Applicazione di un modello di Digital Twin in ambito Smart City

Tra le sfide cruciali che si prospettano all'uomo per i prossimi anni primeggiano la riduzione delle emissioni di gas serra nell'atmosfera e la necessità di adottare in modo definitivo metodi differenti per la produzione di energia rispetto a quelli attuali. Secondo l'Organizzazione metereologica mondiale delle Nazioni Unite, nel 2019 si è registrato un valore di emissione di CO2 pari a circa 407,8 parti per milione, un valore estremamente elevato, e ciò è senz'altro dovuto sia ai gas di scarico dei mezzi di trasporto, sia al modo con cui viene prodotta l'energia elettrica che mette in moto l'intero meccanismo industriale e le città. Di fatto la generazione di energia per mezzo di combustibili fossili rimane ancora il metodo principale per la produzione di energia elettrica, e se da un lato questa presenta elevati valori di efficienza di conversione energetica, ovvero il rapporto tra l'energia elettrica generata e quella contenuta nella risorsa, dall'altro lato si ha appunto una notevole emissione di CO2, con un conseguente impatto ambientale notevolmente negativo. Inoltre si stima che a causa del livello attuale di utilizzo di fonte fossile, questa sarà disponibile nel caso peggiore per i prossimi 40 anni. È pertanto assolutamente necessario avviare un processo di transizione energetica, adoperando cioè metodi alternativi per la produzione di energia non inquinanti.Da un'analisi effettuata dal ENEA, dal Consiglio Nazionale delle Ricerche e dalla Fondazione Filippo Caracciolo, è emerso che buona parte della riduzione delle emissioni su scala mondiale si potrebbe ottenere attraverso una riduzione dei consumi e delle emissioni nel trasporto su strada. In tal senso quindi i veicoli elettrici assumono un ruolo chiave, sia per la riduzione dell'inquinamento ambientale nelle città, ma anche per ridurre la dipendenza dei trasporti nei confronti del petrolio. Tuttavia ciò comporta una maggiore richiesta di energia elettrica alla rete, in quanto oltre a quella corrente attualmente già in uso, si deve prevedere anche una parte aggiuntiva per il rifornimento del parco di veicoli elettrici, quantità che può diventare importante man mano che avanza la transizione dai veicoli a combustione interna ai veicoli elettrici, con conseguente sovraccarico della rete ed un aumento delle perdite nella stessa. Per di più, se la produzione di energia elettrica per soddisfare l'intera domanda dovesse continuare ad essere realizzata adoperando fonti fossili, si potrebbe considerare fallito l'obiettivo di zero emissioni. Pertanto è auspicabile una progressiva transizione energetica parallela alla transizione della mobilità, in cui si massimizza l'impiego di fonti rinnovabili a discapito delle fonti fossili per la produzione di energia elettrica. Idealmente questo processo dovrebbe portare alla totale esclusione dei combustibili fossili nel processo energetico.L'impiego di veicoli elettrici porta con sé inoltre anche una problematica di natura pratica e legata alla gestione del rifornimento, in quanto i tempi richiesti per ricaricare il pacco batterie di questa tipologia di mezzi connettendoli ad una presa di ricarica, sono decisamente maggiori rispetto a quelli richiesti per riempire il serbatoio di benzina di un comune veicolo a combustione interna. Pertanto per evitare sovraccarichi ed eccessive perdite nella rete di distribuzione dell'energia elettrica per la domanda totale energetica, e per incontrare la stessa in terminitemporali, occorre determinare un'organizzazione ottimale del rifornimento dei veicoli.Negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo consistente della tecnologia per la realtà virtuale e della capacità di acquisizione dei dati da un sistema. In ambito industriale, in cui si è ormai stabilita una quasi totale automazione dei processi manifatturieri, si sta assistendo progressivamente ad una integrazione delle informazioni dei processi industriali in atto, altresì noto come Internet of Things, in cui ogni elemento automatico della linea manifatturiera è connesso alla rete e può comunicare con gli altri elementi del sistema ed anche con un'unità di controllo centrale. Sfruttando questa mole di informazioni, è possibile ricreare un digital twin, ovvero un gemello digitale del processo industriale in gioco, che costituisce una rappresentazione accurata di tale processo. Il vantaggio di questa implementazione è che si può simulare in realtà virtuale questo processo, studiarne eventuali criticità prima ancora che il prodotto venga realizzato ed ottimizzarne le parti per ottenere il massimo del rendimento possibile. Questa rappresenta la strada innovativa degli ultimi tempi in ambito industriale.Partendo da queste basi, lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi quello di ricreare il gemello digitale di un ambiente urbano smart, in cui circola un parco di veicoli che adoperano carburante ecosostenibile. Vengono quindi simulati tramite esso degli scenari di circolazione quotidiana di tali veicoli in ambiente urbano e si studia come ottimizzare l'organizzazione del rifornimento di questi veicoli, con gli obiettivi di:- Massimizzare l'utilizzo di fonti rinnovabili e minimizzare l'impiego dei combustibili fossili per la produzione di energia elettrica atta a soddisfare la domanda;- Non sovraccaricare la rete e non generare fenomeni di perdita nella stessa;- Soddisfare la domanda di rifornimento dei veicoli elettrici tenendo conto dei tempi richiesti nella ricarica del pacco di batterie.