Con l'aumento della popolazione umana e la nascita di nuovi settori industriali, la domanda di energia elettrica continua ad aumentare di anno in anno. Anche la produzione basata su combustibili fossili, che rappresenta la maggior parte dell'attuale fabbisogno energetico, viene utilizzata per soddisfare questo aumento della domanda. Questo sta portando lentamente all'esaurimento dei combustibili fossili e all'aumento dei prezzi del carbone e del gas naturale. Secondo l'International Energy Association, nella prima metà del 2022 il prezzo medio del gas naturale in Europa era quattro volte più alto rispetto allo stesso periodo del 2021, mentre il prezzo del carbone era oltre tre volte più alto. I combustibili fossili sono anche tra i principali responsabili dei gas serra e dell'aumento del riscaldamento globale.
Le fonti energetiche rinnovabili sono quindi considerate un'alternativa ai combustibili fossili e potrebbero contribuire a superare i problemi appena citati. Le fonti energetiche come il solare, l'eolico e l'idroelettrico abbondano in natura e il loro esaurimento non rappresenta un problema. Queste risorse non generano sottoprodotti nocivi e sono molto più ecologiche e pulite. Molti paesi hanno iniziato ad adottare queste fonti energetiche alternative e puntano a utilizzarle per generare circa il 40% o addirittura il 50% dell'energia totale richiesta nei prossimi dieci anni.
Nonostante i vantaggi, il settore delle rinnovabili non cresce abbastanza rapidamente da soddisfare l'aumento della domanda di energia. Allo stato attuale, l'obiettivo emissioni zero è ancora lontano e molti paesi sono costretti a continuare a usare carbone e gas naturale per garantirsi la sicurezza energetica. La maggior parte dei problemi alla base di una crescita così lenta si può risolvere con l'uso delle microreti, di cui parleremo più diffusamente nel seguito di questo articolo.
Ruolo delle microreti nel campo delle energie rinnovabili
Le fonti energetiche rinnovabili sono di diverso tipo e questo è il motivo principale della loro crescita così lenta. È diverso anche il tipo di potenza erogata da queste fonti e questo genera intermittenza e variabilità. Il risultato è un'enorme discrepanza tra la domanda e l'offerta di energia che può essere compensato con l'uso delle mini-reti o microreti. A causa della natura intermittente delle fonti rinnovabili, di solito le microreti si appoggiano alla rete principale per ottenere affidabilità e ciò le rende un sistema ibrido. Per i sistemi indipendenti dalla rete elettrica (off-grid) presenti su isole o in località remote, vengono utilizzate più fonti rinnovabili per garantire l'affidabilità dell'alimentazione. Ad esempio, l'energia solare è disponibile solo durante il giorno, quindi è necessaria una fonte idroelettrica o eolica in grado di soddisfare il fabbisogno energetico nelle ore notturne.
L'introduzione di più fonti di energia rinnovabile in un unico sistema permette di controllare in modo efficace il flusso di corrente dalle fonti al carico e diventa difficile, soprattutto quando la rete principale è occupata. Per questo motivo vengono adottate diverse strategie di gestione energetica per fare in modo che la corrente generata non vada persa. Una soluzione ottimale potrebbe essere rappresentata da un sistema rinnovabile ibrido unito a sistemi di backup, come batterie di accumulo o generatori diesel. I sistemi di accumulo di energia sono utili anche per immagazzinare la corrente in eccesso generata in caso di condizioni di carico ridotto.
(Accreditamento dell'immagine: Wenbo Shi, Università della California, Los Angeles)
Strategie di gestione energetica nelle microreti
Come detto in precedenza, una strategia ottimale di gestione dell'energia contribuisce ad aumentare l'affidabilità del sistema. Tali strategie si basano sugli input di sensori e tecnologie informatiche avanzate per fornire una pianificazione ottimale delle risorse. Queste tecniche puntano a massimizzare la potenza emessa e la durata e a ridurre al minimo i costi operativi e ambientali.
