L'aumento dei prezzi del gas, le restrizioni sulle forniture di petrolio e il costante finanziamento delle energie rinnovabili sono fattori che portano le bollette energetiche a un livello mai raggiunto prima. Se si aggiungono le normative sempre più rigorose sull'efficienza energetica delle case moderne oltre alle caldaie a pompa di calore, si ottiene un mercato maturo per una nuova generazione di dispositivi di alimentazione. Quali sono le sfide che le case devono affrontare per quanto riguarda l'efficienza energetica? Dove viene sprecata in genere la corrente in una casa? E come possono aiutare i dispositivi di alimentazione?
Quali sfide devono affrontare le case?
Nonostante siamo ormai giunti al terzo anno di pandemia COVID, gli effetti dei lockdown globali dovuti al tentativo di controllare la diffusione del virus si fanno ancora sentire. Senza entrare troppo nel merito, i molteplici lockdown hanno provocato la chiusura di molte migliaia di aziende, il disordine delle catene di approvvigionamento, la diminuzione delle forniture di semiconduttori e una scarsa performance economica, in quanto i governi hanno preso in prestito ingenti somme di denaro per cercare di coprire i pagamenti effettuati ai cittadini impossibilitati a lavorare.
Ora, l'aumento del costo della vita, unito all'inflazione, sta riducendo la capacità di spesa della maggior parte delle persone e il mancato aumento dei salari rende più difficile arrivare a fine mese. Come se non bastasse, l'aumento dei costi dell'energia a causa della guerra russo-ucraina sta esercitando un'enorme pressione sui proprietari di case, molti dei quali sono costretti a rinunciare al riscaldamento.
Infine, continuano a essere introdotti requisiti legali sull'efficienza, che limitano ciò che può o non può essere venduto. Se da un lato questa legislazione consente di ridurre le bollette energetiche e le emissioni di anidride carbonica a livello nazionale, dall'altro pone agli ingegneri dei vincoli di progettazione che non sono così facilmente risolvibili.
Dove viene sprecata in genere la corrente in una casa?
Per migliorare l'efficienza energetica di un'abitazione, è essenziale identificare innanzitutto tutte le fonti di spreco energetico. La fonte di gran lunga maggiore di spreco di energia è la perdita termica dovuta alla mancanza di isolamento, motivo per cui tutte le case moderne devono avere una quantità significativa di isolamento nei sottotetti e nelle pareti (da notare che vi sono solide motivazioni a favore del lasciare le cavità delle pareti vuote a causa dell'accumulo di umidità).
Nei climi freddi, le perdite termiche saranno costituite dall'aria calda che fuoriesce direttamente dalla casa o dal trasferimento termico dell'aria calda interna che riscalda le estremità della casa e che poi si raffredda. Nei climi caldi, la perdita termica è identica ma opposta, in quanto l'aria interna fredda fuoriesce all'esterno e/o le estremità calde dell'edificio riscaldano l'aria interna. In entrambi i casi, l'energia è necessaria per mantenere una temperatura interna stabile e un isolamento inadeguato comporta bollette elevate a causa di questo trasferimento termico.
L'illuminazione è un altro dei principali fattori di consumo energetico nelle case moderne. Le luci tradizionali a filamento di tungsteno sono state eliminate nella maggior parte dei mercati mondiali, compresi gli Stati Uniti e l'Unione Europea, a causa della loro scarsissima efficienza, ma anche con i LED e le lampade fluorescenti l'illuminazione rappresenta ancora un notevole fattore di consumo energetico. Ecco perché spegnere le luci nelle stanze in cui la luce non viene utilizzata è un buon modo per ridurre le bollette elettriche.
Anche i dispositivi in standby possono contribuire al consumo di energia, sebbene tecnicamente siano in "stato di riposo". I circuiti di alimentazione progettati in modo ottimale devono assorbire poca corrente, se non nessuna, quando sono in modalità standby, tuttavia gli adattatori di alimentazione più economici possono surriscaldarsi anche quando non sono in uso (in genere a causa dell'uso di regolatori lineari e di una gestione della potenza inadeguata).
Anche i dispositivi ad alta potenza, come lavatrici, aspirapolvere e lavastoviglie, possono sprecare energia a causa della conversione di potenza. Questi elettrodomestici possono talvolta richiedere una tensione continua per azionare apparecchiature induttive (motori, solenoidi e così via) e questa conversione può comportare notevole spreco.
Infine, le case con fonti di energia rinnovabile (come il solare e l'eolico) possono sprecare energia se non sono dotate di sistemi di accumulo a batteria. Nei periodi di picco della produzione di energia, se l'energia generata dalle fonti rinnovabili non viene utilizzata, viene sprecata.
Quali opportunità energetiche si aprono nelle case?
Quando si chiude una porta se ne apre un'altra, e questo non potrebbe essere più vero nel campo dell'efficienza energetica. Un periodo caratterizzato dalla crescente regolamentazione dell'efficienza dei dispositivi e dall'aumento dei prezzi dell'energia è ideale per gli ingegneri per cercare i metodi più recenti per migliorare l'efficienza energetica.
Poiché il calore è il fattore principale, i gradienti di temperatura offrono agli ingegneri un'opportunità importante per il recupero e l'estrazione di energia. Ad esempio, le pompe di calore stanno iniziando a sostituire le caldaie a gas grazie alla loro dipendenza dalla sola elettricità, all'installazione più sicura e alla capacità di spostare l'energia termica in modo più efficiente rispetto alle caldaie a gas (le pompe di calore possono essere utilizzate sia per il riscaldamento che per il raffreddamento).
