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La tecnologia di gestione delle batterie per rafforzare la rete elettrica
Le innovazioni a semiconduttori nei sistemi di batterie guidano l’adozione dell’immagazzinamento dell’energia
Takeaway
- Le reti elettriche non sono state progettate per gestire le nuove tipologie di domanda e offerta di elettricità.
- I sistemi di immagazzinamento dell’energia a batteria sono fondamentali per la trasformazione e per la protezione della rete.
- Grazie alle innovazioni nei semiconduttori per la gestione delle batterie e per l’alta tensione, le reti possono ottenere il massimo dallo stoccaggio a batteria.
La sempre maggiore diffusione dei veicoli elettrici (EV) e il passaggio a fonti di energia più rinnovabili stanno riducendo la nostra dipendenza dai combustibili fossili che dura da oltre un secolo. Gli enti di fornitura dell’energia stanno passando sempre più spesso ai pannelli solari e alle turbine eoliche, in sostituzione delle turbine a gas naturale, per generare l’elettricità necessaria per ricaricare gli EV e per contribuire ad alimentare le nostre case e le nostre aziende. Insieme, queste tendenze sono la soluzione verso un futuro energetico sostenibile.
Queste stesse tendenze pongono però anche notevoli sfide per la rete elettrica. La domanda può variare nel corso della giornata, e lo stesso vale per la disponibilità di energia solare ed eolica a seconda dei cambiamenti nelle condizioni meteo. Ecco perché le batterie stanno diventando un componente fondamentale della rete.
«Le batterie possono colmare i momenti morti in cui il cielo è coperto e il vento non soffia», ha detto Richard Zhang, professore di Virginia Tech che insegna elettronica di potenza e lavora da 25 nel settore delle reti elettriche e dell’energia. «Inoltre le batterie migliorano l’economia dell’elettricità in quanto possono essere ricaricate durante i periodi fuori picco, erogando l’elettricità per la ricarica degli EV negli orari di picco».
Fare in modo che le batterie possano immagazzinare e rilasciare grandi quantità di energia nella rete in modo sicuro, affidabile e conveniente è una sfida complessa. È qui che l’esperienza della nostra azienda nel fornire soluzioni a semiconduttori per la gestione avanzata delle batterie può fare una grande differenza.
«Le batterie ad alta tensione più grandi, a tensione più elevata, utilizzate nella rete elettrica richiedono una migliore gestione termica e un monitoraggio più preciso», ha detto Samuel Wong, Vice Presidente della nostra azienda e Direttore Generale per le soluzioni di gestione delle batterie. «Una gestione efficace di tali batterie richiede la conoscenza della chimica delle batterie e la capacità di adattare i dispositivi a semiconduttori ad alte prestazioni per ottenere il massimo da ciascuna batteria, in sicurezza».
Uniformare la rete elettrica
L’adozione della generazione solare ed eolica e gli EV sono una buona notizia per il pianeta, ha detto Richard. Tuttavia, il problema è che le reti elettriche non sono state progettate in origine per gestire queste nuove tipologie di domanda per l’energia elettrica disponibile.
«Convincere le persone a passare agli EV è più facile oggi di quanto non fosse anche solo pochi anni fa», ha detto. «Ora la problematica crescente è riuscire a far sì che l’infrastruttura elettrica li gestisca, in aggiunta agli altri fabbisogni energetici».
La questione, ha detto Samuel, sta nell’instabilità della rete: in altre parole, le fluttuazioni nella generazione e nell’utilizzo dell’elettricità. Le variazioni della fornitura di energia si verificano nella generazione solare ed eolica, in particolare la completa perdita di energia solare di notte. Forti oscillazioni nella domanda e nell’offerta possono verificarsi anche in seguito alle routine di ricarica dei proprietari di veicoli elettrici.
«Se tutti tornano a casa la sera e mettono sotto carica i loro EV per la notte, la rete potrebbe non essere in grado di gestirli», ha detto.
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Samuel Wong, Vice Presidente di TI per le soluzioni di gestione delle batterie, a sinistra, e Richard Zhang di Virginia Tech discutono dell’impatto dei sistemi di immagazzinamento dell’energia a batterie.
