I gemelli digitali (in inglese digital twins) stanno uscendo dall’ambito industriale per diventare strumenti chiave nelle politiche ambientali e climatiche. E trovano uno spazio sempre più ampio nelle costruzioni, dalle smart cities all’edilizia. Secondo il Global Status Report for Buildings and Construction del Programma delle Nazioni Unite per l’Ambiente, nel 2022 il settore delle costruzioni è stato il maggiore consumatore di energia, rappresentando il 30% del consumo energetico globale – soprattutto per ventilazione, riscaldamento e raffreddamento – e il 37% delle emissioni di anidride carbonica. In Europa circa un quarto del patrimonio è inefficiente dal punto di vista energetico e secondo l’European Enviroment Agency (EEA) oltre l’85% degli edifici attuali sarà ancora in uso nel 2050.
Aumentare l’agibilità e la sostenibilità degli edifici è cruciale per il raggiungimento degli obiettivi climatici europei. Per questo l’Unione europea ha avviato progetti, come Destination Earth (DestinE), che punta a costruire entro il 2030 una replica digitale del sistema Terra capace di supportare decisioni pubbliche e private, e Climarest, che comprende cinque gemelli digitali regionali dedicati al ripristino marino. La stessa logica si sta estendendo a diversi ambiti della società, dalla pianificazione alla gestione urbana fino all’edilizia, dove i gemelli digitali consentono di individuare già in fase progettuale le principali fonti di emissioni lungo l’intero ciclo di vita di un edificio.
Consumo energetico finale negli edifici per fonte nello scenario Net Zero (2010–2030).Le barre mostrano la composizione per combustibile: biomassa tradizionale (azzurro), carbone (blu), petrolio (verde chiaro), gas naturale (verde pavone), elettricità (giallo), teleriscaldamento (arancione), energie rinnovabili (rosso), idrogeno (viola), altre fonti (lilla). Lo scenario prevede entro il 2030 una forte riduzione di carbone, petrolio e gas naturale, compensata dall’aumento dell’elettricità e delle rinnovabili. Fonte: International Energy Agency
Cos’è esattamente un gemello digitale?
I gemelli digitali sono copie virtuali di sistemi fisici — una macchina, un edificio, un’infrastruttura — che consentono di monitorarne, simularne e ottimizzarne vari aspetti con elevata accuratezza. La loro forza è soprattutto predittiva, perché permettono di testare scenari e anticipare criticità prima che si verifichino nel mondo reale.
Non esiste comunque ancora una definizione univoca di digital twin alla luce della varietà dei contesti applicativi. Il concetto affonda le radici nel settore aerospaziale: negli anni ’60 la NASA utilizzava copie fisiche integrate con modelli computazionali, che si rivelarono cruciali nella gestione dell’incidente dell’Apollo 13 nel 1970, quando le manovre di emergenza furono simulate prima di essere eseguite nello spazio. Tra gli anni ‘80 e ‘90 i primi digital twins furono applicati ai satelliti, grazie all’impiego di sensori a bordo capaci di inviare dati in tempo reale e consentire simulazioni di correzione prima dell’invio dei comandi.
Conoscere e prevedere gli impatti dei cambiamenti climatici da vicino
Applicare questa logica al sistema più complesso in assoluto, la Terra, è l’obiettivo dello European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), che sta sviluppando i primi due gemelli digitali dedicati agli eventi meteorologici estremi (Extremes DT) e all’adattamento ai cambiamenti climatici (Climate DT) nell’ambito dell’iniziativa UE DestinE. I prototipi si basano su osservazioni in tempo reale e modelli predittivi ad alta risoluzione – a scala chilometrica – rispetto alle griglie più grossolane dei modelli attuali. I primi test dell’Extremes DT – che si basa sull’Integrated Forecasting System (IFS) dell’ECMWF – rappresentano con maggiore precisione fenomeni complessi come cicloni tropicali e precipitazioni forti sulle regioni montuose.
Mappe dell’ondata di calore di Parigi nel 2019. Il confronto tra le rilevazioni dell’IFS-FESOM storico (e) con quelle dell’AWI-CM1 (a) e i set di dati di riferimento (b, c) evidenzia il valore aggiunto della risoluzione su scala chilometrica nel riprodurre accuratamente i gradienti spaziali e le magnitudini di picco dell’ondata di calore osservata. Nell’IFS-FESOM storico si osservano gradienti netti tra pianure e rilievi e le Alpi, gli Appennini e i Pirenei emergono con grande chiarezza. Fonte: Alfred Wegener Institute
Il Climate DT si basa su tre modelli del sistema Terra — IFS-NEMO, IFS-FESOM e ICON — e coprirà il periodo dal 1990 al 2050. Le simulazioni esploreranno anche come eventi estremi recenti (dal 2017 a oggi) si sarebbero evoluti in condizioni climatiche passate e come potrebbero svilupparsi in scenari futuri plausibili, fornendo simulazioni climatiche globali pluridecennali ogni anno rispetto ai modelli attuali — eseguiti a distanza di anni — con dati dettagliati a livello locale e riguardo i settori più colpiti, come energie rinnovabili e pianificazione urbana.
