L’evoluzione dei sistemi energetici è cruciale per soddisfare una domanda in aumento ed affrontare allo stesso tempo le sfide ambientali. Tra gli sviluppi più promettenti ci sono i DC Microgrid. Il numero di carichi in DC è cresciuto vertiginosamente con la diffusione degli EV, dell’illuminazione a stato solido (SSL) e dell’Internet of Things (IoT).
Per questo motivo, i DC Microgrid rappresentano un passo avanti verso un futuro energetico sostenibile e resiliente, supportando distribuzione e gestione energia locale.
Che cos’è un DC Microgrid?
Un DC Microgrid è un sistema elettrico localizzato che opera principalmente in corrente continua (DC). A differenza delle reti tradizionali in corrente alternata (AC), i DC Microgrid possono semplificare la gestione dell’energia riducendo le perdite dovute alle conversioni e migliorando la compatibilità con le tecnologie moderne. Questi sistemi vengono usati di solito da soli (islanded mode), oppure interfacciati con una rete più ampia (grid-connected mode).
Componenti chiave di un DC Microgrid
Pur esistendo varianti tra diversi DC Microgrid, ciascuna include i seguenti componenti e sottosistemi (Figura 1):
- Sorgenti di potenza: note anche come generazione distribuita (DG, distributed generation), includono pannelli fotovoltaici (PV), turbine eoliche, piccoli impianti idroelettrici, generatori diesel e altri generatori da fonti rinnovabili.
- Sistemi di accumulo dell’energia (ESS): dispositivi che convertono l’energia elettrica in una forma immagazzinabile e la riconvertono in elettricità quando necessario. Nei DC Microgrid si utilizzano batterie, supercondensatori e volani per garantire continuità di alimentazione e gestire l’equilibrio tra offerta e domanda durante l’esercizio della energia distribuita.
- Carichi: per “carichi” si intende l’energia assorbita dagli utenti; possono essere utenze industriali, commerciali, residenziali o altre unità di consumo presenti nel sistema di distribuzione.
- Sistemi di controllo: software e hardware avanzati che gestiscono i flussi di energia, mantengono la stabilità e assicurano un funzionamento efficiente.
- Inverter: dispositivi essenziali che convertono potenza DC in potenza AC, consentendo l’integrazione di carichi AC (commerciali, residenziali, industriali) sul DC bus.
- Convertitori bidirezionali: convertitori che regolano la potenza trasferita dal DC Microgrid verso la utility grid e verso i sistemi di accumulo.
Tipologie di DC Microgrid
I DC Microgrid possono essere classificati in base alla configurazione e all’applicazione:
- Residenziali: integrano pannelli solari su tetto, accumulo a batteria ed elettrodomestici efficienti in DC nelle abitazioni. Riducono la dipendenza dalla rete centrale e abbassano i costi energetici.
- Commerciali e industriali: ideali per aziende e stabilimenti, forniscono alimentazione stabile per le attività operative. I data center, ad esempio, beneficiano dell’integrazione diretta con fonti rinnovabili, riducendo le perdite dovute alle conversioni AC-DC.
- Remote e off-grid: essenziali per aree prive di accesso alla rete, come comunità rurali o insulari. Si basano su risorse rinnovabili locali per garantire disponibilità energetica.
- Trasporti: supportano stazioni di ricarica EV e sistemi di trasporto pubblico. Aumentano l’efficienza alimentando direttamente carichi compatibili in DC (come gli EV).
- Militari ed emergenza: critiche per operazioni di difesa e gestione delle emergenze, offrono potenza affidabile e resiliente in condizioni di isolamento.
Funzionamento e controllo dei DC Microgrid
I DC Microgrid hanno il potenziale di cambiare il settore così come lo conosciamo. Decentralizzando l’accumulo e la generazione e riducendo il numero di stadi di conversione, minimizzano le perdite energetiche e aumentano l’efficienza operativa.
Il funzionamento efficiente di un DC Microgrid dipende dai sistemi di controllo, progettati per gestire dinamicamente l’energia e garantire affidabilità. Il bilanciamento energetico è fondamentale: allinea generazione e domanda in tempo reale, spesso sfruttando l’accumulo per gestire i picchi di consumo o compensare periodi di bassa generazione. Un altro aspetto chiave è la regolazione della tensione, che mantiene livelli di tensione stabili nonostante la variabilità dei carichi e della generazione; ciò è spesso ottenuto tramite convertitori DC-DC. La gestione dei guasti è essenziale per individuare e isolare i fault e prevenire disservizi estesi; è supportata da meccanismi di protezione robusti.