La rapida scalata del settore IoT, insieme ai dispositivi a bassa potenza, vedrà aumentare l'uso degli harvester energetici. Per questo motivo, gli ingegneri possono esplorare fonti di energia più insolite, come i pavimenti piezoelettrici che generano elettricità quando vengono calpestati e i generatori termoelettrici che possono essere collegati a tubi caldi per generare energia.
Inoltre, il crescente numero di case intelligenti presenta nuove opportunità per l'efficienza energetica. Con l'aumento del numero di dispositivi presenti nelle abitazioni, potrebbe diventare impossibile trovare fonti di alimentazione permanenti, per cui si dovrà fare affidamento sulle tecniche di energy harvesting.
Anche l'aumento dell'uso di veicoli elettrici presenta grandi opportunità nel campo delle energie rinnovabili per le reti elettriche. L'incapacità di immagazzinare l'energia rinnovabile nei momenti di massima produzione rende difficile fare affidamento sulle fonti di energia rinnovabile, tuttavia i veicoli elettrici collegati alla rete potrebbero fungere da batterie virtuali che si caricano e si scaricano per stabilizzare l'energia. I proprietari di veicoli elettrici che contribuiscono a questo sistema potrebbero ricevere crediti per ricaricare gratuitamente i propri veicoli oppure ricevere un incentivo finanziario.
Le future case intelligenti potrebbero anche combinare i prezzi dell'energia in tempo reale con i dispositivi connessi per determinare il momento migliore per attivare apparecchiature come lavatrici e lavastoviglie. I proprietari di casa potrebbero caricare la lavatrice, attivare la modalità di avvio ecologico e poi, quando viene generato il picco di energia (e pertanto nel momento in cui l'energia è più economica), la casa intelligente può azionare l'apparecchiatura.
Perché le case ad alta efficienza energetica potrebbero essere il prossimo grande mercato per i dispositivi di alimentazione?
È evidente la necessità di migliorare l'efficienza energetica nella vita di tutti i giorni, per motivi ambientali, governativi o economici. Fortunatamente per gli ingegneri elettronici, l'elettricità sta diventando la fonte primaria di alimentazione della maggior parte dei dispositivi ed è possibile che in futuro le case eliminino completamente la necessità di allacciamenti al gas. Quando questo accadrà, i dispositivi di alimentazione saranno fondamentali a tutti i livelli di produzione e utilizzo dell'energia.
Tutti i dispositivi utilizzati dai proprietari di case dovranno essere il più efficienti possibile, compresi quelli che consumano una quantità ridota di energia come i sensori IoT a basso consumo energetico e senza batteria, fino ai motori ad alta potenza delle pompe di calore e delle lavatrici. I dispositivi a basso consumo che utilizzano gli energy harvester devono essere in grado di estrarre nanowatt di energia dalle vibrazioni e dalle sorgenti RF parassite, e questo richiederà convertitori CC-CC efficienti che possano essere inseriti negli spazi più ridotti. I dispositivi ad alta energia richiederanno nuove soluzioni per gestire in modo efficiente correnti e tensioni elevate, ed è qui che SiC e GaN si dimostrano molto promettenti.
Anche se i veicoli elettrici sono ottimi per l'ambiente, le correnti e le tensioni estremamente elevate utilizzate per ricaricarli possono comportare grandi perdite. Per questo motivo, i caricabatterie per veicoli elettrici potrebbero essere un mercato privilegiato per i dispositivi di alimentazione volti a migliorare l'efficienza energetica e, se l'uso di batterie virtuali dovesse effettivamente decollare, tali dispositivi di alimentazione dovranno essere bidirezionali e avere perdite di conversione molto basse.
Le prese di corrente e gli interruttori della luce nelle case rappresentano un altro mercato potenziale per i dispositivi di alimentazione. Poiché lo spegnimento delle luci nelle stanze inutilizzate delle case può comportare un notevole risparmio energetico, si potrebbero utilizzare prese e interruttori intelligenti per scollegare automaticamente la corrente se una stanza non è occupata. In combinazione con sensori intelligenti e infrastrutture basate su cloud, le case potrebbero persino prevedere i modelli comportamentali degli occupanti per anticipare quando sarà necessaria l'energia elettrica e quindi prendere decisioni su come fornirla al meglio per ridurre al minimo il consumo di energia.
Conclusione
L'efficienza energetica è sempre stata importante, ma l'aumento del costo della vita, l'aumento dei prezzi dei carburanti e le normative governative più rigide ne fanno un fattore critico nella progettazione dei prodotti. Tuttavia, non tutto il male viene per nuocere e la necessità di aumentare l'efficienza offre agli amplificatori e ai convertitori di potenza un'enorme opportunità. Le pompe di calore che sostituiscono le caldaie a gas consentono agli ingegneri elettronici di influire in modo significativo sull'efficienza dei sistemi di riscaldamento, l'uso di dispositivi IoT in casa rende necessari sistemi di raccolta dell'energia in grado di estrarre energia dalle fonti energetiche più piccole e l'introduzione dei veicoli elettrici su larga scala richiede ora che le abitazioni siano dotate di sistemi di ricarica in grado di sfruttare al meglio ogni watt.