Mentre il mondo lotta per affrontare la sfida di prevenire i catastrofici cambiamenti climatici, l'industria della produzione di energia è stata riconosciuta come l'area più importante per ridurre le emissioni di carbonio. Pertanto, più della metà degli stati degli Stati Uniti ha emanato direttive sull'elettricità rinnovabile, inclusi alcuni dei più grandi stati come California, Texas e New York, e la direttiva sull'energia rinnovabile dell'Unione europea ha fissato obiettivi simili. Soprattutto a causa dell'intermittenza e della variabilità dell'energia eolica e dell'energia solare, l'integrazione delle risorse energetiche rinnovabili è una sfida sempre più seria per i servizi di pubblica utilità.
Negli ultimi dieci anni, il costo dell'energia eolica e solare è diminuito drasticamente. In molti casi hanno un vantaggio competitivo rispetto ai combustibili fossili, soprattutto se utilizzati su scala di rete. Anche le installazioni su scala commerciale e industriale sono estremamente economiche, come dimostra il fatto che aziende come Wal-Mart, Target e Amazon hanno collocato un gran numero di pannelli solari nei magazzini e nei punti vendita. Con il continuo sviluppo dell'energia eolica offshore e della tecnologia dei pannelli solari non fissi, si stanno espandendo anche i punti applicabili dell'energia rinnovabile.
Insieme alla capacità solare residenziale in continua espansione, un'altra sfida per i servizi pubblici è che l'integrazione dell'energia distribuita non è sotto il loro controllo. Alcuni stati impongono norme obbligatorie sullo scambio sul posto o sulle spese di alimentazione dietro l'elettricità generata dai contatori, il che aggiunge complessità e incide sui ricavi delle utenze.
Un'altra grande sfida è legata anche al cambiamento climatico: la sicurezza e l'affidabilità delle infrastrutture di rete. I recenti incendi in California e il fallimento di PG&E sono i primi segnali di come il clima estremo e il cambiamento climatico influenzeranno la rete elettrica. PG&E anche ora conduce interruzioni di corrente su larga scala preventive per proteggere apparecchiature, clienti e foreste.
Un'altra risorsa aggiunta a questa combinazione è lo stoccaggio di energia. L'accumulo di energia può assumere molte forme, tra cui l'accumulo con pompaggio, grandi volani, airbag sottomarini pressurizzati e persino gru che sollevano enormi blocchi di cemento. Molte di queste opzioni richiedono una costruzione su larga scala per risparmiare sui costi o richiedono caratteristiche geografiche molto specifiche.
La tecnologia di accumulo di energia più importante e in più rapida crescita sono le batterie. Le batterie sono altamente scalabili e possono essere utilizzate dalla scala domestica alla scala della centrale elettrica. Possono anche essere installati in quasi tutti i luoghi senza la necessità di un'ampia valutazione ambientale, costruzione di infrastrutture e considerazione delle normative locali come le centrali elettriche tradizionali. Alla fine, le aziende hanno confermato di poter installare batterie di grandi dimensioni in soli sei mesi, il che è in netto contrasto con i decenni necessari per pianificare e supportare la produzione di energia da combustibili fossili.
L'accumulo di energia porta molti vantaggi, soprattutto se combinato con energia rinnovabile intermittente. L'uso più ovvio dell'accumulo di energia è l'arbitraggio energetico. Quando i prezzi dell'elettricità sono bassi, l'energia viene immagazzinata e poi restituita alla rete quando i prezzi dell'elettricità sono alti. In una giornata di sole, quando le fonti fotovoltaiche (FV) generano una potenza eccessiva, l'elettricità può fluire nell'elemento di accumulo, in modo che questi"devono-consumare" le risorse possono essere sfruttate al massimo. Di notte, quando la produzione di energia solare diminuisce, la batteria fornirà l'energia persa e la generazione di energia del carico di base aumenterà. Pertanto, molti impianti di batterie su larga scala sono installati nella stessa posizione dei parchi solari.
Se PG&E spegne i clienti quando il rischio di incendio è alto, le batterie e i pannelli solari proteggeranno le case e le aziende da interruzioni di corrente, mantenendo così in funzione i processi critici e prevenendo il deterioramento del cibo. Inoltre, gli operatori energetici stanno ora coordinando e controllando le fonti energetiche distribuite come"centrali elettriche virtuali" che generano, immagazzinano e trasmettono elettricità in base alla domanda. In alcuni casi, ciò include la risposta alla domanda, in cui il carico elettrico viene spostato nelle ore non di punta.
