Il settore industriale svolge un ruolo fondamentale nell’impegno globale per un futuro sostenibile, alla ricerca di nuovi modi per ridurre la propria impronta di carbonio. Uno dei modi più efficaci per farlo è ridurre il consumo energetico, e in questo contesto i convertitori di potenza sono alleati strategici. Come suggerisce il nome, convertono l’energia proveniente da diverse fonti, riducendo sia il consumo che le emissioni e migliorando l’efficienza dei diversi processi.
Dato l’impatto ambientale dell’attività industriale, il settore è sottoposto a una notevole pressione per ridurre le emissioni. Fortunatamente, stanno emergendo nuove tecnologie di gestione dell’energia, alcune delle quali davvero rivoluzionarie.
Il ruolo dei convertitori di potenza nell’efficienza energetica industriale
I costi di una gestione inefficiente dei sistemi energetici sono evidenti: i costi di produzione aumentano e la produttività diminuisce. Peggio ancora, una gestione dispendiosa dell’approvvigionamento energetico aumenta significativamente l’impronta di carbonio. Lo spreco energetico proveniente dalle industrie manifatturiere, corrisponde da solo al 17% delle emissioni globali annuali. Anche settori come quello siderurgico, cementiero, del calcestruzzo e chimico hanno un’impronta di carbonio considerevole.
Fortunatamente, la tecnologia odierna è all’altezza della sfida. Quasi il 70% dell’energia che arriva agli utenti finali proviene da convertitori. In questo contesto, efficienza energetica significa utilizzare meno combustibili fossili per far funzionare gli impianti. Ecco perché è così importante integrare fonti rinnovabili come l’energia solare ed eolica.
Convertire l’energia da diverse fonti con il minimo spreco è infatti una sfida enorme. Le opzioni migliori sono in grado di gestire le variazioni delle condizioni ambientali, migliorando la tolleranza ai guasti e l’affidabilità complessiva. I convertitori di potenza aiutano gli impianti industriali a mantenere tensioni e frequenze specifiche anche in caso di picchi improvvisi, evitando danni agli apparecchi e interruzioni della linea di produzione.
Inoltre, sono essenziali per integrare le fonti rinnovabili nella rete principale, alimentando in modo autonomo una serie di processi industriali. Poiché molte industrie puntano a una maggiore sostenibilità, la domanda di convertitori di potenza è in aumento in tutto il mondo. Lo scorso anno, questo mercato è stato valutato oltre 15 miliardi di dollari e probabilmente continuerà a crescere nel prossimo decennio.
Come i convertitori di potenza riducono il consumo energetico
È impossibile convertire l’energia proveniente da fonti diverse senza perderne una parte. Pertanto, la parola chiave in questo contesto è “efficienza”: ad esempio, questi convertitori dovrebbero minimizzare le perdite energetiche durante la conversione del gas in elettricità. Infatti, la riduzione degli sprechi è uno degli obiettivi principali delle aziende che utilizzano tecnologie avanzate, progetti intelligenti e solidi sistemi di gestione delle perdite.
Esistono molti modi per migliorare l’efficienza del sistema energetico. Le perdite nei componenti, come condensatori, induttori e semiconduttori, possono compromettere significativamente le prestazioni complessive del sistema. L’aggiornamento di questi componenti con materiali più resistenti può mitigare tale impatto. Anche le soluzioni ibride hanno dato risultati eccezionali, coinvolgendo motori a combustione e SOFC (celle a combustibile a ossidi solidi) che lavorano insieme per mantenere la stabilità della rete, una delle principali sfide dell’integrazione di fonti energetiche diverse.
Per quanto riguarda la stabilità, è necessario osservare il fattore di potenza, ovvero la metrica che definisce l’efficienza del sistema. Il fattore di potenza è calcolato dal rapporto tra la potenza ricevuta dalla fonte e quella effettivamente utilizzata. Idealmente, il rapporto è 1, ma c’è sempre uno spreco, causato principalmente dalle armoniche o dalla potenza reattiva.
