Lo scorso dicembre, alla conferenza per il clima di Copenhagen, il mondo si è impegnato ulteriormente per produrre una parte consistente della propria energia da fonti rinnovabili. E per soddisfare queste quote, nei prossimi anni la generazione di elettricità da fonti rinnovabili dovrà aumentare in modo aggressivo. Questo, tuttavia, porrà molte pressioni sull’infrastruttura per la produzione di elettricità, che non è ancora pronta per far fronte all’onda anomala dell’energia rinnovabile che è in corso. Sarà necessario un ripensamento radicale, molta innovazione e nuove tecnologie, e un grosso investimento per poter essere alla pari con la crescita attesa nelle rinnovabili. Questo richiederà una rivoluzione, la quale porterà a quanto è generalmente chiamato la “rete intelligente”. Imec, attraverso la sua ricerca sul fotovoltaico con ottica adattativa, sui sensori a bassa potenza e sull’elettronica di potenza, sta aiutando la rivoluzione delle reti intelligenti a diventare realtà. Da un lato, questa ricerca ha obiettivi pratici, basta pensare all’ulteriore miglioramento dell’efficienza energetica dei sistemi fotovoltaici, per raggiungere la grid parity ancora più velocemente. Tuttavia, esistono altre aree in cui sono necessari ulteriori progressi fondamentali, per esempio l’esplorazione di nuovi materiali e processi per la prossima generazione dei dispositivi di potenza. Questi dovrebbero essere in grado di far fronte alle alte tensioni e alle alte temperature, e dovrebbero essere economicamente convenienti. La rete intelligente si baserà su tali dispositivi di potenza innovativi per la stabilità e per la qualità della rete, per il bilanciamento e la gestione del carico, e per l’immagazzinamento dell’energia.
Energia: le telecomunicazioni di domani
Una volta che avremo raggiunto gli obiettivi fissati dal piano Strategico per le Tecnologie Energetiche della Comunità Europea, ad esempio con il 20% di tutta l’energia generata da fonti rinnovabili nel 2020, il panorama della generazione di energia sarà completamente cambiato. Accanto alle centrali elettriche classiche, ci saranno milioni di pannelli solari sui tetti, o generatori eolici privati e pompe di calore che forniscono elettricità alla rete. Confrontate questo cambiamento con quanto è avvenuto nelle telecomunicazioni negli ultimi 20 anni. Come per l’energia oggi, esistevano solo alcune grandi compagnie di telecomunicazioni. Esse gestivano servizi piuttosto omogenei, su reti e tecnologie che cambiavano solo lentamente. C’era il telefono, e lo usavate per la comunicazione voce, su un cavo in rame. Oggi, esistono migliaia di società che offrono servizi telecom attraverso una combinazione di infrastrutture e servizi eterogenei, con tecnologie sottostanti in evoluzione molto rapida. In questo processo, le telecomunicazioni sono diventate pressoché completamente digitali. Questo ha confuso i confini con le reti informatiche – con Internet - e ha fornito una spinta considerevole sia alle telecomunicazioni, sia all’informatica. Ha anche modificato radicalmente i modelli di business nelle telecomunicazioni. Una simile rivoluzione è imminente nel mercato dell’energia. Con milioni di generatori eterogenei di energia, prosumer anziché consumer. E con un bisogno di punti di immagazzinamento dell’energia distribuiti e mobili. Con la fornitura di energia sulle corte e sulle lunghe distanze, con la determinazione in tempo reale dei prezzi, e con una quantità di nuovi servizi. E con una nuova rete che, pur incorporando la vecchia infrastruttura, funzionerà in modo radicalmente diverso: con molta più intelligenza e tecnologia digitale. Con i semiconduttori che elaborano l’elettricità al posto delle informazioni. Sarà una sfida formidabile quella di trasformare il sistema elettrico a livello mondiale in uno dei sistemi più complessi mai realizzati dall’umanità. E fare questo assicurando al contempo una continuità dei servizi. Non si tratta di adottare una tecnologia che parte da zero!
L’internet dell’elettricità
Il posto ideale in cui produrre elettricità rinnovabile non è sempre quello in cui è consumata. L’Europa Meridionale, per esempio o i vasti spazi soleggiati del Nord Africa, sono il luogo ideale per generare energia solare. Ma allora avete bisogno di una rete che possa trasportare questa energia verso il punto in cui è richiesta, fino pure al circolo polare artico, se è necessario. E questo naturalmente senza perdere troppa energia per strada.
