Città più sostenibili con il controllo in tempo reale dell’energia - Energyup

Sostenibilità

Come rendere più sostenibili le città grazie al controllo in tempo reale dell’energia

Dalle stazioni di ricarica per veicoli elettrici alle soluzioni per l’energia solare, le città stanno diventando sempre più efficienti dal punto di vista energetico

17 Set 2021

Matt Watson

C2000 Real-time Microcontroller, Texas Instruments

Lo scorso anno, a Shanghai, è stata messa alla prova una teoria dibattuta a lungo: i veicoli elettrici (EV) possono diventare una risorsa energetica flessibile per la rete elettrica di una città? I conducenti di veicoli elettrici ricevevano segnali dalle società di servizi pubblici su quando ricaricare, sfruttando l’energia rinnovabile nel momento in cui era più disponibile e traendo vantaggio da una risorsa che altrimenti rischia di andare sprecata. Le batterie dei veicoli elettrici sono diventate serbatoi di accumulo di energia su ruote, potenzialmente in grado di rilasciare energia in eccesso nella rete principale quando la domanda di energia supera l’offerta. Il controllo in tempo reale costituisce la chiave per aprire la prossima ondata di innovazione nel campo della gestione dell’energia.

Il ruolo dei caricabatteria nella rete elettrica cittadina

Questo innovativo programma pilota ha mostrato come diversi tipi di caricabatterie, quali i caricabatterie domestici, i caricabatterie pubblici e le stazioni di cambio batteria, potrebbero svolgere ruoli diversi nel sostenere la rete elettrica di una città. Ora, nel quadro del piano per le nuove infrastrutture della Cina, l’espansione delle stazioni di ricarica per veicoli a energia elettrica costituisce un elemento cruciale di questa strategia volta a raggiungere gli obiettivi di ammodernamento a lungo termine e ambientali.

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Altre città in tutto il mondo si stanno muovendo rapidamente per migliorare l’efficienza e ridurre le emissioni. La tecnologia che risolve le sfide poste dall’efficienza energetica con l’offerta di una maggiore densità di potenza è centrale per contribuire a sostenere le città nel mantenere questa promessa.

Concentrarsi sul miglioramento delle capacità di controllo in tempo reale di un sistema (l’elaborazione just-in-time che acquisisce i dati e aggiorna un sistema a ciclo chiuso in un bilionesimo di secondo) può tradursi in importanti miglioramenti in termini di riduzione delle emissioni attraverso sistemi con maggiore efficienza e capacità.

In qualità di manager dei microcontroller ho visto crescere la necessità di controllo in tempo reale insieme al desiderio di fare di più con meno energia. Guardando al futuro, ecco dove vedo che il controllo in tempo reale avrà l’impatto maggiore sulla mobilità e sul consumo di energia:

  • crescita dell’autonomia e delle prestazioni dei veicoli elettrici;
  • aggiornamento e il miglioramento dell’infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici;
  • rivoluzione dello stoccaggio di energia tramite soluzioni ad energia solare.

L’importanza del controllo in tempo reale dell’energia

Sebbene il controllo in tempo reale non sia una tecnologia nuova (i controller costruito allo scopo sono apparsi quasi due decenni fa, basando l’innovazione sull’elaborazione del segnale digitale), il mercato globale delle MCU è cresciuto considerevolmente negli ultimi anni grazie all’uso diffuso di questi componenti in sistemi intelligenti e automatizzati. I sistemi di controllo in tempo reale sono sistemi di controllo a circuito chiuso con una finestra temporale ristretta per l’acquisizione dei dati, per la loro elaborazione e per l’aggiornamento del sistema. Questo controllo è importante sia nella conversione di potenza che nelle applicazioni avanzate di controllo motore, come il movimento di un robot in una fabbrica.

Gli ingegneri progettisti devono far fronte alle crescenti richieste in termini di efficienza, precisione e dimensioni dei loro prodotti per l’azionamento di motori o per la conversione di potenza. La massimizzazione e l’ottimizzazione del controllo in tempo reale richiedono che il dispositivo integrato utilizzato in un sistema sia costruito appositamente per ridurre al minimo la latenza, che sia efficiente dal punto di vista energetico e che sia conveniente. Tentando di utilizzare un dispositivo che non è mai stato concepito per il controllo in tempo reale, gli ingegneri potrebbero prolungare involontariamente i tempi di progettazione rispetto all’utilizzo di un singolo microcontroller pensato per le applicazioni di controllo.