Ecco perché le fabbriche sostenibili ricorrono alla correzione del fattore di potenza (PFC) per ridurre le perdite legate a tali cause. Infatti, la potenza reattiva e le armoniche possono creare problemi come il surriscaldamento di parti specifiche della rete, con il rischio di danni e malfunzionamenti. Le apparecchiature PFC riducono il consumo energetico compensando la potenza reattiva sulla linea e migliorando la stabilità della rete.
La conversione di potenza è fondamentale anche per la costruzione di veicoli elettrici efficienti.In questo contesto, le aziende automobilistiche utilizzano azionamenti a velocità variabile (VSD), dispositivi progettati per convertire una tensione alternata fissa in una tensione alternata variabile che alimenta il motore. Tuttavia, i VSD sono anche utili in diversi settori industriali, per il controllo di compressori, ventilatori, pompe e altre macchine che richiedono operazioni a velocità variabile.
Dal 1950, FRIEM fornisce soluzioni di conversione di potenza di altissima qualità per scopi industriali. Durante questo periodo, FRIEM ha costruito oltre 3.000 raddrizzatori di potenza, per una capacità produttiva totale di oltre 2 GW. Oggi, FRIEM è presente in oltre 80 Paesi nei cinque continenti, grazie a un team di professionisti altamente qualificati che garantiscono l’eccellenza di ogni convertitore.
I raddrizzatori di potenza FRIEM di ultima generazione combinano efficienza e sostenibilità, offrendo prestazioni ottimali anche nella produzione di produzione di idrogeno verde. Il DRP 7.0 è uno dei migliori esempi dell’innovazione tecnologica e della lungimiranza dell’azienda. Questo regolatore di corrente completamente digitale garantisce prestazioni ottimali con raddrizzatori a tiristori e a diodi e offre una precisione eccezionale con un’accuratezza di regolazione dello 0,1%, con conseguente aumento della produzione e miglioramento della qualità dell’energia. Inoltre, il design di FRIEM è caratterizzato da un sistema di raffreddamento ad acqua interno che include sia le barre lato continua che alternata, migliorando l’efficienza, l’affidabilità e la stabilità termica. Ancora più importante, il supporto tecnico di FRIEM offre assistenza per tutta la vita utile dell’impianto.
Vantaggi dei convertitori di potenza in termini di sostenibilità
Le aziende e i paesi di tutto il mondo si stanno impegnando per raggiungere l’obiettivo di emissioni pari a zero fissato dall’Accordo di Parigi, per il quale l’efficienza energetica è una caratteristica obbligatoria. Ciò significa ottenere un utilizzo ottimale di tutte le fonti e i consumi di energia, che dovrebbero essere integrati senza soluzione di continuità nella stessa rete. Il principio è piuttosto semplice, ma per realizzarlo è necessaria una tecnologia molto avanzata.
I convertitori di potenza elettronici sono fondamentali in questo contesto, poiché sono in grado di gestire diverse fonti di energia rinnovabile e di immetterle nella rete. Ciò significa un minor consumo e una minore dipendenza dai combustibili fossili, con conseguente aumento della sostenibilità delle operazioni industriali, riduzione dell’impronta di carbonio e diminuzione dei costi di produzione. Inoltre, contribuiscono a rafforzare la resilienza contro le interruzioni e le fluttuazioni improvvise delle linee elettriche.
I vantaggi sono davvero molti. Ad esempio, le aziende che raccolgono energia solare (che viene immagazzinata in batterie) possono utilizzarla per alimentare i propri macchinari. In questo modo, ridurranno significativamente il consumo di energia dalle aziende di distribuzione elettrica, con un impatto diretto sui costi operativi. Ancora meglio, sostituiranno l’energia proveniente dalle linee elettriche principali (alimentate principalmente da combustibili fossili) con una fonte verde e rinnovabile, migliorando la sostenibilità delle loro attività quotidiane.
Probabilmente l’energia solare è l’opzione più popolare per scopi industriali, ma non è l’unica. Le turbine eoliche possono generare elettricità sufficiente ad alimentare anche le industrie più energivore. I parchi eolici possono essere installati onshore o offshore, a seconda di vari fattori, come l’area disponibile, il paesaggio e l’utilizzo ottimale delle correnti eoliche.
