Prasad Kandula costruisce un interruttore automatico a stato solido di media tensione come parte del progetto ORNL per lo sviluppo dell’elettronica di potenza a media tensione in GRID-C. Crediti: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
L’elettronica di potenza odierna, che impiega frazioni di secondo per eseguire compiti come convertire la direzione della corrente o regolare le tensioni, tende a funzionare agli estremi. La ricarica di veicoli personali o l’immagazzinamento di energia da un pannello solare commerciale richiede una bassa tensione, mentre l’alta tensione viene utilizzata per progetti su larga scala come parchi eolici e solari o per l’interconnessione di sistemi di distribuzione e trasmissione dell’energia.
Ma esiste un divario nell’elettronica di potenza tra 1.500 e 50.000 volt – l’intervallo di “media tensione” – che è fondamentale per progetti di energia rinnovabile su larga scala, apparecchiature più grandi come turbine eoliche e veicoli elettrici più grandi come treni e aerei a decollo verticale.
Colmare questo divario aiuterà gli Stati Uniti a raggiungere gli obiettivi di energia pulita e ad espandere la capacità in una rete elettrica sovraccarica, senza costruire migliaia di chilometri di nuove linee di trasmissione.
“Ci sono molte applicazioni che possono adattarsi qui, ma la tecnologia per quello spazio intermedio non ha dimostrato di essere affidabile o economicamente vantaggiosa”, ha affermato Prasad Kandula, leader del gruppo Grid Systems Hardware di ORNL.
Per contribuire a soddisfare questa esigenza, ORNL guiderà il nuovo programma MERIT, o MERIT, del DOE per la tecnologia di integrazione delle risorse a media tensione, che riunisce quattro laboratori nazionali e cinque università per sviluppare dispositivi che funzionino in modo efficiente in quella gamma media.
Kandula osserva che l’elettronica di potenza a media tensione è diventata più conveniente e il passaggio potrebbe ridurre le dimensioni, il peso e il volume di un sistema. “Si prevede che la conversione di potenza utilizzando l’elettronica di potenza a media tensione sarà più efficiente, oltre a racchiudere più energia in uno spazio più piccolo”, ha affermato.
Vantaggi per l’affidabilità della rete, energia pulita
Colmare questo divario tecnologico potrebbe anche rispondere all’urgente necessità di espandere la capacità della rete elettrica per soddisfare le richieste di oggi e fornire le opportunità di sviluppo economico di domani.
La maggior parte della rete elettrica nordamericana utilizza corrente alternata o CA. Ma la generazione di energia rinnovabile e le auto elettriche richiedono corrente continua o CC. L’elettronica di potenza viene utilizzata per commutare tra questi flussi e per collegare sistemi separati. L’espansione di queste capacità alle medie tensioni aprirebbe nuove opzioni per l’affidabilità elettrica.
Ad esempio, l’elettronica di potenza a media tensione potrebbe essere utilizzata per fornire elettricità da una regione con un’offerta extra a un sistema vicino che fatica a soddisfare la domanda. Ciò potrebbe prevenire continui blackout, impennate dei prezzi e l’attivazione di centrali elettriche di riserva inquinanti. In un altro scenario, l’elettronica di potenza a media tensione potrebbe aiutare a convertire porzioni chiave della rete di distribuzione da CA a CC, perché la CC è più efficiente nel trasportare energia su lunghe distanze. Ciò aumenterebbe sostanzialmente la quantità di capacità di consegna utilizzando le stesse linee elettriche.
Kandula ha affermato che l’elettronica di potenza a media tensione potrebbe anche consentire il funzionamento completo in corrente continua per progetti come una microrete con la propria energia solare e batterie. “Inizialmente un ecosistema DC verrebbe probabilmente utilizzato in sistemi isolati come un campus”, ha detto Kandula. “Il livello successivo potrebbe essere un alimentatore di distribuzione di poche miglia, come un parco solare ai margini della rete”.
Un sistema solo CC richiede meno apparecchiature di conversione della potenza ed elimina le perdite di energia che si verificano durante il processo di conversione. Potrebbe rendere l’energia pulita più efficiente ed economica, soprattutto perché i grandi parchi solari ed eolici vengono sempre più costruiti lontano dai centri abitati dove si concentra la domanda di elettricità.
Leadership e capacità nella ricerca sulla media tensione
I ricercatori dell’ORNL hanno sviluppato un menu di elementi costitutivi di media tensione, come moduli convertitori, elementi magnetici specializzati e meccanismi di protezione che isolano i problemi elettrici.
“Con MERIT, svilupperemo elementi costitutivi di vario tipo per aumentare l’affidabilità, quindi impilaremo più blocchi per raggiungere tensioni più elevate”, ha affermato Kandula. La possibilità di collegare una varietà di moduli in un’architettura più ampia renderà più semplice esplorare nuove applicazioni energetiche, dalla ricarica di camion elettrici a lungo raggio alla produzione di idrogeno verde per l’industria siderurgica.
Questo sforzo si basa sull’esperienza e sulle capacità del Grid Research Integration and Development Center dell’ORNL, o GRID-C, dove i ricercatori possono simulare diverse architetture, costruire un convertitore e testarlo fino a 13.000 volt.
“Stiamo sviluppando una matrice di tecnologia che comprende componenti che possono essere utilizzati in molte applicazioni”, ha affermato Madhu Chinthavali, capo della sezione Integrazione e controlli dei sistemi energetici dell’ORNL. “GRID-C di ORNL è dotato di competenze uniche nella costruzione di componenti, banchi di prova ed esperienza per sviluppare e testare completamente questi componenti elettronici di potenza.”
Per MERIT, ORNL amplierà i rapporti esistenti con i servizi di pubblica utilità per identificare le esigenze di media tensione. Questo si basa sul Power Electronics Accelerator Consortium for Electrification, o RITMO, iniziativa nata nel 2022 per aumentare la collaborazione tra istituti di ricerca, aziende elettriche e produttori. PACE, iniziativa dell’Ufficio per l’elettricità del DOE, sta aggiungendo partner per portare rapidamente le innovazioni dal laboratorio alla rete elettrica.
I singoli laboratori possono unire le forze con l’industria per perseguire progressi specifici nell’elettronica di potenza a media tensione. “L’obiettivo finale per noi è scegliere un caso d’uso, lavorare con un partner, costruire un sistema completo, installarlo, mostrarlo operativo sul campo e mostrare le implicazioni finanziarie”, ha affermato Kandula.
Altri partner di ricerca MERIT includono il National Renewable Energy Laboratory, i Sandia National Laboratories, il Pacific Northwest National Laboratory, l’Università dell’Arkansas, il Virginia Polytechnic Institute and State University e la Florida State University. Il progetto MERIT è finanziato nell’ambito della Grid Modernization Initiative del DOE attraverso il Grid Modernization Laboratory Consortium.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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