Insieme ad Analog Devices, specialista globale nel settore dei semiconduttori, scopriamo le soluzioni avanzate per gestire, convertire e accumulare l’energia in una rete decentralizzata. Dai contatori intelligenti alle microgrid, il futuro è sostenibile.
di Nitin Sharma e David Ryan
Nei prossimi decenni, si prevede che il fabbisogno energetico crescerà con il continuo aumento della popolazione mondiale e con lo sviluppo dei Paesi e la crescita delle rispettive economie. In questa fase di trasformazione, accelerare la disponibilità di energia pulita e rinnovabile è fondamentale per soddisfare questa domanda crescente, affrontando al contempo le problematiche climatiche, poiché l’accesso all’energia ha un impatto sia sulle economie mondiali che sul benessere e la sicurezza di tutti. Solo attraverso la gestione, la conversione e l’accumulo efficiente dell’energia possiamo sfruttare e utilizzare ogni raggio di sole o soffio di vento per gestire in modo affidabile la rete elettrica, alimentare la crescita economica e contribuire a garantire la salute del nostro pianeta.
Gestire, convertire e accumulare sono le azioni fondamentali alla base della necessaria evoluzione della rete elettrica moderna, su cui si basa l’elettrificazione. Pensiamo (metaforicamente) al denaro. Bisogna gestirlo (controllare, monitorare e prevedere i saldi attuali e futuri), convertirlo (quando si viaggia, tramite il cambio elettronico, dal franco svizzero allo yen giapponese al dollaro statunitense) e accumularlo (tenerlo in una cassa di risparmio per usarlo in seguito quando i guadagni diminuiscono, i fondi scarseggiano o si presentano nuove esigenze). Come per il denaro, il concetto di gestione, conversione e accumulo offre tracciabilità, flessibilità e sicurezza.
Centrali elettriche centralizzate
La rete elettrica si è sviluppata più di cento anni fa come modello “hub and spoke”. In questo paradigma, l’elettricità è generata e controllata da poche entità in grandi centrali elettriche centralizzate, in genere a combustibili fossili. L’elettricità viene poi inviata su lunghe distanze tramite linee di trasmissione a una rete di distribuzione. In questa architettura, l’energia scorre in un’unica direzione, dalle centrali elettriche alle sottostazioni e alle linee elettriche, e infine all’utente finale. Questo modello offre alcune economie di scala, ma deve affrontare sfide in termini di efficienza, vulnerabilità alle interruzioni e limitata capacità di integrare le fonti di energia rinnovabili.
La decentralizzazione della rete
Si è passati dalle centrali elettriche centralizzate all’energia rinnovabile distribuita. Si tratta di una rete profondamente interconnessa, caratterizzata da generatori di energia più piccoli e ampiamente diffusi che forniscono energia alla rete di distribuzione. La decentralizzazione porta a flussi di energia bidirezionali, in cui i consumatori finali diventano “prosumer” (“producer/consumer”) e vendono alla rete l’energia in eccesso, rendendo necessaria l’evoluzione di nuovi mercati energetici. Se organizzata bene, la decentralizzazione promuove la resilienza energetica e riduce le perdite di trasmissione. Richiede investimenti infrastrutturali e coordinamento tra i piccoli generatori.
Con la crescente diffusione delle fonti energetiche rinnovabili decentralizzate, la gestione, la conversione e l’accumulo efficiente dell’energia elettrica assumono un ruolo ancora più cruciale per il buon funzionamento della rete e l’elettrificazione sostenibile della società.
Gestire il flusso di elettricità
Dermot O’Keeffe, Product Line Director for Smart Grid Solutions di ADI, commenta: «La gestione dell’energia è necessaria per potenziare l’intelligenza, la resilienza e la sicurezza della rete elettrica».
La gestione efficace dell’elettricità garantisce una distribuzione e un utilizzo ottimale delle risorse energetiche. Utilizzando le tecnologie per le smart grid, le utility possono monitorare e controllare il flusso di elettricità in tempo reale, riducendo gli sprechi e le interruzioni del servizio, contribuendo a rendere più affidabile la fornitura di energia per i processi industriali, le attività commerciali e la vita quotidiana. I dati in tempo reale e le informazioni fruibili che ne derivano sono fondamentali per lo sviluppo di nuovi sistemi e servizi e per alimentare il mercato dell’energia.
