del sistema energetico

Poiché la transizione energetica in Svizzera diventa sempre più complessa, il modello STEM viene ulteriormente sviluppato per supportare la prossima generazione di decisioni politiche. Il gruppo sta lavorando per estendere il modello in modo da affrontare le sfide più urgenti della transizione verso lo zero netto in tutti i settori e in tutte le regioni. La nuova versione sarà in grado di tenere conto di altri gas serra oltre all'anidride carbonica (_CO2), come il metano (CH₄) proveniente dall'agricoltura e dalla gestione dei rifiuti e il protossido di azoto (N₂O) derivante dall'uso di fertilizzanti e dai processi industriali. STEM viene utilizzato anche per valutare gli impatti più ampi del cambiamento climatico e dell'inquinamento atmosferico sulla salute e sull'economia. Il prossimo passo sarà quello di includere le retroazioni macroeconomiche. Ciò consentirà al modello di simulare le interazioni tra la transizione energetica e l'economia svizzera.

Grazie a queste nuove funzionalità, STEM è sulla buona strada per diventare il primo modello di valutazione completamente integrato della Svizzera, così come 15 anni fa è stato il primo modello di sistema energetico su larga scala del Paese. Questi sviluppi garantiranno che STEM continui a fornire ai responsabili politici, all'industria e all'opinione pubblica approfondimenti basati su dati scientifici e socialmente rilevanti. Russell McKenna, responsabile della LEA, riassume: "STEM è uno strumento indispensabile per analizzare le complesse questioni sistemiche che si presentano in relazione alla transizione energetica svizzera".