Samuel e Richard, come la maggior parte degli esperti di energia, sono d’accordo sulla soluzione all’instabilità della rete: i sistemi di immagazzinamento dell’energia (ESS). I sistemi di immagazzinamento (di solito sotto forma di batterie) possono raccogliere e trattenere l’energia in eccesso nella rete quando l’offerta è elevata e la domanda è bassa, per poi metterla a disposizione in altri momenti. È possibile immaginare, ad esempio, le batterie relativamente piccole e leggere utilizzate negli EV. Per la rete elettrica, invece, un ESS potrebbe essere composto da una pila, delle dimensioni di un vagone ferroviario, costituita da batterie più grandi e pesanti in grado ciascuna di gestire fino a 4 megawattora (MWh): energia sufficiente per alimentare migliaia di case.
La distribuzione di sistemi di immagazzinamento in punti diversi della rete permette di ottimizzare la loro capacità di distribuire enormi quantità di elettricità nelle aree in cui serve e quando serve. In pratica è possibile posizionare un ESS di fianco a un parco fotovoltaico, dove può assorbire l’energia in eccesso durante il giorno per poi reintrodurla nella rete di notte. In alternativa, l’ESS può essere collocato in una comunità dove può ricevere più facilmente l’energia dai pannelli solari posti sui tetti locali ed erogare poi l’energia elettrica supplementare necessaria per ricaricare gli EV in zona. «Un ESS può fungere da serbatoio locale per la comunità», ha detto Samuel.
La gestione della batteria e delle prestazioni del sistema
Il cuore dei sistemi di immagazzinamento sono i moduli di batterie ad alta tensione (solitamente batterie al fosfato di litio-ferro), che possono generare enormi quantità di calore se si caricano o scaricano troppo rapidamente. Inoltre la durata di vita di questi moduli può ridursi se scaricati completamente troppo spesso.
Il monitoraggio della temperatura e della carica di queste batterie richiede l’uso di semiconduttori estremamente precisi, come il monitor per batterie industriali BQ79616, ha spiegato Samuel. Ciò è necessario perché anche fluttuazioni minime nella temperatura e nella tensione possono indicare la necessità di dedicare attenzione alle batterie.
«Serve una precisione nell’ordine dei millivolt per sapere quanta carica è rimasta in una batteria», ha detto.
La vasta esperienza della nostra azienda nel campo dei monitor per batterie ad altissima precisione si sta dimostrando fondamentale per aiutare il settore degli ESS a produrre sistemi in grado di fornire alla rete dati indispensabili per la gestione delle batterie. I risultati possono avere un impatto notevole sul rapporto costo/efficacia di un ESS per la rete elettrica, ha spiegato Samuel.
«Se è possibile misurare la carica di un ESS da 10 MWh soltanto con una precisione del 5%, allora non è possibile utilizzare in sicurezza più di 9,5 MWh», ha precisato. «I nostri monitor per batterie sono in grado di misurare con una precisione dell’1%, il che consente di sfruttare 9,9 MWh».
In aggiunta al monitoraggio accurato della batteria, i sistemi di immagazzinamento dell’energia a livello di rete come quelli integrati con i parchi fotovoltaici possono necessitare di un’efficiente conversione di potenza ad alta tensione che contribuisce a ridurre le perdite di potenza nel trasferimento dell’energia da e verso la rete. Questi sistemi, inoltre, si basano su tecnologie di rilevamento e isolamento che contribuiscono a mantenere l’affidabilità e la sicurezza del sistema, che sono fondamentali per la gestione di elevati flussi di elettricità., anche fino a 1500 V.
L’impatto sul futuro
Per il prossimo futuro, l’innovazione negli ESS a batteria sembra essere la chiave per trasformare e proteggere la rete dalla variabilità dovuta all’energia solare ed eolica, nonché alla ricarica degli EV.
«È veramente emozionante poter contribuire al rafforzamento della rete elettrica con innovazioni nell’immagazzinamento dell’energia», ha dichiarato Samuel. «Già oggi possiamo fare molto, ma in futuro potremo fare molto di più costruendo la rete intelligente del futuro».