Strategia di controllo centralizzato
Come suggerisce il nome, il controllo centralizzato è costituito da un controller master, o centrale, che acquisisce tutte le informazioni, come la potenza generata da ogni fonte rinnovabile, i dati meteorologici e così via. È responsabile della gestione delle interfacce elettroniche di potenza in ciascuna fonte di energia, tramite l'invio di parametri di controllo ottimali. Questo contribuisce a bilanciare la potenza attiva e reattiva in condizioni stazionarie. Il controller centrale può anche analizzare il modello di consumo energetico di ciascun utente per pianificare le risorse in maniera ottimale.
È necessario stabilire un collegamento per la comunicazione tra il controller centrale e tutti i controller locali all'interno delle fonti energetiche distribuite. Questo è anche uno dei principali svantaggi del sistema, perché apre alla possibilità di un singolo punto di guasto. Se il controller master è offline, i controller locali non possono comunicare tra loro e l'intero sistema viene compromesso.
Strategia di controllo decentralizzato
A differenza della strategia di controllo centralizzato, nel controllo decentralizzato i controller locali hanno la capacità di prendere decisioni in modo indipendente. Ogni controller locale propone la propria impostazione ottimale e invia la configurazione al controller master, che valuta la pianificazione ottimale delle risorse e la invia ai controller locali. Questo processo di contrattazione dei parametri operativi continua fino al raggiungimento degli obiettivi globali e locali.
Pertanto, anche in caso di guasto del controller principale, le prestazioni dell'intero sistema non ne risentono in misura significativa, a differenza di ciò che avviene con l'approccio centralizzato. Questo aumenta l'affidabilità del sistema. Un altro vantaggio offerto da questa strategia è la maggiore flessibilità del sistema. Infatti, è possibile aggiungere o rimuovere i controller locali senza informare il controller centrale. L'unico inconveniente è la scalabilità limitata del sistema, poiché manca una comunicazione diretta tra i controller locali.
Strategia di controllo gerarchico
Il controllo gerarchico è una combinazione di controllo centralizzato e decentralizzato. In questo caso i controller locali sono divisi in due gruppi, ciascuno dei quali ha un proprio controller centrale. I controller centrali comunicano tra loro per ottenere lo stato complessivo della microrete. Il vantaggio è dato dal fatto che la velocità di comunicazione tra i controller locali è molto elevata, offrendo così una maggiore scalabilità e solidità negli ambienti di grandi dimensioni.
Dal punto di vista del controllo, questa strategia utilizza tre livelli: controllo primario, secondario e terziario per aumentare l'affidabilità del sistema implementando tre loop di controllo. Il loop di controllo primario è responsabile del controllo della tensione e fornisce la funzionalità plug-and-play per le fonti di energia. Il loop secondario compensa la deviazione della tensione causata dal loop primario. Il loop terziario, che può essere presente o meno, è responsabile dell'ottimizzazione economica dell'energia e del controllo del flusso di corrente in presenza della rete principale.
Gestione efficace delle energie rinnovabili nelle microreti
Per garantire la continuità della fornitura dei carichi e abbassare il costo di produzione della corrente, la strategia di gestione energetica è comunemente utilizzata nei sistemi ibridi rinnovabili, insieme a tecniche di ottimizzazione dell'energia. La strategia può essere centralizzata o decentralizzata a seconda del tipo di microrete in uso. Inoltre, in futuro sarà possibile utilizzare tecnologie basate sull'Internet of Things (IoT) per risolvere il problema dell'elaborazione dei dati nei sistemi energetici distribuiti.
Nella creazione di una microrete, per garantire l'efficienza del sistema è fondamentale incorporare semiconduttori a banda proibita elevata (SiC) e a banda proibita ampia (GaN). Per lo sviluppo di un inverter, gli strumenti di simulazione di produttori come Semikron Semisel permettono di stabilire i parametri dei componenti. Inserendo questi parametri nella pagina Ricerca prodotti di Arrow, è possibile selezionare il prodotto più adatto all'applicazione, ad esempio l'IGBT SKM450GB12T4 di Semikron. Si tratta di un IGBT Trench veloce di quarta generazione con una piastra di base in rame isolata. Sono disponibili anche prodotti simili di altri produttori, come Analog Devices, NXP Semiconductors e Infineon Technologies.