È anche possibile realizzare una piccola centrale idroelettrica in aree remote con accesso a fiumi. L’integrazione energetica è la chiave per un futuro più verde per le industrie altamente inquinanti, con promettenti ricadute finanziarie e ambientali. Grazie ai convertitori di potenza, le industrie possono combinare tali fonti, riducendo drasticamente la loro dipendenza dalle linee elettriche principali.
Tendenze future nella conversione di potenza per la sostenibilità industriale
I convertitori di potenza esistono da tempo; il primo modello è stato costruito nel 1902. Naturalmente, la tecnologia è cambiata notevolmente nel corso dell’ultimo secolo, aumentando la capacità e l’efficienza. Tuttavia, gli sviluppi nell’elettronica e nelle tecnologie digitali possono aggiungere caratteristiche rivoluzionarie a questi convertitori, come l’intelligenza artificiale, gli algoritmi di apprendimento automatico, l’analisi dei big data e l’IoT.
Le recenti scoperte nel campo della tecnologia dei semiconduttori hanno permesso la creazione di semiconduttori al nitruro di gallio (Gan) e al carburo di silicio (SiC), in grado di gestire frequenze molto più elevate riducendo significativamente la perdita di potenza. Anche la tecnologia computazionale ha fatto passi da gigante, con software basati sull’intelligenza artificiale e l’IoT (Internet of Things), in grado di gestire automaticamente i convertitori sulla base di dati in tempo reale per un controllo ottimale e l’integrazione delle reti intelligenti.
Le soluzioni innovative includeranno probabilmente funzionalità supportate dall’intelligenza artificiale nella progettazione, migliorando le prestazioni dei sistemi di azionamento con modelli di calcolo intelligenti. Infatti, la maggior parte dei produttori moderni utilizza strumenti di intelligenza artificiale anche durante il processo di progettazione, elaborando i dati esistenti per suggerire le migliori opzioni per la topologia, i componenti e i parametri dei nuovi convertitori, personalizzando la soluzione in base alle richieste del cliente.
La nuova generazione di semiconduttori a banda larga (WBG) supera le vecchie sfide dei convertitori di potenza. Le opzioni GaN e SiC offrono prestazioni superiori e gestiscono elevate densità di potenza. Nel complesso, sono molto più efficienti dei semiconduttori a base di silicio e hanno anche un design notevolmente più piccolo.
I convertitori che utilizzano semiconduttori WBG possono anche cambiare frequenza e velocità molto più rapidamente, consentendo componenti passivi più compatti. I dispositivi basati su SiC hanno dimostrato un’eccezionale affidabilità alle alte temperature e utilizzano anche una tecnologia compatta per la dissipazione del calore. Nel frattempo, i semiconduttori basati su GaN offrono velocità di commutazione superiori nei sistemi a bassa potenza.
I convertitori di potenza efficienti sono fondamentali per integrare diversi sistemi di accumulo di energia (ESS), come le batterie, nella rete principale. Anche la tecnologia delle batterie ha registrato notevoli sviluppi negli ultimi anni, portando a dispositivi di accumulo al sodio-ione e al litio-ione più efficienti.
Alimentate da supercondensatori e controllate da una tecnologia intelligente, queste batterie sono molto più convenienti rispetto alle generazioni precedenti. Le fonti di energia intermittenti, come il solare e l’eolico, richiedono una tecnologia raffinata da parte dei sistemi di accumulo, che possono essere sovraccaricati o scaricati completamente a seconda delle condizioni ambientali. Tali sistemi possono anche conservare l’energia in eccesso generata dalle fonti rinnovabili, riducendo notevolmente le perdite.
L’efficienza energetica può essere ulteriormente migliorata grazie a sistemi di alimentazione rigenerativa che impediscono lo spreco di risorse preziose. I sistemi frenanti dei veicoli elettrici ne sono un chiaro esempio: sfruttano l’energia cinetica dei freni per ricaricare le batterie. Lo stesso principio può essere utilizzato per gestire le fluttuazioni tipiche dei sistemi di energia rinnovabile, utilizzando convertitori CC/CC per migliorare il controllo. I sistemi di alimentazione rigenerativa hanno un impatto enorme sul consumo energetico e sui costi operativi.