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Smart grid e accumulo: l’ibridizzazione della rete con il contributo di Danfoss

Con la crescita delle rinnovabili e l’aumento dei consumi, la rete elettrica del futuro subirà trasformazioni strutturali. La soluzione principale per bilanciare domanda e offerta è l’ibridizzazione della rete con l’energy storage. È qui che Danfoss mette in campo i suoi prodotti per una gestione intelligente del sistema energetico

ibridizzazione della rete
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Articolo pubbliredazionale

(Rinnovabili.it) – In un mondo che cresce demograficamente la domanda energetica è destinata a crescere a sua volta. I quasi 10 miliardi di persone che popoleranno il Pianeta nel 2050 avranno bisogno di energia per svolgere le normali attività del quotidiano. Più energia quindi, che dovrà essere prodotta in quote sempre maggiori a partire da risorse rinnovabili come solare fotovoltaico ed eolico. Ma per controllare reti sempre più dipendenti da sole e vento, fonti per natura intermittenti, definite “non programmabili”, rivestirà sempre più importanza l’accumulo energetico efficiente. È la cosiddetta “ibridizzazione” dei sistemi energetici tramite BESS (Battery Energy Storage Systems), un processo che consentirà alla rete di adattarsi senza problemi a consumi imprevisti o picchi e flessi di produzione. Ed è qui che Danfoss Drives ha sviluppato soluzioni sostenibili in grado di ottimizzare i processi, riducendo i consumi energetici e i costi associati. La multinazionale danese offre un’ampia gamma di prodotti per l’immagazzinamento energetico in applicazioni quali il livellamento dei picchi di carico, la capacità di black-start, l’energia di backup e il time shifting, comprese progettazione e soluzioni di collaudo. 

Stabilizzare domanda e offerta: le reti sono “smart” con l’energy storage

Decentralizzazione, digitalizzazione ed elettrificazione saranno i tre concetti cardine della gestione delle reti intelligenti del futuro, ma il grande protagonista sarà senza dubbio l’energy storage, impiegato per livellare il divario tra domanda energetica dei consumatori e offerta dei produttori. Il sistema energetico nei prossimi anni subirà cambiamenti strutturali, con un passaggio dalle fonti fossili su cui si basa oggi, a quelle rinnovabili. È la Transizione ecologica, un processo ineludibile se vorremo mitigare l’enorme problema del cambiamento climatico. Ma questi processi imporranno anche grandi sfide agli operatori e ai consumatori, da giocare per gestire in maniera efficiente le reti elettriche di distribuzione che poggiano in gran misura su solare fotovoltaico, eolico e idroelettrico. E Danfoss in questo senso è una realtà all’avanguardia da anni.

Si pensi da un lato al bisogno di pianificare con razionalità i periodi di maggiore e minore produzione di energia e dall’altro alla riduzione dei picchi di produzione o di domanda che inevitabilmente avranno luogo. Esempio classico sono le giornate invernali molto fredde con sistemi di riscaldamento accesi e irradiazione solare carente, oppure i picchi di produzione durante giornate molto calde, soleggiate e ventose. E poi c’è il “time shifting”, che implica uno stoccaggio dell’energia nei periodi in cui i costi della produzione e della distribuzione sono bassi e, al contrario, una fornitura di energia accumulata quando i costi sono maggiori.

Queste condizioni determineranno un’evoluzione imponente del sistema energetico, che andrà incontro a una progressiva decentralizzazione: il punto di produzione tenderà ad essere presso la sede del consumatore o in prossimità, di modo che i distributori di energia riusciranno meglio a soddisfare le variazioni impreviste tra domanda e offerta. Storage distribuito e le cosiddette “microgrid”, microreti, saranno le soluzioni più adottate, che incrementeranno l’efficienza globale del sistema e contribuiranno a evitare interruzioni dell’alimentazione elettrica, riducendo i tempi di inattività.

Ma in tutte queste applicazioni sono fondamentali sistemi di conversione di potenza avanzati come quelli messi in campo da Danfoss, azienda leader mondiale nell’elettrificazione e nel controllo a velocità variabile dei motori elettrici. Danfoss offre prodotti al servizio dell’immagazzinamento energetico e della maggior sostenibilità dei processi, da un lato per ottimizzare le prestazioni, e dall’altro per garantire sicurezza, ad esempio, in caso di blackout con protezioni anti-isolamento che scollegano il sistema prontamente, oppure in caso di cadute di tensione per rimanere accoppiati alla rete. 

L’importanza dell’ibridizzazione e le soluzioni targate Danfoss

I clienti del sistema energetico del futuro si troveranno quindi di fronte a esigenze nuove: sostenere la produzione energetica in loco, evitare l’instabilità, favorire l’ingresso delle fonti energetiche rinnovabili (FER), minimizzare sovradimensionamenti e spese in conto capitale (i cosiddetti CAPEX). Per farlo, verranno implementate in misura sempre maggiore soluzioni ibride ovvero sistemi composti da due o più fonti di energia che concorrono insieme allo svolgimento di una attività. La forma di ibridizzazione più nota oggi è quella dei veicoli elettrici ibridi, dove un motore a combustione interna è affiancato a un sistema di propulsione elettrico a batteria. Applicando la medesima dinamica al sistema energetico globale e all’energy storage il discorso è simile: in presenza di picchi di produzione un sistema ibrido è in grado di convogliare energia verso l’accumulo, mentre quando la domanda eccede l’offerta per i più svariati fattori ambientali o legati a esigenze particolari del consumatore, l’accumulo fornisce alla rete energia supplementare.

Danfoss è una delle realtà dal know-how più solido nelle soluzioni di produzione e ottimizzazione dell’accumulo energetico: il core business della divisione interna Danfoss Drives si rivolge proprio alla progettazione e produzione di inverter, convertitori e tutto ciò che rientra nell’ambito dell’elettronica di potenza. L’azienda mette a disposizione assistenza individuale e soprattutto prodotti di alta gamma per l’ibridizzazione efficiente delle smart grid. Un esempio è VACON® NXP Grid Converter, una serie di convertitori di frequenza raffreddati a liquido progettati per applicazioni nei sistemi di distribuzione intelligente, di accumulo e gestione dell’energia anche in ambito navale. Il Converter facilita la condivisione del carico e si può integrare in reti diverse con versatilità supportando la conversione di energia pulita. Altro prodotto targato Danfoss che garantisce migliore stabilità di rete e supporto energetico in prossimità del consumatore è VACON® NXP DC/DC Converter, che massimizza la produzione di energia nelle soluzioni ibride e ne migliora le prestazioni. Convertitori DC/CC come quelli progettati da Danfoss sono impiegati per il collegamento a sorgenti quali batterie, super condensatori, fue cells e pannelli fotovoltaici. 

Nel complesso, un sistema energetico ibrido che gestisce in maniera efficiente la rete tramite l’energy storage, riduce le spese di esercizio e manutenzione (i cosiddetti OPEX), mitiga l’imprevedibilità delle Fer e soprattutto migliora l’efficienza globale e i rendimenti dei processi e delle macchine.

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Batterie al sodio allo stato solido

Batterie al sodio allo stato solido, verso la produzione di massa

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al sodio allo stato solido
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Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na2Sx come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

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Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • fotovoltaico materiale quantistico

Fotovoltaico, ecco il materiale quantistico con un’efficienza del 190%

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

fotovoltaico materiale quantistico
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Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

leggi anche Fotovoltaico in perovskite, i punti quantici raggiungono un’efficienza record

L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.

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