Le sfide poste dal fotovoltaico intelligente sono anche opportunità da cogliere: ecco le più significative.
Il raggiungimento degli obiettivi climatici del 2050 – la carbon neutrality e il contenimento dell’aumento della temperatura media mondiale sotto 1,5° – è strettamente interconnesso alla transizione energetica verso fonti rinnovabili. L’eolico e il solare, in particolare, dovranno crescere almeno del 20% all’anno fino al 2030, secondo un rapporto pubblicato da Ember. L’Europa ha pubblicato a metà del 2022 REPowerEU, un piano per rendere l’Europa indipendente dai combustibili fossili russi e contemporaneamente per implementare lo sviluppo delle rinnovabili. Lo stesso ha fatto poco prima la Cina con il “14° piano quinquennale per lo sviluppo delle energie rinnovabili”, uno sviluppo di alta qualità e su larga scala. E proprio dal colosso cinese Huawei arriva un report che raccoglie i 10 principali trend del fotovoltaico intelligente per il 2023.
Il futuro del fotovoltaico intelligente
Nel 2050 l’elettricità dovrebbe superare i combustibili fossili – carbone, petrolio e gas naturale – nel parco energetico globale. L’ha stimato l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA), che prevede anche che la capacità fotovoltaica installata raggiungerà i 5200 GW nel 2030 e i 14.000 GW nel 2050. Il fotovoltaico sta infatti diventando fondamentale per imprese, industrie e famiglie, soprattutto se combinato con sistemi di accumulo di energia.
E lo diventerà a maggior ragione quando verranno risolti alcuni degli ostacoli che ancora frenano la tecnologia. Innanzitutto, bisognerà ridurre l’LCOE, il costo dell’elettricità livellato, cioè il costo complessivo di produzione per ogni MWh di energia. Bisognerà poi continuare a migliorare l’efficienza operativa e di manutenzione, nonché la stabilità e la flessibilità della rete. Huawei Smart PV+ESS Business ha perciò individuato in un report le sfide che il fotovoltaico intelligente offre e le ha declinate come opportunità.
1. Unire il fotovoltaico intelligente ai sistemi di accumulo
Più cresce la percentuale di energia rinnovabile utilizzata per produrre corrente elettrica, più sarà necessario garantire stabilità, equilibrio e qualità nell’alimentazione, unendo i benefici del fotovoltaico intelligente a quelli dei sistemi di accumulo. In particolare, sarà necessario passare dal grid following al grid forming, controllando la sorgente di tensione invece della corrente per stabilizzare la tensione e aumentare l’immissione di energia in rete.
2. Densità e affidabilità
Con l’esaurimento delle risorse correlate e l’aumento delle tasse sul carbonio, il LCOE dei combustibili fossili tradizionali sta crescendo negli ultimi tempi. Il LCOE del fotovoltaico intelligente è invece diminuito di quasi 10 volte dal 2010 ed è ora inferiore rispetto a quello dei combustibili fossili tradizionali, soprattutto grazie all’aumento della densità di potenza delle apparecchiature. La potenza dell’array è aumentata da meno di 1 MW a più di 3 MW, quella dei moduli fotovoltaici da 200 W a oltre 500 W, mentre la tensione negli inverter è aumentata da 1100 V a 1500 V.
Con l’aumentare della densità di potenza dei sistemi fotovoltaici, diventa sempre più dirimente l’affidabilità delle apparecchiature, che dipende dal design delle componenti e dalla qualità delle tecnologie. Per assicurare la massima affidabilità, le apparecchiature dovranno però essere testate in condizioni difficili e anomale, come nebbia elevata, alte temperature o umidità, tifoni e tempeste di sabbia.
3. Module-Level Power Electronics (MLPE)
La Module-Level Power Electronics consiste in una serie di apparecchiature che, incorporate in un sistema fotovoltaico intelligente, controllano uno o più moduli fotovoltaici, inclusi micro inverter, ottimizzatori di potenza e sezionatori per migliorarne le prestazioni. La MLPE offre perciò la possibilità di generare energia a livello di modulo, garantisce monitoraggio continuo e spegnimento sicuro, rappresentando un fattore indispensabile sia in termini di efficienza che di sicurezza.
4. String Energy Storage System
Uno Smart String ESS (Energy Storage System) è un sistema di stoccaggio dell’energia intelligente a livello di stringa, che adotta un design a stringa, intelligente e modulare. In questo modo consente di implementare una gestione raffinata e smart delle celle della batteria e di migliorare la capacità di carica e scarica e la sicurezza del sistema durante tutto il ciclo di vita.
5. Cell-Level Refined Management
Se i sistemi fotovoltaici si stanno spostando verso l’MLPE, i BESS (Battery Energy Storage System) al litio sono destinati a svilupparsi verso granularità di gestione più piccole. Solo una gestione raffinata delle celle della batteria può infatti aiutare a far fronte ai precedenti problemi di efficienza e sicurezza. Attualmente, il tradizionale sistema di gestione della batteria (BMS) può solo riassumere e analizzare dati limitati ed è quasi impossibile rilevare guasti e generare avvisi nella fase iniziale. Il BMS deve perciò diventare più sensibile, intelligente e persino predittivo. Perché ciò accada, è indispensabile abilitarlo alla raccolta, al calcolo e all’elaborazione di una grande quantità di dati.