L’ottimizzazione energetica dà priorità alle fonti rinnovabili rispetto ai combustibili fossili e minimizza le perdite mediante strategie di controllo avanzate. Infine, sistemi di comunicazione e monitoraggio che utilizzano sensori smart e dispositivi IoT consentono la raccolta dati in tempo reale e analisi avanzate per prevedere e prevenire guasti di sistema.
Vantaggi dei DC Microgrid
Secondo l’International Energy Agency (IEA), nel 2022 il settore industriale ha rappresentato circa il 37% dei consumi energetici globali. L’aumento dei costi dell’energia e la spinta alla decarbonizzazione delle fonti di produzione e delle tecnologie di utilizzo finale stanno aumentando la pressione su utenti e produttori. Uno studio del 2018 condotto da Cronimet Corporation ha evidenziato un impianto ibrido con 1 MW di solare che ha consentito di risparmiare 500.000 USD e 450.000 litri di diesel all’anno.
I DC Microgrid offrono benefici in numerosi settori. Le famiglie possono ridurre i costi dell’elettricità e l’impronta di carbonio utilizzando rinnovabili e dispositivi efficienti. Le imprese ottengono maggiore indipendenza energetica e risparmi, aumentando al contempo l’affidabilità operativa. Le comunità rurali beneficiano di un accesso stabile all’elettricità, favorendo crescita economica e migliorando la qualità della vita. Le strutture sanitarie dipendono da alimentazione continua per operazioni e apparecchiature critiche, mentre le istituzioni educative possono promuovere sostenibilità e formazione energetica attraverso microgrid installate nel campus.
Integrazione dei DC Microgrid nella rete elettrica
Un DC Microgrid include vari generatori e “buffer” energetici, come supercapacitori e celle a combustibile. Diverse configurazioni di convertitori di elettronica di potenza possono essere utilizzate per interfacciare la busbar DC comune alle risorse di generazione. Le celle a combustibile utilizzano un convertitore DC-DC unidirezionale, mentre i supercapacitori richiedono un convertitore DC-DC bidirezionale. L’efficienza dei DC Microgrid dipende dall’efficienza di questi convertitori.
L’integrazione efficace dei DC Microgrid con la rete elettrica più ampia è essenziale per massimizzarne il potenziale. Gli impatti del cambiamento climatico hanno aumentato intensità e frequenza di disastri naturali ed eventi metereologici estremi. Di conseguenza, sia il settore commerciale sia quello residenziale hanno compreso l’importanza dell’autonomia energetica. Una struttura che integra un DC Microgrid insieme a una fonte rinnovabile può operare in modo indipendente come “isola energetica”, disaccoppiandosi dalla rete principale fino al termine dell’emergenza.
Capacità di funzionamento in isola (Islanding Capability)
Una delle caratteristiche principali dei DC Microgrid è la capacità di operare autonomamente in islanded mode, cioè disconnesse dalla rete commerciale. In caso di disturbo o blackout, i DC Microgrid passano alla modalità isola e garantiscono che i carichi critici all’interno della rete della microgrid ricevano un’alimentazione ininterrotta. La capacità di islanding aumenta l’affidabilità complessiva del sistema e rafforza la resilienza delle operazioni manifatturiere.
Raggiungere gli obiettivi climatici con i DC Microgrid
I DC Microgrid svolgono un ruolo determinante nel raggiungimento degli obiettivi climatici globali. L’integrazione di fonti rinnovabili e la riduzione delle perdite energetiche diminuiscono in modo significativo le emissioni di gas serra. Le microgrid aumentano l’efficienza utilizzando direttamente potenza in DC, eliminando conversioni multiple e preservando risorse. Inoltre, facilitano l’adozione delle rinnovabili rendendo più semplice implementare solare, eolico e altre fonti sia in aree urbane sia in contesti remoti.
In più, il design decentralizzato e flessibile rende i DC Microgrid meno vulnerabili a disastri naturali e guasti della rete, garantendo una fornitura di energia affidabile. Queste caratteristiche collocano i DC Microgrid tra i componenti chiave per costruire un futuro energetico sostenibile e compatibile con gli obiettivi climatici.
Conclusione
I DC Microgrid rappresentano un’innovazione cruciale nel percorso verso sistemi energetici sostenibili. La loro capacità di integrare fonti rinnovabili, aumentare l’efficienza e rafforzare la resilienza della rete le rende indispensabili per la transizione energetica. Di fronte alle sfide ambientali ed energetiche, adottare i DC Microgrid può contribuire a tracciare la strada verso un futuro energetico più pulito, sostenibile ed equo.
Fonte: www.fareelettronica.it
