Da dove verrà la nostra energia?

Il rapporto “World Energy Outlook” redatto dall'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA - International Energy Authority) nel 2019 evidenziava che un quantitativo pari a 17 TWh di elettricità (equivalente all'incirca al 60% del consumo mondiale) era generato da carbone, gas e petrolio.

Si tratta di combustibili fossili che, oltre a essere destinati inevitabilmente a esaurirsi, una volta bruciati rilasciano i gas serra responsabili in larga misura dei cambiamenti climatici in atto. Oltre ai gas serra vengono generati altri agenti inquinanti, compreso il particolato, che rappresenta un seria minaccia per la salute, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo.

Eliminazione graduale dei combustibili fossili

Per affrontare in maniera efficace le problematiche ambientali e quelle di approvvigionamento energetico è dunque indispensabile ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. La “fame” di elettricità, però, in continuo aumento. Nei Paesi più industrializzati ciò è dovuto alla diffusione su larga scala della digitalizzazione e dell'elettrificazione. Questa tendenza, abbinata all'aumento della produzione industriale e al miglioramento del tenore di vita dei Paesi in via di sviluppo, contribuirà a far lievitare di altri 10 TWh la domanda di energia su scala globale entro il 2040.

La speranza di un futuro più pulito e sostenibile è dunque tutta riposta sulle energie rinnovabili. Le fonti rinnovabili, quindi, non solo dovranno produrre una percentuale molto consistente dell'elettricità generata sfruttando i metodi tradizionali nel momento in cui non si utilizzeranno più i combustibili fossili, ma anche supportare in maniera adeguata il futuro aumento della richiesta di energia. Al momento attuale tutte le fonti di energia rinnovabile, ovvero idrica, eolica e fotovoltaica, producono circa 8 TWh. Si tratta di una quantità più che sufficiente a soddisfare la domanda globale di elettricità a livello residenziale. Non bisogna però dimenticare che i comparti industriale e dei servizi, insieme, consumano una quantità di energia doppia, pari a 16 TWh. Secondo le stime di IEA, entro il 2040 la generazione di energia da fonti rinnovabili è destinata più che a triplicare, raggiungendo quota 26 TWh.




Un nuovo modello di energia

Da qui ad allora, è necessario un significativo cambiamento delle modalità utilizzate per generare l'elettricità. La natura stessa delle sorgenti di energia rinnovabile che, oltre a dipendere dalle condizioni meteorologiche e da vari fattori di natura geografica, risulta spesso imprevedibile, comporta un cambiamento drastico anche a livello delle infrastrutture di distribuzione.

Problemi e soluzioni

Cambiamenti sono già in corso e alcune delle soluzioni che è necessario adottare per gestire questa transizione energetica si stanno già profilando all'orizzonte. In questa serie di sei blog verranno esaminate le problematiche che è necessario affrontare per “imbrigliare” l'energia prodotta dal vento, dal sole e dalle maree e produrre energia utilizzabile e di elevata qualità che possa essere distribuita in modo sicuro alle abitazioni e alle fabbriche attraverso una rete stabile ed equilibrata.

Alcuni fattori, come la fisica alla base delle celle fotovoltaiche (PV) e la struttura aerodinamica delle turbine eoliche, contribuiscono a limitare l'efficienza nella fase di accumulo dell'energia (energy harvesting), che risulta inferiore al 50%. Tenuto conto di questo fatto, è indispensabile minimizzare gli sprechi nella successiva fase di condizionamento della potenza elettrica. In tale contesto è di fondamentale importanza l'efficienza delle topologie dei convertitori e degli inverter adottate e i semiconduttori ad ampio bandgap (WBG), come il carburo di silicio e il nitruro di gallio, rappresentano un valido ausilio per il conseguimento di questo obiettivo. L'impiego di questi avanzati semiconduttori di potenza permette di ridurre in maniera significativa l'energia dissipata da ciascun componente presente nel circuito. Inoltre è possibile ottenere risparmi ancora maggiori nei progetti che utilizzano un numero inferiore di componenti attivi per gestire lo stesso carico.




Nuove architetture e infrastrutture

In questa serie di blog saranno analizzati i cambiamenti a livello di architettura della rete, con particolare riferimento al fatto che sarà necessario immagazzinare un quantitativo di energia decisamente maggiore.

D'altra parte, questo immagazzinamento è essenziale quando si tratta di generatori di tipo rinnovabile al fine di garantire il bilanciamento e la sostenibilità della rete. L'immagazzinamento di energia che fa ricorso a batterie è in grado di rispondere in tempi rapidi alla fluttuazione della richiesta, anche se bisogna tener conto del fatto che per soddisfare la domanda su scala globale è necessario disporre di una capacità di immagazzinamento enorme. Poiché la produzione della quantità di batterie richieste può rappresentare un problema, si sta valutando l'opportunità di riutilizzare le batterie dei veicoli elettrici (EV).

Una strategia efficace prevede il ricorso a più risorse, ovvero batterie sia nuove sia riciclate e soluzioni di immagazzinamento già connesse alla rete, come ad esempio UPS e veicoli elettrici collegati alle stazioni ricarica.

Contemporaneamente alle iniziative già poste in atto per affrontare in modo efficace queste problematiche, continua ad aumentare la capacità delle fonti di energia rinnovabile. Tra i numerosi esempi la realizzazione del più grande impianto fotovoltaico d'Europa in grado di produrre 500 MW e la possibilità di implementare micro-reti (microgrid) che danno ai proprietari di immobili l'opportunità di ottenere l'autosufficienza in termini energetici. In quest'ultimo caso, la possibilità di alleggerire il carico sulla rete e di beneficiare di un eventuale “surplus” di energia rappresenta un vantaggio sia per gli utenti sia per i gestori della rete. In questi blog verranno anche analizzate le problematiche legate alla sicurezza per evitare, ad esempio, i rischi di incendio durante la ricarica delle batterie a ioni di litio, e illustrati i nuovi test condotti da UL capaci di garantire livelli di sicurezza adeguati.

Uno sguardo al futuro

A conclusione di questa serie verranno descritte le innovazioni capaci di assicurare anche in futuro il nostro fabbisogno di energia.

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