di Mark Patrick |
Il World Economic Forum ritiene che l’energia rinnovabile potrebbe soddisfare il fabbisogno energetico globale entro il 2050 a patto che vengano soddisfatte numerose condizioni, tra cui interconnessioni e cooperazioni su base interregionale più strette e mirate. Il raggiungimento di questo importante traguardo, tenuto conto di tutte le problematiche di natura sia pratica sia meteorologiche, dipenderà dai continui sviluppi tecnologici che permetteranno di migliorare resa, efficienza e affidabilità. Vediamoli nel dettaglio.
Leggi l’articolo di Mark Patrick “Fare di più consumando di meno” sul numero 26 di Elettronica AV
Soddisfare le reali esigenze di sostenibilità
L’elettrificazione riveste un ruolo critico nell’ambito della strategia in atto a livello mondiale finalizzata a eliminare l’uso di combustibili fossili per alimentare le più diverse applicazioni, dal riscaldamento ai trasporti. Allo stesso tempo, le società che erogano servizi di pubblica utilità (utilities) stanno cercando di sostituire le centrali elettriche convenzionali che utilizzano combustibili fossili con generatori che sfruttano fonti di energia rinnovabile, tipicamente parchi fotovoltaici ed eolici. Al mix di energie disponibili si può aggiungere quella prodotta dalle onde, anche se sono necessari ulteriori studi per valutare gli effetti sulle maree. Il comportamento delle fonti di energia rinnovabile è meno prevedibile di quello delle fonti che utilizzano combustibili fossili. Per riuscire a ottenere una reale sostenibilità è necessario estrarre l’energia in maniera più efficiente, minimizzando contemporaneamente le inefficienze nei processi di conversione e trasmissione.
Rendere più efficiente la raccolta dell’energia
La ricerca finalizzata ad aumentare l’efficienza delle celle fotovoltaiche contempla il ricorso a materiali avanzati come l’arseniuro di gallio (GaAs) e a strutture efficienti come le celle multi-giunzione. Le strutture multi-giunzione permettono di incrementare sensibilmente l’efficienza in quanto sono in grado di catturare l’energia da una percentuale maggiore di fotoni assorbiti, compresi quelli a bassa energia, che le strutture a giunzione singola non possono utilizzare. Esse sono costituite da celle a giunzione singola individuali, ciascuna delle quali è stata progettata in modo da avere una banda proibita (bandgap) di valore differente. Queste celle vengono impilate in ordine decrescente in termini di bandgap. Grazie a una configurazione di questo tipo, i fotoni a più bassa energia possono creare coppie elettrone-lacuna nelle celle che si trovano ai livelli inferiori.
In base a quanto riportato dal Best Research-Cell Efficiency Chart il grafico interattivo pubblicato da NREL (National Renewable Energy Laboratory), il principale laboratorio del DoE degli Stati Uniti, la cella fotovoltaica (PV) più efficiente è un concentratore a quattro giunzioni che ha raggiunto un’efficienza pari al 47,3% (i dati si riferiscono al giugno del 2022). Si tratta di un valore superiore del 20% rispetto a quello di una cella a singola giunzione in silicio cristallino utilizzata negli odierni pannelli fotovoltaici.
La differenza di prestazioni tra le celle in commercio e quelle sviluppate nei laboratori, se da un lato evidenzia il fatto che esistono margini per ulteriori miglioramenti della tecnologia fotovoltaica, dall’altro mette in luce l’importanza del fattore costo. In altre parole, le celle realizzate con tecnologie molto avanzate devono garantire un prezzo competitivo per Watt per poter esser adottate su scala commerciale.
In linea generale, una maggiore efficienza è necessaria in ogni fase del processo di conversione fotovoltaica, comprese le conversione CC-CC e CC-CA (che ha luogo nell’inverter), e persino nelle connessioni elettriche. Queste ultime devono essere robuste e resistenti, in grado di sopportare brusche manipolazioni fisiche e le conseguenze provocate dall’uso in condizioni ambientali severe, come ad esempio la corrosione, senza dar luogo a un incremento eccessivo della resistenza elettrica.
