Accumulo di energia
A causa della crescente domanda di elettricità prontamente disponibile, le comunità si sforzano di aumentare l'uso di energia rinnovabile, spesso in un rapporto sinergico con le tecnologie di stoccaggio dell'energia (ESS) esistenti ed emergenti. L'energia eolica e solare combinata con installazioni di batterie agli ioni di litio è una delle soluzioni in più rapida crescita, con gli ESS come parte essenziale di questi sistemi.
Le prospettive del mercato
A marzo 2019, i due più grandi siti di stoccaggio di energia a batteria operativi negli Stati Uniti (USA) forniscono 40 MW di capacità energetica ciascuno: Il sistema di accumulo di energia a batterie della Golden Valley Electric Association in Alaska e il sistema di accumulo di Vista Energy in California.
Negli Stati Uniti ci sono 16 siti di stoccaggio di batterie in funzione che hanno una capacità di potenza installata di 20 MW o più. Degli 899 MW di accumulo di batterie operative installate segnalati dagli Stati a marzo 2019, la California, l'Illinois e il Texas rappresentano poco meno della metà di questa capacità di accumulo. La California è di gran lunga in testa con 230 MW. Si veda la Figura 1, a destra.
Nel gennaio 2020 il Segretario all'Energia degli Stati Uniti Dan Brouillette ha annunciato un programma completo per accelerare lo sviluppo di tecnologie di accumulo di energia di prossima generazione che posizioneranno gli Stati Uniti come leader a livello mondiale.
Nel 2020, secondo Lux Research, il mercato globale dell'accumulo di energia dovrebbe crescere fino a 546 miliardi di dollari entro il 2035. Uno dei mercati più grandi sarà probabilmente quello dell'accumulo di energia residenziale, con un tasso di crescita annuale composto del 76% e un aumento dei ricavi di 8 miliardi di dollari nei prossimi tre anni.
Figura 1: Capacità di accumulo di energia a batteria su scala pubblica negli Stati Uniti in MW (immagine dell'Amministrazione dell'Informazione Energetica degli Stati Uniti).
Perché abbiamo bisogno dell'accumulo di energia?
I consumatori di energia stanno rapidamente diventando produttori attivi di energia e chiedono al contempo energia pulita, affidabile e a prezzi accessibili.
I cambiamenti nella generazione e nel consumo di energia moderna sono guidati da tre potenti tendenze: le tecnologie di energia distribuita più accessibili, la decarbonizzazione della rete elettrica mondiale attraverso l'integrazione di un maggior numero di fonti di energia rinnovabili e l'emergere delle tecnologie digitali.
Le soluzioni di accumulo di energia a batteria offrono una nuova flessibilità applicativa e aprono un nuovo valore commerciale lungo tutta la catena del valore dell'energia, dalla generazione di energia convenzionale, alla trasmissione e distribuzione, all'energia rinnovabile fino ai settori industriale e commerciale. L'accumulo di energia consente diverse applicazioni, tra cui il consolidamento della produzione rinnovabile, la stabilizzazione della rete elettrica, il controllo del flusso di energia, l'ottimizzazione del funzionamento degli asset e la creazione di nuove entrate.
Per gli sviluppatori di energie rinnovabili, l'accumulo di energia offre un'alternativa più rapida ai contratti di acquisto di energia (PPA), che possono avere tempi di consegna di un anno o più. Per le utility, l'accumulo di energia offre un'alternativa all'aumento della generazione distribuita. L'accumulo di energia può aiutare gli sviluppatori di energie rinnovabili ad aumentare la dispacciabilità e la prevedibilità delle energie rinnovabili, aiutando a soddisfare le severe norme e i permessi di connessione.
Utilizzo di dispositivi di potenza Si tradizionali in ESS
La progettazione di inverter bidirezionali ad alta potenza con transistor di potenza al silicio (Si) riduce le prestazioni di potenza del sistema a causa delle elevate perdite di conduzione e commutazione. L'efficienza ne risentirà, sarà necessario un maggiore raffreddamento e si occuperà più spazio sulla scheda rispetto all'utilizzo di dispositivi Wide Bandgap (WBG), come il nitruro di gallio (GaN) o il carburo di silicio (SiC).
Le frequenze operative più basse richiedono induttori e condensatori di filtraggio più grandi, con conseguente aumento dei costi, del peso e del volume del progetto. L'aumento delle perdite degli induttori ridurrà inoltre l'efficienza.
I dispositivi di potenza WBG forniscono le migliori soluzioni per l'accumulo di energia
Transistor di potenza GaN
Un buon esempio di dispositivo di accumulo distribuito di energia (DESD) incorpora un convertitore DC-DC bidirezionale isolato con transistor GaN da 650V. Il DESD integra una batteria agli ioni di litio a bassa tensione da 13,2 V, un convertitore CC-CC bidirezionale incorporato e un sistema di comunicazione wireless. Queste tre parti possono essere impacchettate insieme, consentendo di collegarle direttamente alla rete ad alta tensione (380 V). Ciò consente un approccio modulare per i sistemi di accumulo di energia a batteria. Sul lato dell'alta tensione vengono utilizzati due transistor GaN a 650 V in modalità enhancement. Un convertitore da 400 V a 12 V CC (per esempio, alimentazione ausiliaria), da 1 kW per un DESD da 1 kWh è mostrato nella Figura 2, a destra.