6. Integrazione di fotovoltaico intelligente, sistemi di accumulo e rete
Nelle aree con più luce solare viene generata e accumulata più energia pulita grazie alla combinazione di un sistema fotovoltaico e di un sistema di accumulo. In futuro sarebbe perciò ideale realizzare grandi impianti in aree remote ricche di luce e poi distribuire l’energia prodotta tramite reti di trasmissione UHV (ultra high voltage), per realizzare connessioni maggiori e stabili tra regioni diverse. La costruzione di un sistema energetico stabile che integri fotovoltaico intelligente, ESS e reti per supportare la fornitura e il consumo di energia fotovoltaica diventerà una misura chiave per garantire la sicurezza e l’indipendenza energetica.
7. Sicurezza
Con l’aumento della potenza dei moduli fotovoltaici e degli inverter rispettivamente a oltre 500 W e a oltre 300 kW, la sicurezza lato CC degli impianti fotovoltaici diventa critica. Non è un caso che i guasti causati dal lato CC degli impianti fotovoltaici rappresentino oltre il 70% di tutti i guasti. Inoltre, a causa dell’impatto delle radiazioni e delle caratteristiche dei moduli fotovoltaici, gli interruttori automatici e i fusibili tradizionali non possono rompersi in modo affidabile per protezione, il che minaccia seriamente la sicurezza operativa degli impianti.
Tra i vari rischi per la sicurezza che devono essere prevenuti e controllati durante la generazione di energia fotovoltaica, la sicurezza elettrica in generale presenta perciò molteplici fonti di pericolo. Fattori che devono essere tenuti sotto controllo da tecnologie di protezione intelligenti, che consentano all’inverter la disconnessione delle stringhe non appena venga rilevato un segnale di guasto.
Inoltre, nello scenario fotovoltaico distribuito bisognerà implementare la funzione AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) per rilevare immediatamente archi elettrici che altrimenti potrebbero generare incendi. E poi sarà importante aumentare il controllo sui sistemi di accumulo al litio, per evitare che prendano fuoco o esplodano, scenari più comuni di quanto si creda.
8. Sicurezza di apparecchiature e informazioni
Per evitare perdite economiche causate da guasti alle apparecchiature, queste ultime devono essere ad alta affidabilità. Attraverso la selezione dei componenti, test rigorosi e una produzione affidabile, la tolleranza ambientale dei dispositivi fotovoltaici è migliorata, il tasso di guasto è ridotto e la vita utile delle apparecchiature fotovoltaiche è aumntata. Tuttavia, queste misure si basano solo sull’affidabilità dell’apparecchiatura stessa e non possono implementare avvisi e prevenzione proattivi rispetto ai guasti. Bisognerà perciò migliorare l’individuazione preventiva e la diagnosi dei guasti, oltre al loro isolamento, per ridurre la portata dell’impatto e garantire un rapido ripristino delle apparecchiature difettose.
Un altro fronte su cui sarà necessario aumentare la sicurezza è quello della trasmissione di informazioni. Per prevenire attacchi dall’esterno, il sistema dell’impianto fotovoltaico intelligente deve vietare qualsiasi accesso non autorizzato alle informazioni di sistema e ai dati sensibili, impedirne la divulgazione e garantire che le informazioni non vengano modificate o danneggiate. Le misure tipiche includono l’avvio protetto, le firme digitali e la gestione centralizzata dei certificati, ma si tratta di misure passive, che non possono far fronte al complesso e mutevole ambiente di rete. È necessario passare invece a una protezione attiva, che risponde prontamente a tentativi di intrusione ripristinando le funzioni o i servizi danneggiati e garantendo la continuità del servizio.
9. Digitalizzazione
Le tecnologie dell’elettronica di potenza sono fondamentali per la produzione, la conversione, lo stoccaggio e il consumo efficienti di elettricità. La loro integrazione con le tecnologie digitali come 5G, AI, cloud computing, big data e IoT consente però di fare passi avanti decisivi per la transizione energetica. Queste ultime possono infatti rendere visibili e misurabili le informazioni generate dalle apparecchiature e i loro flussi, generando vantaggi per l’efficienza e la sicurezza del sistema.
10. Intelligenza Artificiale
Le tecnologie AI saranno ampiamente utilizzate nell’ambito delle energie rinnovabili con forti fluttuazioni ed elevata incertezza e svolgeranno un ruolo insostituibile nell’intero ciclo di vita degli impianti fotovoltaici, dalla produzione alla costruzione all’O&M (Operation & Maintenance). Rappresentano infatti uno strumento indispensabile per produrre componenti di qualità, per ottimizzare i sistemi, per rilevare anomalie e fornire diagnosi, per predire le condizioni di operatività del sistema e dunque le sue capacità di produrre energia e non solo.