Un’altra sfida consiste nell’assicurare la qualità del servizio, in ogni momento e in ogni luogo, in un contesto in cui quantità crescenti di elettricità sono generate in modo intermittente e imprevedibile. In un giorno soleggiato d’estate, potrebbe essere fornita più energia alla rete, in un momento in cui ci potrebbe essere meno domanda. Per contro, in una sera d’inverno, ci potrebbe essere un picco della domanda, ma meno fornitura. Di conseguenza la rete elettrica del futuro dovrà gestire i picchi di fornitura e i picchi della domanda che non sono necessariamente coincidenti e che sono molto più volatili di oggi. Questo richiederà un bilanciamento del carico sofisticato, rapido e robusto con nuovi sistemi di gestione del carico e nuovi approcci verso l’immagazzinamento dell’energia. Per ottenere ciò saranno necessarie numerose soluzioni di trasporto intelligente, sistemi innovativi di immagazzinamento dell’energia e sistemi intelligenti di determinazione dei prezzi. In terzo luogo, non ci sarà più una netta distinzione fra i produttori e i consumatori di elettricità. In ogni momento, un consumatore della rete elettrica potrebbe diventare un piccolo produttore di elettricità. E questo potrebbe essere realizzato a livello di edifici, a persino a livello di apparecchi. Pensate alle auto, per esempio. Di conseguenza, tutte le apparecchiature di misura e di bilanciamento dovrebbero funzionare in entrambi i sensi. In questo contesto, i fornitori di utilità avranno bisogno, in ogni momento, di informazioni rapide e dettagliate sui profili di consumo e di produzione e sui dati di tutti i propri clienti. Per un bilanciamento migliore e per l’assorbimento dei picchi, avremo bisogno di determinare i prezzi in tempo reale – con una variazione del prezzo dell’elettricità in ogni momento e in ogni luogo in relazione alla domanda e alla fornitura. Di nuovo, questo richiede misure intelligenti dei consumi e un rapido riscontro a livello di ogni apparecchio. Ad esempio, gli apparecchi elettrici che adattano il loro uso di elettricità al prezzo dell’elettricità in qualsiasi momento, in alcuni casi caricando una batteria quando il prezzo è basso, e fornendo energia dalla stessa batteria quando il prezzo è alto. Riassumendo, l’elettricità sarà trasportata e bilanciata attraverso una rete interconnessa di reti intelligenti. E ci saranno potenzialmente miliardi di consumatori e di produttori. Questo richiede un’infrastruttura molto simile a quella di Internet che abbiamo oggi per l’informatica e le telecomunicazioni.
L’elettronica di potenza al centro
La rivoluzione della rete intelligente si baserà su miliardi di misuratori intelligenti dei consumi, interruttori, sensori, attuatori, convertitori, inverter e batterie. Oggi, molti di questi dispositivi sono ancora troppo lenti, troppo ingombranti, troppo costosi, e non sono adatti per l’utilizzo alle alte tensioni e alle alte temperature nelle reti di domani. I dispositivi di potenza ad alta tensione che sono già in uso sono principalmente basati su strutture Mosfet al Si. Tuttavia, per un numero crescente di applicazioni, il loro uso è limitato. I dispositivi al GaN, ad esempio, possono ovviare a questi limiti. Essi mostrano una combinazione unica di proprietà eccellenti di trasporto e la capacità di funzionare in presenza di campi elettrici elevati. Non solo da un punto di vista operativo, ma anche in termini di opportunità di risparmio energetico, tale nuova generazione di dispositivi diventerà estremamente importante. La questione, naturalmente, è se simili dispositivi possano essere prodotti in modo conveniente, su wafer di grandi dimensioni. L’anno scorso Imec, in collaborazione con Aixtron, ha già mostrato che è possibile far crescere uno strato al GaN privo di cricche (spesso 1,5µm) su wafer da 200mm. Questo schiude prospettive eccellenti per i dispositivi al GaN-on-Si, specialmente dal punto di vista del rapporto costo prestazioni. Per sfruttare la propria esperienza sul GaN, e per consentire ai partner di partecipare, Imec ha avviato di recente un programma di affiliazione industriale per la ricerca sui dispositivi al GaN-on-Si. L’obiettivo è sviluppare dispositivi di commutazione ad alta tensione, basse perdite, alta potenza basati sulla tecnologia GaN-on-Si di grande diametro. Dispositivi che, negli anni a venire, saranno usati come mattoni fondamentali della rete intelligente.