Con la crescente complessità e integrazione delle fonti energetiche, degli schemi di domanda e delle tecnologie emergenti, una gestione efficace è essenziale. Una corretta gestione della rete consente di ottimizzare la distribuzione dell’energia elettrica, riducendo al minimo le perdite di trasmissione e garantendo che l’energia raggiunga gli utenti finali in modo economicamente vantaggioso.
Conversione efficiente dell’energia
Secondo Vitaly Goltsberg, Product Line Director for Energy Conversion Solutions di ADI, «l’energia viene convertita più volte da AC a DC, da DC ad AC e da DC a DC, mentre attraversa la rete, dalla generazione alla trasmissione, all’accumulo fino alla destinazione, come avviene nel caso del motore di un veicolo elettrico». Le fonti di energia rinnovabile, come i pannelli solari e le turbine eoliche, generano potenza DC. Per questo motivo, sono essenziali tecnologie di conversione dell’energia efficienti che trasformino da DC a AC (e viceversa) e convertano tra tensioni DC in modo da facilitare l’integrazione efficiente delle fonti rinnovabili nella rete elettrica. Con l’entrata in funzione di un numero sempre maggiore di questi sistemi di conversione (gli inverter) si presenta l’opportunità di disporre di controllori più intelligenti e reattivi allo stato della rete.
Sebbene gli obiettivi energetici varino notevolmente da un Paese all’altro, gli Stati Uniti hanno fissato un obiettivo dell’80% di produzione elettrica rinnovabile (generata da fonti asincrone o basate su inverter, come solari ed eoliche) da raggiungere entro il 2030. Non esiste un’esperienza consolidata nell’operare sistemi di generazione ibridi per risorse senza soluzione di continuità basate su inverter. «Questo dà un’idea dell’incertezza e della sfida che ci attende» ha dichiarato David Ryan, Director, Marketing, Auto Electrification and Energy, Analog Devices. «In questo caso, per risolvere le sfide e sviluppare soluzioni valide, bisogna affidarsi all’esperienza e alla competenza tecnica.»
I vantaggi dell’accumulo
«Il passaggio a una rete energetica decentralizzata, basata sulle fonti rinnovabili, richiederà un salto di qualità nell’accumulo» ne è convinto Connor Power, Product Line Director for Energy Storage Solutions di ADI. La capacità di accumulo dell’energia è una pietra miliare del futuro panorama dell’elettrificazione. Le batterie e le altre tecnologie di accumulo consentono di catturare e immagazzinare l’elettricità in eccesso durante i periodi di domanda ridotta, per poi rilasciarla durante i periodi di domanda elevata.
I sistemi di accumulo di energia (“Energy Storage Systems”, ESS) consentono di evitare il rischio di sovraccarico e collasso della rete, con un potenziale risparmio di miliardi di dollari. Possono anche risolvere i cambiamenti improvvisi della domanda attraverso le batterie, l’equivalente elettrico dei serbatoi di gas per il carburante o dei magazzini di stoccaggio per il carbone. I produttori distribuiti possono vendere alla rete l’eccesso di energia accumulata, consentendo così nuovi modelli di business per il commercio di energia.
I sistemi di gestione delle batterie (“Battery Management Systems”, BMS) sono fondamentali per gli ESS, in quanto è essenziale comprendere il processo di carica e il ciclo di vita completo di una batteria, per massimizzarne salute e longevità e consentire il suo riutilizzo e il riciclo. I BMS misurano e monitorano con precisione le singole celle della batteria, fornendo informazioni su tensione e corrente contribuendo a rendere i sistemi più efficienti in termini di capacità, utilizzo dell’energia e valore nel tempo.
Esempi di soluzioni avanzate
Secondo il National Renewable Energy Laboratory, “la generazione di elettricità da fonti rinnovabili con tecnologie oggi disponibili in commercio, in combinazione con un sistema elettrico più flessibile, è più che sufficiente a fornire l’80% della produzione totale di elettricità negli Stati Uniti nel 2050 (rispetto al 20% di oggi)”. A quel punto la gestione, la conversione e l’accumulo degli elettroni (elettricità) richiederanno metodi e tecnologie avanzate, per una precisione e un’affidabilità ancora maggiori. Quelli che seguono sono gli esempi principali.
Il monitoraggio è fondamentale per ottenere informazioni sugli schemi di utilizzo dell’elettricità e sulle prestazioni della rete. Monitorando costantemente il consumo (e la generazione) di elettricità, le aziende di servizi pubblici possono contribuire a identificare i periodi di picco della domanda, rilevare le inefficienze, e prendere decisioni basate sui dati per ottimizzare le operazioni di rete e ridurre la probabilità di interruzioni di fornitura.
