I circuiti di alimentazione hanno sempre svolto un ruolo fondamentale nell'elettronica, ma l'utilizzo crescente di energie rinnovabili e la necessità di soluzioni di accumulo di corrente potrebbero contribuire ad accelerare lo sviluppo dei dispositivi di alimentazione esistenti. Perché l'accumulo di energie rinnovabili comporta delle sfide? Come potrebbero essere risolte tali sfide nel caso dei veicoli elettrici? E in che modo ciò garantirebbe un'accelerazione al settore dei dispositivi di alimentazione?
Perché l'accumulo di corrente è un problema serio per le fonti di energia rinnovabile?
Negli ultimi decenni abbiamo visto crescere la pressione sui governi, affinché si adoperino per eliminare gradualmente i combustibili fossili a favore delle fonti di energia rinnovabile, quali energia solare, eolica e idroelettrica. Inizialmente, questa spinta verso i combustibili rinnovabili derivava principalmente dal desiderio di ridurre le emissioni globali di CO2 che sono state collegate al cambiamento climatico. Tuttavia, negli ultimi due anni abbiamo assistito all'introduzione di due nuovi fattori che verosimilmente hanno avuto un impatto di gran lunga maggiore rispetto a qualsiasi cambiamento climatico: denaro e guerra.
La pandemia di COVID del 2020 ha avuto ripercussioni su l'economia a livello globale e ha portato a un aumento del costo della vita, all'incremento dei tassi di interesse e a problemi alla supply chain. Poi, all'inizio del 2022, la guerra russo-ucraina ha visto molti paesi in tutto il mondo tagliare le forniture di petrolio dalla Russia e questo ha senza dubbio portato a massicci aumenti dei prezzi dell'energia (soprattutto per quei paesi europei che erano dipendenti dai combustibili russi).
Di conseguenza, l'idea di indipendenza energetica è diventata molto più interessante per i paesi occidentali e le fonti di energia rinnovabile rappresentano un'opzione valida. Sebbene il prezzo dei pannelli solari sia notevolmente diminuito e l'efficienza energetica dei sistemi per energie rinnovabili sia considerevolmente aumentata, è comunque necessario affrontare una sfida importante: la disponibilità di energia.
I pannelli solari funzionano con la massima efficacia quando c'è il sole, mentre le turbine eoliche lavorano meglio durante i giorni ventosi e ciò significa che l'energia proveniente da risorse rinnovabili oscilla ampiamente ogni giorno. Peggio ancora, il consumo di corrente nelle regioni settentrionali (Canada, Regno Unito, ecc.) è spesso basso a mezzogiorno e sale al massimo durante la notte (soprattutto durante l'inverno e dove è necessario il riscaldamento). Eppure i pannelli solari offrono la potenza di picco durante orari esattamente opposti.
Attualmente, le reti energetiche non sono in grado di accumulare corrente e ciò significa che l'energia in più che viene prodotta va sprecata. Per questo motivo le fonti di energia rinnovabile risultano estremamente inaffidabili e costose. Per aggiungere benzina sul fuoco (scusate il gioco di parole), l'inaffidabilità delle energie rinnovabili implica che non è possibile basare al 100% una rete energetica su una fonte rinnovabile ed è quindi necessaria una sostanziale alternativa basata sui combustibili fossili in grado di soddisfare improvvise richieste di corrente.
Per risolvere questa sfida, i ricercatori stanno prendendo in considerazione vari metodi per creare soluzioni di accumulo di corrente in grado di conservare l'energia rinnovabile generata in eccesso durante i picchi di produzione e reimmetterla nella rete durante i periodi di bassa produzione da fonti rinnovabili. Una soluzione promettente consiste nell'utilizzare batterie di grandi dimensioni che offrono densità di corrente elevate (cioè che occupano spazi limitati rispetto ad altre soluzioni di accumulo di corrente) e sono in grado di rilasciare rapidamente notevoli quantità di corrente. Tuttavia il costo elevato di tali sistemi di batterie, combinato con la loro infiammabilità, continua a presentare notevoli sfide per i progettisti.
In che modo i veicoli elettrici potrebbero risolvere il problema?
