Trasformatore intelligente per il turnaround energetico
Un nuovo trasformatore di media tensione intelligente sviluppato presso l’ETH di Zurigo è dotato di una tecnologia all’avanguardia dei semiconduttori, che lo rende estremamente compatto ed efficiente dal punto di vista energetico. Le applicazioni future vanno dalle locomotive alle stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici e dagli alimentatori per data center da utilizzare nelle future reti elettriche.
Gli ingegneri elettrici dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato un trasformatore elettronico intelligente che funziona in modo estremamente efficiente per trasformare la media tensione in bassa tensione. I trasformatori intelligenti di questo tipo sono anche molto più piccoli dei trasformatori standard. Ciò li rende particolarmente adatti all’uso ovunque lo spazio sia limitato o il peso debba essere ridotto al minimo, come avviene ad esempio nelle locomotive ferroviarie.
La maggior parte delle reti elettriche per applicazioni ferroviarie fornisce corrente alternata a livello di media tensione. Le locomotive abbassano quindi la tensione a un valore inferiore. “Per motivi tecnici, minore è la frequenza della corrente alternata, maggiore è il trasformatore necessario per abbassare la tensione. E a 16,7 Hertz, la frequenza utilizzata nel trasporto ferroviario in Svizzera e in molti altri paesi europei è relativamente bassa”, spiega Daniel Rothmund, uno dei due dottorandi del gruppo del professor Johann Kolar dell’ETH che ha costruito il nuovo trasformatore.
Per aggirare questo problema di dimensioni, i trasformatori intelligenti hanno un asso nella manica: in primo luogo, un convertitore front-end aumenta notevolmente la frequenza della corrente alternata, il che significa che il trasformatore stesso può essere molto più piccolo. Quindi un convertitore successivo produce corrente alternata alla frequenza desiderata.
Commutazione a frequenze estremamente alte
Rothmund e il suo collega Thomas Guillod hanno dovuto sviluppare da soli molti dei componenti per il loro trasformatore, poiché ci sono pochi componenti disponibili per la media tensione di 10.000 volt con cui lavorano. Particolarmente importanti sono stati i componenti realizzati in carburo di silicio che consentono prototipi di commutazione estremamente veloci prodotti da un’azienda statunitense. Utilizzando questi, i dottorandi dell’ETH sono stati in grado di convertire la media tensione in una frequenza molto alta di 75.000 hertz; di conseguenza, il sistema di trasformatori che hanno costruito è solo un terzo delle dimensioni dei precedenti trasformatori intelligenti con potenze nominali simili. E mentre i sistemi precedenti raggiungevano un’efficienza energetica di circa il 96 percento, Rothmund e Guillod riuscivano a raggiungere il 98 percento, in altre parole, sono stati in grado di dimezzare le perdite di energia dal 4 percento a solo il 2 percento.
Il loro lavoro di ricerca è stato condotto nell’ambito del Programma nazionale svizzero di ricerca “Energy Turnaround” (PNR 70), che si concentra sulla ricerca delle tecnologie necessarie per attuare la Strategia energetica 2050 del Paese.
Correzione della corrente alternata
Le locomotive su rotaia sono solo una delle tante applicazioni per questi nuovi trasformatori. “A differenza dei trasformatori convenzionali, i trasformatori intelligenti possono essere controllati”, spiega Rothmund. Possono essere utilizzati nelle future reti elettriche, note come reti intelligenti, per gestire attivamente la distribuzione di energia e bilanciare le fluttuazioni nella generazione e nella domanda di elettricità.
Il nuovo sistema è in grado non solo di alterare la frequenza della corrente alternata in rete, ma anche di convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC). Un’applicazione potrebbe essere quella delle future stazioni di ricarica rapida su larga scala, che possono caricare più veicoli elettrici contemporaneamente. Questi punti di ricarica potrebbero quindi essere collegati direttamente alla rete CA di media tensione esistente, con gli efficienti trasformatori compatti che riducono la media tensione alla tensione desiderata. “Le batterie vengono caricate utilizzando una tensione CC relativamente bassa”, spiega Rothmund, aggiungendo: “Rispetto alla tecnologia convenzionale, i trasformatori intelligenti hanno il vantaggio quando si tratta di produrre CC da una rete CA a media tensione”.
Un’altra classe di consumatori su larga scala che trarrà vantaggio da questo sviluppo sono i data center. Fornire loro sistemi di alimentazione più efficienti ridurrebbe non solo le bollette dell’elettricità, ma anche la quantità di calore di scarto prodotto, riducendo così al minimo l’energia necessaria per il raffreddamento.
Ironia della sorte, la nuova tecnologia potrebbe fare molto di più che facilitare la svolta verso una nuova economia energetica decarbonizzata ed elettrificata; potrebbe anche facilitare lo sfruttamento di riserve di combustibili fossili difficili da raggiungere. L’industria del petrolio e del gas sta attualmente lavorando su modi per accedere ai giacimenti offshore situati negli oceani profondi utilizzando fabbriche sottomarine invece di piattaforme di perforazione. Questi sarebbero caratterizzati da pompe, compressori e robot situati sul fondo dell’oceano e che attirerebbero elettricità da un “cordone ombelicale” che si estende per diversi chilometri fino alla terraferma. La nuova tecnologia significa che i cavi potrebbero trasportare la corrente continua, che può essere trasmessa in modo più efficiente rispetto alla corrente alternata su lunghe distanze, mentre un convertitore relativamente piccolo sul fondo dell’oceano potrebbe convertire la corrente continua nella corrente alternata richiesta dalle macchine.
