Trasformatore intelligente per la svolta energetica
Un nuovo trasformatore di media tensione "intelligente" sviluppato all'ETH di Zurigo è estremamente compatto ed efficiente dal punto di vista energetico grazie a una tecnologia dei semiconduttori all'avanguardia. Le sue applicazioni spaziano dalle locomotive alle stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici e agli alimentatori per centri dati da utilizzare nelle future reti energetiche.
Gli ingegneri elettrici dell'ETH hanno sviluppato un trasformatore elettronico "intelligente" che converte la media tensione in bassa tensione in modo estremamente efficiente. Questi trasformatori intelligenti sono anche molto più piccoli dei trasformatori convenzionali. Tra l'altro, presentano un vantaggio nei casi in cui lo spazio è limitato o il peso ridotto è importante, come ad esempio nei veicoli di trazione ferroviaria.
Le linee aeree di contatto ferroviarie trasportano solitamente corrente alternata a media tensione. Nelle unità di trazione, la tensione viene trasformata in un valore inferiore. "Per ragioni tecniche, più bassa è la frequenza della corrente alternata, più grandi sono i trasformatori utilizzati per questo scopo, e nel trasporto ferroviario in Svizzera e in molti altri Paesi europei, questa è relativamente bassa, 16,7 hertz", spiega Daniel Rothmund. ? uno dei due dottorandi del gruppo del professor Johann Kolar dell'ETH che hanno costruito il trasformatore.
I "trasformatori intelligenti" utilizzano quindi un trucco: In un convertitore a monte, la frequenza della corrente alternata viene aumentata di molte volte. Il trasformatore stesso può quindi essere reso piccolo. Un convertitore a valle genera quindi una tensione alternata con la frequenza desiderata.
Commutazione ad altissima frequenza
Rothmund e il suo collega Thomas Guillod hanno dovuto sviluppare da soli molti componenti per il loro trasformatore elettronico, poiché per la media tensione di 10.000 volt sono disponibili solo pochi componenti. Particolarmente importanti sono stati i componenti in carburo di silicio - prototipi prodotti da un'azienda americana - che consentono una commutazione estremamente veloce. I dottorandi dell'ETH sono riusciti a convertire la media tensione in una frequenza molto alta, fino a 75.000 hertz, e a costruire un sistema di trasformatori che è solo un terzo delle dimensioni dei precedenti "trasformatori intelligenti" con una potenza comparabile. Mentre l'efficienza energetica dei sistemi precedenti si aggira intorno al 96%, Rothmund e Guillod hanno raggiunto il 98%: in altre parole, sono riusciti a dimezzare le perdite di energia dal 4 al 2%.
Lo sviluppo è stato realizzato nell'ambito del Programma Nazionale di Ricerca 70 sulla svolta energetica, in cui si studiano le tecnologie per l'attuazione della Strategia energetica 2050.
Raddrizzamento della corrente alternata
I veicoli di trazione ferroviaria sono solo una delle tante applicazioni dei nuovi trasformatori. "A differenza dei trasformatori convenzionali, i trasformatori intelligenti sono controllabili", spiega Rothmund. Nelle future reti energetiche, le cosiddette smart grid, potranno essere utilizzati per controllare attivamente la potenza trasmessa e adattarsi alle fluttuazioni della produzione e del consumo di elettricità.
Il nuovo sistema può non solo cambiare la frequenza della corrente alternata di rete, ma anche convertire la corrente alternata in corrente continua. Un'applicazione potrebbe essere rappresentata dalle future grandi stazioni di ricarica rapida che possono essere utilizzate per ricaricare molti veicoli elettrici contemporaneamente. Tali stazioni di ricarica potrebbero essere collegate direttamente alla rete esistente a media tensione in corrente alternata, trasformando la media tensione nella tensione desiderata con piccoli trasformatori efficienti. "Per caricare le batterie si utilizza una tensione continua relativamente bassa", spiega Rothmund. "Rispetto alla tecnologia convenzionale, i trasformatori intelligenti hanno un vantaggio se questa tensione continua deve essere generata da una rete a media tensione in corrente alternata".
I centri di calcolo sono un altro tipo di consumo su larga scala che potrebbe beneficiare di questo sviluppo. Qui, sistemi di alimentazione più efficienti potrebbero non solo far risparmiare sui costi dell'elettricità, ma anche ridurre al minimo le perdite di calore e di conseguenza la necessità di raffreddamento.
Ironia della sorte, la nuova tecnologia potrebbe non solo facilitare la svolta energetica verso un'economia energetica decarbonizzata ed elettrificata, ma anche lo sfruttamento di fonti di combustibili fossili difficili da sfruttare: l'industria sta attualmente sviluppando modi per estrarre petrolio e gas nelle profondità marine senza l'uso di piattaforme di perforazione. In queste applicazioni, le pompe, i compressori e i robot di manutenzione si trovano sul fondale marino e devono essere riforniti di energia elettrica da terra attraverso un "cavo ombelicale" lungo diversi chilometri. La nuova tecnologia consente di trasmettere in questi cavi la corrente continua, più efficiente della corrente alternata a causa delle lunghe distanze, e di convertirla in corrente alternata utilizzata dalle macchine in un convertitore relativamente piccolo sul fondale marino.