Un'idea alternativa che i ricercatori stanno attualmente testando è quella di utilizzare i veicoli elettrici come un'unica grande batteria di rete virtuale, invece di strutture dedicate di vaste dimensioni. In poche parole, i veicoli elettrici collegati alla rete elettrica potrebbero essere progettati non solo per assorbire energia per la ricarica, ma anche per fornire energia alla rete durante i periodi di picco della domanda. Supponendo che i punti di ricarica elettrica si diffondano maggiormente e che un veicolo elettrico parcheggiato trascorra la maggior parte del suo tempo collegato alla rete elettrica, questa procedura potrebbe risolvere la sfida dell'accumulo di corrente senza la necessità di ulteriori investimenti in tecnologie di rete o grandi impianti di accumulo.
Per incentivare i proprietari, i veicoli elettrici, registrati tramite un numero di serie univoco, misurerebbero la quantità di energia in entrata e in uscita dalla loro batteria per l'immissione nella rete elettrica e questo si tradurrebbe in una tariffa pagata al proprietario del veicolo elettrico. Inoltre, delle tariffe energetiche in tempo reale permetterebbero ai veicoli di effettuare la ricarica durante i picchi di produzione energetica, cioè quando la corrente è più economica, e di reimmettere la corrente nella rete quando i prezzi sono più alti.
Sebbene questa possa sembrare un'idea promettente, la realtà di un tale sistema presenta una moltitudine di sfide che i progettisti dovrebbero risolvere. In primo luogo, un sistema di tariffe energetiche in tempo reale necessita di API che consentano ai piccoli dispositivi IoT di richiedere prezzi energetici in ogni momento e tali prezzi sarebbero determinati dalla produzione energetica in tempo reale. Ciò significherebbe che i dispositivi che accumulano e generano corrente dovrebbero registrare l'immissione di tale corrente nella rete rispetto a dei timestamp per dimostrare che hanno effettivamente generato quella quantità di energia in quel momento.
La seconda sfida è rappresentata dal fatto che un sistema di ricarica in un veicolo del genere sarebbe complesso a causa della necessità di capacità bidirezionali (ovvero assorbire e generare corrente). Inoltre, i veicoli elettrici collegati al sistema non dovrebbero consentire alla corrente accumulata di scendere al di sotto di un livello definito dall'utente, altrimenti un assorbimento troppo elevato non solo sacrificherebbe l'autonomia dei veicoli, ma ridurrebbe anche la vita utile della batteria (supponendo che questa abbia un numero limitato di cicli di carica).
Energie rinnovabili e non solo: le batterie stanno diventando sempre più comuni
I veicoli elettrici e l'accumulo di corrente per le reti elettriche stanno permettendo grandi passi avanti nello sviluppo della tecnologia delle batterie. Inoltre, la continua integrazione dell'elettronica nei dispositivi di uso quotidiano consente nuove opportunità per le batterie e le relative soluzioni di gestione. La necessità di dispositivi sempre più piccoli è una sfida eccezionale per i progettisti, poiché le batterie sono spesso uno dei componenti più pesanti e voluminosi di un dispositivo, quindi ridurre le dimensioni della batteria può diminuire significativamente il peso e le dimensioni dei dispositivi. Tuttavia, una riduzione delle dimensioni della batteria ne diminuisce la capacità complessiva e questo si traduce direttamente in una minore durata della batteria. Di conseguenza, ai progettisti sarà spesso richiesto di sviluppare tecniche di risparmio energetico per cercare di ridurre al minimo il consumo di corrente, nonché di utilizzare componenti progettati specificamente per il funzionamento a batteria (ad esempio, utilizzando un processore mobile anziché un processore desktop).
Laptop e smartphone sono un esempio importante di questa strategia. Anche se questi dispositivi stanno diventando fisicamente più piccoli e consumano meno energia, la durata della batteria e le prestazioni dei loro processori continuano ad aumentare. Ciò è possibile solo grazie ai progressi nella tecnologia dei semiconduttori per cui la riduzione delle dimensioni dei transistor e la riduzione delle tensioni di gate determina un minor consumo energetico.
Quali sfide si frappongono ai progressi dell'accumulo di energia?
