Di Jeremy Cook
Con l'obiettivo più ampio di abbandonare i combustibili fossili per le energie rinnovabili, la società preme verso l'elettrificazione del tutto. L'elettrificazione spazia dalle automobili a batteria alla sostituzione dei fornelli a gas con piani cottura elettrici, supportata dall'aggiornamento delle infrastrutture e da tecnologie delle reti intelligenti. Di particolare rilievo sono i dispositivi come i transistor al carburo di silicio (SiC), che consentono una commutazione efficiente, e i dispositivi di misurazione, che permettono di realizzare reti elettriche intelligenti.
Applicazioni di elettrificazione
In generale, l'elettrificazione del tutto è già iniziata da decenni, più per i vantaggi intrinseci che per motivazioni ambientali. In precedenza, ad esempio, la cura del prato era sostanzialmente un'attività basata sul lavoro umano o sul consumo di carburante. Oggi invece è possibile acquistare tosaerba elettrici che non hanno bisogno di carburante, molto più silenziosi degli equivalenti a combustione. La stessa tecnologia ci permette di utilizzare utensili elettrici senza collegarli alla presa di corrente e robot tosaerba ancora più avanzati che si prendono cura del prato al posto nostro.
Per quanto riguarda lo smartphone, si può dire che l'elettrificazione del tutto permette di unificare quasi tutto. Questo pacchetto tutto-in-uno senza precedenti include una fotocamera, un registratore video, una calcolatrice, un localizzatore GPS e una libreria. In generale, smartphone e computer miniaturizzati dominano quasi ogni aspetto della nostra vita elettrificata.
Di seguito vengono illustrate alcune aree in cui l'elettrificazione è destinata ad avere un'influenza sempre maggiore.
Applicazione n. 1: trasporto personale
Ad oggi negli Stati Uniti circolano circa 4 milioni di veicoli elettrici (EV), un numero che secondo le previsioni arriverà a 33 milioni entro il 2030. Abbiamo anche assistito alla proliferazione delle bici elettriche (e-bike), che rappresentano un'opzione di trasporto personale efficiente in molte circostanze. La U.S. Energy Information Administration riferisce che, nel 2022, il 27% del consumo di energia primaria degli Stati Uniti era destinato ai trasporti. Una ulteriore elettrificazione in questo campo potrebbe rappresentare un cambiamento importante nel consumo di combustibili fossili.
L'elettrificazione è presente anche nel settore pubblico, dagli autobus elettrici ai treni ad alta velocità alimentati dall'elettricità. Insieme alla diffusione delle e-bike, questo potrebbe contribuire ad alleggerire il traffico e a ridurre il consumo energetico complessivo per persona/chilometro rispetto alle automobili tradizionali. Proprio grazie all'elettrificazione, il crescente utilizzo del telelavoro porta a una minore necessità di "essere presenti" di persona. Forse non si tratta di un "trasporto elettrificato" in senso stretto, ma elimina gran parte della necessità di spostamenti personali, producendo lo stesso effetto.
Applicazione n. 2: gestione degli edifici
La gestione degli edifici è destinata a diventare sempre più elettrificata nei prossimi anni, soprattutto per quanto riguarda il riscaldamento. Tradizionalmente, il calore viene prodotto bruciando combustibili fossili sul posto per riscaldare direttamente o indirettamente una certa area. Questo può avvenire mediante un camino, un impianto di riscaldamento domestico alimentato a gas naturale o un impianto di riscaldamento a vapore per l'intero edificio.
Il riscaldamento elettrico rappresenta un'alternativa efficiente. Il processo di riscaldamento elettrico di base consiste nell'applicare elettricità a un resistore, che disperde l'energia in eccesso tramite il calore. Quello che normalmente è considerato un problema e un'inefficienza (il calore nei dispositivi elettronici, come i computer, che richiedono il raffreddamento) è il risultato desiderato. Allo stesso tempo, l'uso dell'elettricità per il riscaldamento a resistenza diretta è in genere più costoso rispetto all'utilizzo di gas o altri combustibili fossili.
Come discusso in dettaglio qui, un'opzione più efficiente per il riscaldamento elettrico è data dall'utilizzo di una pompa di calore. Questo sistema trasferisce indirettamente il calore all'interno dell'abitazione attraverso un ciclo di compressione e presenta un funzionamento opposto al condizionatore d'aria. Anche se questo metodo di riscaldamento non è l'ideale per temperature esterne molto basse, può garantire un buon riscaldamento degli edifici nella maggior parte dei climi.