I dispositivi di potenza GaN consentono un netto miglioramento rispetto ai dispositivi Si. I transistor GaN migliorano le prestazioni estendendo il campo di funzionamento a carichi leggeri, riducendo le perdite di commutazione e le EMI e aumentando l'efficienza totale delle operazioni di carica e scarica.
Un progetto a mezzo ponte a presa centrale, con uno stadio di potenza a morsetto attivo, può essere progettato per fornire notevoli vantaggi nella conversione di potenza bidirezionale a bassa tensione e alta corrente. Si veda la Figura 3, a destra.
Gli interruttori di potenza GaN estendono inoltre l'area di funzionamento sicura (SOA) e aumentano l'efficienza rispetto ai dispositivi Si. I dispositivi GaN raggiungono queste migliori prestazioni rispetto ai dispositivi Si grazie alla minore capacità COSS che consente perdite di spegnimento inferiori; ciò può consentire al convertitore di funzionare in modalità di commutazione dura. Inoltre, in un dispositivo GaN il tempo di recupero inverso e la carica di recupero inversa del diodo di corpo sono quasi nulli, il che accorcia il tempo di spegnimento quando gli interruttori del lato ad alta tensione funzionano in modalità di raddrizzamento.
Transistor di potenza SiC
La tecnologia del carburo di silicio (SiC) offre un altro eccellente miglioramento della potenza rispetto al Si al centro delle soluzioni ESS. Le soluzioni di semiconduttori di potenza SiC possono consentire un'efficienza superiore di almeno il 50% rispetto al Si e possono gestire facilmente tensioni di rete più elevate. Il sistema guadagna prestazioni aggiuntive grazie all'efficienza, alla densità di potenza e alla velocità di commutazione dei dispositivi di potenza SiC.
Utilizzando un modulo SiC: Per raggiungere velocità di commutazione elevate con perdite di commutazione ridotte, è possibile progettare un pacchetto in modo da ottenere una bassa induttanza di dispersione sia per il modulo che per il progetto della sbarra a livello di sistema.
I loop di corrente nei moduli Wolfspeed sono ampi, a basso profilo e consentono una distribuzione uniforme tra i dispositivi, con il risultato di impedenze equivalenti su una posizione di commutazione. Anche i terminali di alimentazione del modulo sono sfalsati verticalmente. Ciò consente di progettare un semplice bussing tra i condensatori del circuito intermedio e il modulo, laminato fino al modulo senza richiedere curve, coniature, distanziatori o isolamenti complessi. Il risultato è un'induttanza parassita dell'anello di alimentazione di soli 6,7 nH a 10 MHz, come dimostrato nel progetto di riferimento dell'inverter XM3. Si veda la Figura 4, a destra.
Con un peso e un volume dimezzati rispetto a un modulo standard da 62 mm, la piattaforma di moduli di potenza XM3 di Wolfspeed massimizza la densità di potenza (fino a 450A), riducendo al minimo l'induttanza del loop e consentendo un semplice bussing di potenza. Si veda la Figura 5, a destra.
Il packaging ottimizzato per SiC dell'XM3 consente il funzionamento in giunzione continua a 175 °C.
I sistemi di accumulo di energia sono fondamentali per il mercato delle energie rinnovabili in rapida crescita in tutto il mondo. L'uso di dispositivi di potenza al silicio in un progetto di questo tipo non rende giustizia alle dimensioni, al peso e alla potenza di questi sistemi rispetto all'uso di dispositivi WBG che migliorano notevolmente l'efficienza e funzionano a tensioni più elevate.
Figura 2: Progetto di sistema di microgrid a 380V DC con dispositivi di accumulo distribuito dell'energia (DESD) e risorsa energetica rinnovabile distribuita (DRER) (Immagine dal riferimento 1)
Figura 3: Un'architettura half-bridge center-tap, che utilizza un convertitore a morsetti attivi, impiega transistor GaN come elemento di potenza sul lato dell'alta tensione (immagine tratta dal riferimento 1).
Figura 4: Vista laterale del modulo XM3 con i cavi di alimentazione non planari (Immagine da Wolfspeed)
Figura 5: Schema di collegamento di un inverter trifase (immagine da Wolfspeed)
Riferimenti
- Dispositivo di accumulo distribuito di energia basato su un innovativo convertitore DC-DC bidirezionale con transistor GaN da 650 V, Fei Xue, Ruiyang Yu, Wensong Yu, Alex Q. Huang, FREEDM Systems Center, North Carolina State University, IEEE 2015.