Finora abbiamo discusso di come le fonti di energia rinnovabile stiano soffrendo molto per la mancanza di soluzioni di accumulo di corrente, di come i veicoli elettrici potrebbero essere la soluzione per l'accumulo delle energie rinnovabili e di come l'elettronica che usiamo quotidianamente stia contribuendo a migliorare le tecnologie delle batterie. Ma quali sono le sfide che le soluzioni di accumulo di energia devono affrontare per l'installazione tecnica?
In primo luogo, qualsiasi sistema di batterie composto da più celle deve garantire che la carica sia distribuita in modo uniforme. Sebbene questo non sia un problema per le batterie composte da poche celle, i sistemi più grandi che si trovano comunemente nei veicoli elettrici e nelle strutture di accumulo su larga scala possono avere centinaia (se non migliaia) di celle. Il numero di connettori di celle, circuiti integrati necessari per leggere ciascuna cella e algoritmi di gestione può rendere tali sistemi estremamente complessi da costruire e mantenere.
In secondo luogo, le batterie accumulano energia sotto forma di tensione CC, non di tensione CA, che sarebbe problematica sia per la carica che per la scarica. La conversione da CA a CC e viceversa deve essere eseguita nel modo più efficiente possibile dal punto di vista energetico per ridurre al minimo lo spreco di corrente. La necessità di un sistema di conversione bidirezionale introduce anche complessità dei circuiti e problemi di sicurezza, soprattutto quando si tratta di sistemi elettrici che possono alimentare un circuito da più fonti (questo generalmente richiede avvisi sulle schede dei fusibili e sugli interruttori per garantire un corretto isolamento).
In terzo luogo, i grandi sistemi di batterie utilizzati nelle applicazioni della rete di distribuzione elettrica avranno sicuramente a che fare con tensioni e correnti elevate. Inoltre, la grande quantità di energia accumulata non richiederà solo componenti in grado di tollerare tali condizioni, ma si dovranno integrare anche delle misure di sicurezza per evitare danni alle batterie. Ad esempio, l'assorbimento di una quantità troppo elevata di corrente da una batteria comporterà il surriscaldamento della stessa e una batteria che si surriscalda determina un serio rischio di incendio. Considerando che la maggior parte delle batterie ad alta densità di corrente sono basate sul litio, un tale incendio potrebbe trasformarsi rapidamente in una catastrofe e andare fuori controllo, mettendo fuori uso anche le batterie vicine.
Infine, i sistemi di batterie più recenti prevedono tempi di carica sempre più rapidi, grazie all'aumento significativo della corrente di carica e ciò richiede circuiti di alimentazione in grado di gestire correnti più elevate. Le dimensioni di un componente sono proporzionali alla corrente che può gestire, quindi i caricatori veloci richiederanno senza dubbio circuiti fisicamente più grandi. Inoltre, l'aumento della corrente comporterà un maggiore riscaldamento e questo calore aggiuntivo dovrà essere gestito in modo adeguato altrimenti determinerà un rischio di incendio.
In che modo il settore dell'accumulo energetico darà una spinta all'industria dei dispositivi di alimentazione?
Quando parliamo di accumulo di energia, i dispositivi di alimentazione svolgono un ruolo fondamentale per la carica, la commutazione di corrente o il monitoraggio della tensione delle celle. I problemi che sono stati trattati finora offriranno all'industria dei dispositivi di alimentazione opportunità chiave per il loro progresso e la loro integrazione.
La prima questione, e probabilmente la più importante, è la necessità di una maggiore efficienza dei convertitori di corrente. Anche se un convertitore ha un'efficienza del 95%, il 5% di un numero elevato è comunque una quantità eccezionalmente grande, e non solo questo valore si traduce in uno spreco di energia, ma l'energia sprecata si presenta quasi sempre sotto forma di calore. Ad esempio, un impianto di accumulo con batterie per 1 GW con un'efficienza del 95% vedrà comunque un totale di 50 MW di energia sprecata attraverso cavi, componenti e unità di accumulo. Anche aumentando l'efficienza di appena l'1% sarebbe possibile fornire energia ad altre 20.000 abitazioni.
Inoltre, i governi di tutto il mondo continuano ad approvare leggi sui requisiti di efficienza energetica dei dispositivi di consumo e degli elettrodomestici. Di conseguenza, anche la domanda di convertitori e amplificatori di potenza più efficienti aumenterà, poiché i progettisti saranno costretti a spremere ogni watt di corrente possibile da un progetto.