Nel caso le celle commerciali riuscissero a raggiungere un livello di efficienza superiore al 40%, si avvicinerebbero alla massima efficienza teorica delle. Secondo la legge di Betz, la massima efficienza di un turbina eolica è pari al 59,3%, sebbene alcuni sostengano che tale valore dovrebbe essere considerato un coefficiente di potenza e non un punteggio di efficienza. Tuttavia, il lavoro di Betz e altri simili, sono anteriori al 1920. Le ricerche condotte nel 21º secolo, che hanno preso in considerazione altri aspetti della distribuzione della pressione e del flusso d’aria e utilizzato le leggi della fluidodinamica computazionale, suggeriscono un limite compreso tra il 30 e il 59,3%. Questo intervallo esclude altri meccanismi di perdita come l’attrito dei cuscinetti. Naturalmente, con l’aumento della capacità installata totale sarà possibile generare sempre più elettricità, poiché il vento e la luce del sole sono presenti, in misura maggiore o minore, su tutto il pianeta. In tempi recenti, le turbine eoliche del Regno Unito sono balzate agli onori della cronaca, fornendo 21,6 GW di potenza (record nazionale), che rappresenta oltre il 50% del fabbisogno energetico del Regno Unito nelle prime ore del giorno.
Una conversione efficiente
A causa del ridotto rendimento delle celle fotovoltaiche e delle turbine, è essenziale minimizzare le perdite di energia nei sistemi di condizionamento dell’energia correlati. L’aumento della tensione del bus principale, ad esempio da 1000 a 1500 V, assicura diversi vantaggi, tra cui la possibilità di utilizzare stringhe di pannelli solari più grandi che quindi richiedono un numero inferiore di scatole di giunzione e di cablaggi. Nei generatori fotovoltaici ed eolici, il passaggio a tensioni di bus più elevate consente di ridurre le perdite I2R (effetto Joule).
Per tradurre in pratica questi miglioramenti, i semiconduttori con elevata banda proibita (WBG – Wide BandGap) come il carburo di silicio (SiC) rivestono sicuramente un ruolo importante. I MOSFET SiC possono avere una tensione di breakdown molto superiore, a parità di dimensioni del die, rispetto a quella dei tradizionali dispositivi in silicio. Oltre a ciò, le migliori prestazioni di commutazione dei dispositivi SiC permettono di utilizzare componenti passivi più piccoli per stabilizzare il flusso di energia all’interno del sistema. Ciò contribuisce a ridurre i costi, minimizzare gli ingombri del circuito e diminuire le perdite imputabili agli effetti parassiti dei componenti, come le resistenze elettriche indesiderate.
Il passaggio a topologie di conversione più efficienti offre ulteriori opportunità di miglioramento. La rettificazione di tipo sincrono permette di incrementare l’efficienza del circuito di alimentazione, eliminando le perdite di energia associate alle presenza di un diodo polarizzato direttamente. In questo caso le perdite, molto inferiori, sono dovute alla R DS (on) del MOSFET utilizzato al posto del diodo.
Inoltre, l’uso di topologie di commutazione risonante è in crescita. Oltre a eliminare le perdite associate ai tradizionali circuiti “hard switching”, la commutazione risonante permette di migliorare l’affidabilità. I potenziali risparmi nella manutenzione e nella sostituzione delle apparecchiature contribuiscono a ridurre il costo complessivo per watt dell’elettricità verde.
Concorrenza: una spinta per l’innovazione nel settore energia
Rendere accessibile ed economica l’elettricità prodotta in modo sostenibile è un impegno globale. La concorrenza, tuttavia, stimola l’innovazione. Una prova concreta di questa affermazione è rappresentata dal Little Box Challenge, una competizione promossa da Google che si è svolta tra il 2014 e il 2016. Obiettivo di questa sfida era ridurre di circa il 90% le dimensioni di un inverter di potenza da 2 kW. In altre parole, le dimensioni dovevano passare da quelle di una borsa termica da picnic a quelle di un laptop. Grazie a inverter così compatti è possibile apportare notevoli migliorie, come ad esempio ridurre i costi dell’energia fotovoltaica per i consumatori e aumentare l’affidabilità delle “microgrid” (reti locali di produzione e distribuzione dell’energia). I partecipanti a questa competizione dovevano realizzare un inverter caratterizzato da un’efficienza superiore al 95% ospitato in un involucro di dimensioni massime di 40 pollici cubi (poco più di 655 centimetri cubi). Diversi team hanno raggiunto questo obiettivo e il progetto vincente, ovvero quello caratterizzato dalle migliori prestazioni complessive, tra cui una densità di potenza di 145 W/in3, ha riscosso un premio di 1 milione di dollari. Visti i risultati ottenuti, un altro concorso di questo tipo potrebbe rappresentare uno stimolo per promuovere ulteriori progressi.
Leggi l’articolo di Mark Patrick “Fare di più consumando di meno” sul numero 26 di Elettronica AV