Dagli ecosistemi naturali agli ecosistemi urbani
Anche le città sono un terreno privilegiato per i gemelli digitali. Tutto ciò è stato favorito da un mix di innovazioni, avvenute all’inizio degli anni 2000, come il modello informativo edilizio (Building Information Model in inglese o BIM), un modello tridimensionale, che integra informazioni strutturali, energetiche e funzionali di un edificio, offrendo la possibilità di effettuare simulazioni in fase di progettazione e l’avvento delle smart cities – città sensorizzate, dotate di piattaforme che raccolgono dati utili per migliorare aspetti come sostenibilità e qualità della vita. I gemelli digitali urbani integrano questi dati, consentendo di simulare di scenari in tempo reale che vanno dal traffico e alla gestione delle emergenze fino alla pianificazione energetica. In Italia città come Bologna, Genova, Parma e Milano stanno implementando questa tecnologia per pianificazione, mobilità, energia e adattamento climatico. Al sud, invece, c’è grande fermento in ambito accademico. È il caso di MegaRide, spin-off dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, attivo nei digital twins industriali e che nel 2024 ha lanciato un supercomputer dedicato alla simulazione avanzata e alla cybersicurezza.
Milano vista come una “nuvola” di milioni di punti. Ogni puntino corrisponde a una misura reale raccolta con laser e rilievi aerei, che insieme ricostruiscono in 3D edifici, strade, alberi e profili del terreno. Una replica geometrica ad alta risoluzione che costituisce la base su cui integrare dati energetici e ambientali per i gemelli digitali urbani. Fonte: Comune di Milano.
Monitorare le emissioni di un edificio durante l’intero ciclo di vita: il caso cinese
Nella corsa verso la sostenibilità, uno dei parametri cruciali è l’impronta di carbonio emessa dalle singole attività. Per esempio, il settore edilizio è tra i più impattanti al mondo, ma quanto pesa un edificio in termini di emissioni dalla costruzione alla demolizione? In uno studio pubblicato a dicembre su Energy&Enviroment Nexus, un gruppo di ricerca ha analizzato le emissioni di carbonio di un edificio a tre piani in cemento armato a Taiyuan (Shanxy), in Cina, dove le attività legate alla costruzione di un edificio rappresentano circa il 50% delle emissioni nazionali. L’impiego della Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) e del BIM ha mostrato che circa il 90% delle emissioni complessive dell’edificio proviene dalla fase di funzionamento (6.567 tCO₂ eq). Di queste, quasi un quarto è legato al riscaldamento e alla produzione di acqua calda, alimentati in gran parte da caldaie a carbone bituminoso. Il restante 10% (635 tCO₂ eq) è attribuibile alla produzione e al trasporto dei materiali, mentre costruzione e demolizione incidono in modo marginale (circa lo 0,1% ciascuna, pari a 6,23 tCO₂ eq).
Emissioni di carbonio nella fase di funzionamento dell’edificio. Fonte: Yang X, Shi Y, Jordan BP, Wang S, Cao X, et al. 2025. Licenza: CC BY 4.0
Le strategie più efficaci per ridurre le emissioni durante l’intero ciclo di vita di un edificio includono elettrificazione e rinnovabili. Per esempio, lo studio ha dimostrato che una pompa di calore geotermica ridurrebbe di oltre la metà le emissioni legate al riscaldamento e di circa il 19% quelle complessive nel ciclo di vita, anche in virtù dell’uso di energia eolica (15%) e fotovoltaica (5%). Ridurre l’uso di calcare e argilla nel calcestruzzo (responsabile, insieme all’acciaio, di tre quarti delle emissioni in fase produttiva) e aumentare quello di sottoprodotti industriali (ceneri volanti, scorie), insieme alla combinazione di filiere corte e uso di veicoli più efficienti, può abbattere drasticamente l’impronta complessiva.
Dalla cabina dell’Apollo 13 ai modelli climatici globali, il principio resta lo stesso: usare la simulazione per comprendere e prevedere sistemi complessi. Con la differenza che oggi in gioco c’è il futuro del pianeta.