Anche la costante richiesta di dispositivi più piccoli con una maggiore durata della batteria e prestazioni migliori contribuirà ad accelerare lo sviluppo di nuovi amplificatori e convertitori di potenza. Come già ricordato, ridurre le dimensioni della batteria è uno dei metodi migliori per limitare il peso di un prodotto, ma ciò si traduce in una riduzione della capacità della batteria. I processori ad alta efficienza energetica possono contribuire a prolungare la durata di una batteria, ma ciò a scapito delle prestazioni. Pertanto, l'uso di amplificatori e convertitori di potenza ad alta efficienza consente a un progetto di utilizzare un processore più potente, poiché la corrente che verrebbe altrimenti sprecata nella conversione può invece essere utilizzata per l'elaborazione.
Un altro settore che può contribuire ad accelerare lo sviluppo di amplificatori e convertitori di potenza è quello dei raccoglitori di energia. Il crescente utilizzo di dispositivi IoT in aree remote in cui le fonti di alimentazione sono inesistenti richiede che tali dispositivi generino la propria corrente. I raccoglitori di energia possono fornire questa alimentazione, ma, a causa delle ridotte quantità di energia coinvolte, i convertitori di potenza nei raccoglitori di energia devono essere il più efficienti possibile per ridurre al minimo gli sprechi.
I dispositivi energetici utilizzati nelle reti elettriche saranno senza dubbio a contatto con tensioni e correnti estremamente elevate. Sebbene i semiconduttori tradizionali siano stati in grado di operare in tali ambienti, l'introduzione di nuove tecnologie di potenza come SiC e GaN consente ai progettisti design moderni e rivoluzionari con tensioni operative significativamente maggiori, efficienze più elevate e dimensioni inferiori dei dispositivi. La combinazione di tolleranze di tensione più elevate e ingombro fisico ridotto offre anche delle opportunità per veicoli elettrici e altri dispositivi portatili ad alta tensione grazie al peso ridotto e alle maggiori capacità di gestione della potenza.
Infine, i dispositivi di alimentazione coinvolti in scenari ad alta affidabilità (come le batterie di rete su larga scala) possono anche integrare soluzioni intelligenti per il monitoraggio avanzato dell'alimentazione e la protezione dei dispositivi. Ad esempio, un piccolo microcontroller con un processore IA incorporato potrebbe essere integrato in un amplificatore di potenza e fornire il monitoraggio di corrente e tensione in tempo reale. A differenza dei metodi tradizionali di protezione dei dispositivi, un tale sistema potrebbe fornire protezione predittiva e difesa da comportamenti anomali. Inoltre, potrebbe anche essere utilizzato per segnalare a un host centrale un potenziale problema prima che il danno si verifichi.
Conclusione
Poiché l'importanza dell'accumulo di corrente e dell'efficienza energetica continua a crescere, aumenta di pari passo anche l'importanza dei convertitori e degli amplificatori di potenza. Il settore delle energie rinnovabili deve affrontare un grave problema con l'accumulo di corrente e, a meno che non sia possibile costruire batterie davvero molto grandi, i progettisti potrebbero dover ricorrere ai veicoli elettrici collegati alla rete per utilizzarli come una grande batteria virtuale. Naturalmente, tali soluzioni di alimentazione richiederebbero sistemi avanzati di erogazione dell'energia in grado di trasferire corrente in modo bidirezionale con efficienza elevata, il tutto riducendo al minimo l'impatto di questi processi sulla durata della batteria.
I dispositivi portatili dovranno continuare a migliorare l'efficienza energetica in modo che le batterie possano diventare fisicamente più piccole, mentre l'integrazione di raccoglitori di energia nei progetti IoT potrebbe rappresentare una vera e propria opportunità di crescita per amplificatori e convertitori di potenza.
Infine, lo sviluppo di sistemi di batterie di grandi dimensioni utilizzati dalle reti elettriche richiederà senza dubbio nuove tecnologie per i semiconduttori, come SiC e GaN, e l'elevato costo di tali sistemi potrebbe incoraggiare l'uso di amplificatori intelligenti in grado di fornire capacità predittive per prevedere potenziali danni prima che si verifichino.