Naturalmente, la gestione della temperatura non è l'unico aspetto che contribuisce a mantenere un edificio in uno stato ottimale. Anche i sistemi antincendio e di sicurezza sono importanti e la manutenzione generale può essere assistita da tecnologie di apprendimento automatico e predittive. Le funzionalità dell'interfaccia utente sono in genere accessibili da un computer o da uno smartphone standard, sfruttando in modo efficiente i dispositivi multiuso per tutto, anziché utilizzare terminali dedicati.
Applicazione n. 3: processi industriali
Il riscaldamento industriale è un'importante applicazione in cui l'elettrificazione deve affrontare le stesse sfide fondamentali legate agli scenari di gestione degli edifici. Sono in fase di sviluppo nuove tecnologie su misura per l'industria, come i kit di retrofit in grado di sostituire in modo efficiente i bruciatori a gas con elementi riscaldanti elettrici. Oltre al passaggio dai combustibili fossili al riscaldamento elettrico, si stanno compiendo sforzi per rendere più efficienti gli impianti di riscaldamento esistenti, sforzi che potrebbero eliminare del tutto alcune esigenze energetiche.
Oltre al riscaldamento, le industrie possono cercare di risolvere altre inefficienze energetiche di processo, ad esempio riducendo l'uso dell'aria compressa o privilegiando l'illuminazione a LED rispetto alle lampadine a incandescenza meno efficienti. Questi progetti possono avere un ritorno sull'investimento immediato e facilmente misurabile: un vantaggio sia a livello aziendale che ambientale.
Tecnologia da abilitare n. 1: tecnologie delle reti intelligenti
L'elettrificazione del tutto è un obiettivo nobile, ma non possiamo ignorare il fatto che le nostre infrastrutture sono costruite per le esigenze di oggi. Una ulteriore elettrificazione comporta un aumento della domanda di elettricità e richiede una fornitura solida e flessibile. Un concetto innovativo è quello di "centrale elettrica virtuale", in cui le risorse rinnovabili e le entità di accumulo della rete sono amalgamate e gestite con attenzione per utilizzare correttamente le diverse fonti di energia. Questo concetto richiede funzionalità come la misurazione bidirezionale e una struttura di controllo sofisticata per consentire il funzionamento ottimale della rete elettrica intelligente.
I componenti delle reti intelligenti, come i transistor al carburo di silicio, gli IGBT di alta qualità e i più tradizionali MOSFET al silicio, possono consentire una gestione della potenza con perdite minime tra le fonti di energia e i dispositivi che la consumano (con ruoli intercambiabili a seconda della situazione). Le attuali tecnologie di rilevamento saranno fondamentali per sapere quando fornire o consumare elettricità dalle risorse in una rete elettrica intelligente e come fatturare le diverse situazioni.
Tecnologia da abilitare n. 2: progressi nella tecnologia delle batterie portatili
Se da un lato il calore di processo è decisamente collegato alla presa di corrente, molti dispositivi elettrici sono portatili e hanno bisogno di alimentatori autonomi, ovvero batterie. I progressi relativamente recenti nel campo delle batterie, in particolare nelle tecnologie agli ioni di litio (Li-Ion) e ai polimeri di litio (Li-Po), rendono possibili dispositivi portatili come auto elettriche e smartphone.
Dal punto di vista dei dispositivi portatili, si prevede un ulteriore sviluppo della tecnologia delle batterie Li-Po/Li-Ion, insieme all'infrastruttura di produzione associata, per consentire una maggiore produzione di celle. Allo stesso tempo, l'attuale tecnologia delle batterie presenta dei limiti. È possibile che in un futuro non troppo lontano si assista alla nascita di un nuovo paradigma di batterie. Come illustrato qui, i ricercatori stanno sperimentando il grafene per l'accumulo di energia elettrica, che potrebbe consentire cicli di carica e scarica molto più rapidi di quelli attualmente possibili.
Progressi futuri e ulteriore elettrificazione
Il ritmo e la metodologia dell'elettrificazione sono una questione irrisolta. Salvo gravi imprevisti, la tendenza è sicuramente quella di una maggiore elettrificazione. Una maggiore potenza di calcolo edge e cloud attraverso i dispositivi IoT contribuirà a promuovere tale tendenza dal punto di vista dell'infrastruttura, insieme ai progressi legati al SiC e ad altre tecnologie correlate.
Indipendentemente da come si svilupperà l'elettrificazione nei prossimi decenni, senza la dovuta considerazione potrebbe passare inosservata, proprio come la proliferazione degli smartphone. Ad un certo punto, le auto elettriche, le e-bike e le nuove tecnologie elettrificate saranno tra noi, accettate tacitamente, e (auspicabilmente) renderanno il mondo un posto migliore. D'altro canto, bisogna fare di più per rendere queste tecnologie praticabili e per implementare gli aggiornamenti dell'infrastruttura delle reti intelligenti che alimenteranno il nostro mondo sempre più elettrificato.
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