L'interfaccia chiave per il collegamento alla rete di sorgenti eoliche, fotovoltaiche ea batteria è l'inverter. In poche parole, l'inverter converte la corrente continua in corrente alternata e la sincronizza alla frequenza elettrica di 60Hz della rete. La Figura 1 mostra uno schema semplificato di un pannello solare connesso alla rete, concentrandosi sulla struttura dell'inverter. Esistono molti stili di inverter, comprese le strutture multitopologia di inverter unidirezionali e bidirezionali e multilivello. Ogni topologia ha i suoi vantaggi e svantaggi in circostanze specifiche. Il componente chiave dell'inverter è l'interruttore di alimentazione, mostrato in figura come un transistor bipolare a gate isolato (IGBT).
Invertitore: inverter
ACGrid: rete AC
L'inverter utilizza un microprocessore, rilevamento e feedback appropriati e algoritmi corretti per fornire vari servizi alla rete, non solo immagazzinando e rilasciando energia elettrica. Un esempio è il supporto della tensione, la regolazione della frequenza e la riduzione delle armoniche per mantenere la qualità dell'alimentazione. L'energia distribuita può ridurre il carico sulle reti di trasmissione e distribuzione dell'energia perché l'energia elettrica viene utilizzata vicino alla generazione di energia. Ciò può ridurre la tensione e la congestione della rete elettrica e persino posticipare l'aggiornamento della linea elettrica.
Quando una grande quantità di energia passa attraverso l'inverter, la conversione tra alimentazione CA e CC deve essere molto efficiente. Infatti, l'efficienza di picco degli inverter commerciali è del 96-98%. Ma gli operatori di rete vogliono una maggiore efficienza energetica, soprattutto sulla scala delle utility, perché piccoli cambiamenti nell'efficienza energetica significano ancora molta elettricità.
Per raggiungere questi livelli di efficienza energetica, i dispositivi di potenza devono avere perdite molto basse. Oggi, IGBT è diventato l'interruttore principale per queste applicazioni. Tuttavia, la corrente di conduzione di un IGBT è di diverse centinaia di ampere, bloccando tensioni di diverse migliaia di volt. È realizzato in silicio utilizzando un processo simile a quello utilizzato per produrre chip di elaborazione ad alte prestazioni per telefoni cellulari e data center.
Tuttavia, ci si aspetta che i nuovi materiali raggiungano prestazioni più elevate, maggiore efficienza energetica e maggiore affidabilità. In particolare, il carburo di silicio (SiC) è il materiale del futuro. I dispositivi elettronici di potenza SiC hanno perdite di conduzione e di commutazione inferiori rispetto a dispositivi simili al silicio. La prima fase della transizione prevede un diodo di basso livello, come mostrato in Figura 1, che è collegato all'IGBT in antiparallelo. La sostituzione dei diodi al silicio con diodi SiC può ridurre le perdite e ridurre l'overshoot durante la commutazione, riducendo così lo stress sull'inverter. Sebbene i diodi SiC siano più costosi dei diodi al silicio, un dissipatore di calore e una dimensione del sistema più piccoli possono ridurre il costo complessivo del sistema.
SiCMOSFET è la fase successiva della transizione. La velocità di commutazione dei MOSFET SiC è molto più veloce di quella degli IGBT al silicio, quindi il loro utilizzo nella fase boost dei sistemi di generazione di energia solare offre maggiori vantaggi. Generalmente, viene utilizzato un convertitore DC-DC per aumentare la tensione di uscita del pannello solare. I MOSFET SiC possono commutare più velocemente, riducendo così le dimensioni di costosi componenti passivi come gli induttori nella fase di boost e migliorando l'efficienza.
ON Semiconductor fornisce una varietà di IGBT, diodi SiC e MOSFET SiC per soddisfare i requisiti di tensione e corrente di vari inverter. Il più popolare è il modulo di alimentazione, che racchiude molti interruttori di alimentazione e diodi diversi insieme per ottenere dimensioni ridotte, design semplice e dissipazione del calore efficiente. Oltre ai principali dispositivi elettronici di alimentazione, ON Semiconductor fornisce anche gate driver, isolamento galvanico e amplificatori operazionali ad alte prestazioni per completare il sistema.
Con il miglioramento delle energie rinnovabili e della tecnologia di stoccaggio dell'energia e la diminuzione dei costi, il"cambio inverso" della rete elettrica continua a procedere a un ritmo sempre più veloce. Oltre a ridurre le emissioni di carbonio e l'inquinamento, gli inverter supportano anche una rete elettrica più flessibile e partecipativa, confondendo i confini tra consumatori e produttori. Il corretto controllo e coordinamento delle società elettriche può migliorare la qualità dell'energia, ridurre i costi di aggiornamento e fornire agli utenti servizi più affidabili. L'elettronica di potenza è la tecnologia abilitante chiave che consente di aggiornare la nostra infrastruttura critica.