I contatori intelligenti portano il monitoraggio a un livello completamente nuovo, fornendo dati in tempo reale e consentendo di prendere decisioni sul consumo di energia a livello di singolo consumatore. Possono consentire modelli di tariffazione dinamica, incoraggiando i consumatori a spostare il loro utilizzo verso le ore di minor consumo. Grazie al monitoraggio preciso dell’elettricità in entrata e in uscita dalla rete, può essere garantita una fatturazione accurata.
Di conseguenza, vengono alimentati nuovi mercati che contribuiscono a un’agevole integrazione delle fonti di energia rinnovabile.I fattori critici per il successo di questi mercati sono la trasparenza in tempo reale del flusso di energia, l’accuratezza delle misurazioni e la tracciabilità: non si può commerciare ciò che non è misurabile.
Le strategie di gestione della domanda utilizzano la tariffazione a tempo, gli elettrodomestici intelligenti, la carica dei veicoli elettrici e altre tecnologie ad alta efficienza energetica per gestire e contribuire a ridurre il consumo di elettricità.
La tecnologia delle smart grid integra sistemi avanzati di rilevamento, comunicazione e controllo per monitorare le prestazioni della rete in tempo reale. Consente un efficiente bilanciamento del carico, programmi domanda-risposta e rilevamento dei guasti, riducendo al minimo gli sprechi di energia e migliorando l’affidabilità della rete.
L’interconnessione e la comunicazione tra i vari componenti della rete decentralizzata consentono alle risorse energetiche distribuite (“Distributed Energy Resource”, DER), ai sistemi di accumulo e ai meccanismi domanda-risposta di lavorare in modo armonioso, e possono contribuire ad aumentare la resilienza della rete, i risparmi e l’efficienza energetica.
Le microgrid fanno parte del nuovo paradigma emergente delle reti decentralizzate. Questi sistemi di energia pulita localizzati sono progettati per generare, accumulare e distribuire elettricità a un’area o a una comunità specifica, e possono funzionare in modo indipendente o congiunto per alimentare la rete elettrica principale.
Partnership e trasparenza
L’industria dell’energia pulita richiede partnership a tutti i livelli per ridurre le inefficienze e aumentare il numero di punti in cui raccogliere i dati e la frequenza di raccolta degli stessi. Si comincia col rendere trasparente l’intera infrastruttura di rete, dal livello di macro-rete ai micro-nodi che la coprono, con il flusso di energia monitorato in real-time lungo il percorso dell’offerta, della domanda e dell’accumulo. La trasparenza permette l’accesso ai dati, e i dati alimentano le intuizioni. Per il nostro futuro energetico è fondamentale costruire ecosistemi di informazioni attorno ai vari nodi della rete, allineando le tecnologie di gestione, conversione e accumulo.
Accelerare la transizione
Molti sistemi di trasmissione e distribuzione, progettati decenni fa, non sono adatti ad accogliere le fonti di energia rinnovabile decentralizzate di oggi. L’aggiornamento e la modernizzazione della rete con tecnologie smart grid sono essenziali per consentire una distribuzione flessibile dell’energia, ottimizzare le energie rinnovabili e accelerare la decarbonizzazione. Queste tecnologie contribuiscono anche ad aumentare l’efficienza operativa, a migliorare il servizio ai clienti, e a rilevare i guasti in modo rapido e preciso. Sono inoltre necessarie le risorse dell’Intelligent: auto-ottimizzanti e autosufficienti, in grado di prendere decisioni in tempo reale e progettate per massimizzare l’efficienza, ridurre i guasti e le interruzioni della rete, e fornire trasparenza sul flusso di energia in tutti i punti.
Le tecnologie che gestiscono, convertono e accumulano l’energia possono migliorare l’efficienza energetica, ottimizzarne l’utilizzo, consentire una perfetta integrazione delle fonti rinnovabili, e migliorare la stabilità e l’affidabilità complessiva di una rete decentralizzata. Adottando queste tecnologie e innovazioni, si può accelerare la transizione verso un futuro sostenibile, con una maggiore sicurezza energetica e un mondo più sano e pulito.
Autori: Nitin Sharma, General Manager, Sustainable Energy, e David Ryan, Director, Renewable Energy, Analog Devices