Nell’applicare la tecnologia di controllo in tempo reale a determinati obiettivi dedicati all’energia nell’ambito di una città, come l’aumento del numero di veicoli elettrici e lo sfruttamento dell’energia solare, è possibile notare l’enorme e potenziale impatto sullo stoccaggio e sulla gestione dell’energia.

La crescita dell’autonomia e delle prestazioni dei veicoli elettrici

Quasi tutti i sottosistemi di un veicolo elettrico si basano su una qualche forma di controllo in tempo reale. Molte innovazioni interessanti stanno rendendo le auto più efficienti e molto più divertenti da guidare, affrontando anche i problemi dell’ansia da autonomia, dei tempi di ricarica e altri ostacoli all’adozione diffusa dei veicoli elettrici.

energia tempo reale

Nuove tecnologie, come il nitruro di gallio (GaN), hanno potenzialmente la capacità di affrontare queste sfide aumentando la densità di potenza, migliorando l’efficienza, aumentando l’autonomia di marcia e migliorando l’affidabilità. Tuttavia, per sfruttare il potenziale del GaN, è necessario un controller in tempo reale che sia in grado di operare ad alte frequenze di commutazione e con un controllo configurabile in modo da ridurre al minimo la perdita di potenza e il rumore. Il microcontroller aiuta il GaN a raggiungere il massimo livello di efficienza energetica e di densità di potenza.

Ulteriori sviluppi nel controllo in tempo reale che aumentano le capacità di elaborazione e le prestazioni di rilevamento e attuazione si tradurranno in maggiore precisione ed efficienza, contribuendo inoltre a rendere i veicoli più convenienti grazie ad una maggiore integrazione del sistema.

L’aggiornamento e il miglioramento dell’infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici

Considerando il dinamismo che caratterizza il mercato dei veicoli elettrici e dati gli investimenti delle case automobilistiche per riutilizzare le loro flotte affinché funzionino con energia più pulita, le città potrebbero trovarsi a investire in infrastrutture di ricarica migliori per sostenere la crescita di questi numeri.

La tecnologia all’interno di queste stazioni di ricarica dovrà essere conveniente e velocizzare i tempi di ricarica. Il controllo in tempo reale è fondamentale per offrire un’esperienza di ricarica rapida e ridurre al minimo la perdita di potenza, riducendo al tempo stesso le sollecitazioni dell’infrastruttura di rete, in quanto i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici convertono la potenza dalla corrente alternata della rete alla corrente continua utilizzata per ricaricare la batteria di un veicolo elettrico. Questa efficienza aiuta inoltre i conducenti a ricaricare rapidamente le batterie ed a rimettersi prima in marcia.

La rivoluzione dello stoccaggio di energia tramite soluzioni a energia solare

L’esperimento di Shanghai è solo uno dei modi in cui le città stanno cercando di trasformare l’energia rinnovabile in una risorsa energetica flessibile.

È in corso un’evoluzione nei sistemi di inverter fotovoltaici, volta a sfruttare lo stoccaggio della batteria e a fornire accesso all’energia anche quando non c’è il sole. Questi sistemi combinano alcuni pilastri fondamentali del controllo in tempo reale, come il trasferimento:

  • dal pannello solare alla rete
  • dalla rete alla batteria dove l’energia viene immagazzinata
  • dalla batteria alla rete.

Questi sono tre punti in cui deve avvenire la conversione della potenza e dove la potenza potrebbe perdersi se non si presta attenzione a livello di progettazione. Il controllo in tempo reale offre la precisione necessaria per massimizzare l’output riducendo al minimo la perdita di potenza nella conversione di potenza bidirezionale; esso consente quindi un efficiente flusso bidirezionale di alimentazione in corrente continua e corrente alternata all’interno del sistema.

L’energia rinnovabile richiede un controllo in tempo reale. In un mondo con una sempre maggiore necessità di ridurre le emissioni di carbonio, il controllo in tempo reale risulta fondamentale per rendere i sistemi più efficienti dal punto di vista energetico e per realizzare un mondo più rispettoso dell’ambiente.

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Matt Watson
C2000 Real-time Microcontroller, Texas Instruments

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