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La necessità di una significativa riduzione del livello di inquinamento ambientale è impellente, perché sono sempre più forti i segnali di cambiamento climatico. Purtroppo, però, la dipendenza da fonti fossili è ancora grande, tanto che in alcuni Stati si investono ingenti risorse per lo sfruttamento di giacimenti sotterranei di petrolio e gas naturale. Ad esempio, anche grazie allo scioglimento dei ghiacciai causato dal rialzo termico legato all’effetto serra, in un prossimo futuro si procederà alla trivellazione del fondale marino ai Poli, con un rischio elevatissimo in caso di perdite di greggio. Negli Stati Uniti si ricorre al fracking per accedere a risorse fossili nel sottosuolo, con il conseguente inquinamento di falde acquifere e, addirittura, l’innesco di terremoti.
Viceversa, la spinta all’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili, soprattutto in Europa si è affievolita a seguito della cancellazione degli incentivi che invece ne favorivano la diffusione fino a pochi anni fa. I prezzi di acquisto per l’utente finale si sono ridotti notevolmente, ma questi deve affrontare un investimento che inizierà a rientrare solo dopo quattro o cinque anni. Ciò, nel tempo di crisi economica che viviamo, è sicuramente un ostacolo alla diffusione, ad esempio, di sistemi fotovoltaici o di sistemi per la produzione di energia dal vento (eolici) di piccola potenza.
L’Italia è, secondo i dati più recenti pubblicati da IEA (International Energy Agency's Photovoltaic Power Systems Programme), la nazione che ha la più alta percentuale di energia rispetto al fabbisogno (pari all’8%) prodotta da sorgente fotovoltaica.
Alcuni Paesi, anche a latitudini decisamente più elevate, come la Germania, sono però molto più avanti, in quanto la produzione da fonte rinnovabile, soprattutto fotovoltaico ed eolico, è molto significativa, addirittura pari alla necessità elettrica dell’intero Paese in alcune domeniche di inizio estate. Altre nazioni, come la Danimarca e la Svezia, stanno puntando molto sulle energie rinnovabili in genere, soprattutto su generatori eolici di grande potenza, installati in mare aperto: questa politica porterà questi Stati all’indipendenza energetica in meno di un quinquennio.
In Italia, così come in tutti i Paesi del Mediterraneo, le condizioni ambientali rendono molto conveniente il ricorso ai sistemi che sfruttano la fonte solare.
La produzione di energia di un generatore fotovoltaico non dipende soltanto dalle condizioni di soleggiamento e temperatura alle quali esso opera, ma anche dalla tipologia di controllo delle variabili elettriche, quindi tensione e corrente, ai terminali nonché dal circuito che veicola l’energia verso il carico elettrico o la rete di distribuzione. La complessità del progetto e dell’ottimizzazione del controllore e del circuito sono legate alla non-linearità e dalla tempo varianza, dovuta alle condizioni atmosferiche, del generatore.
Qualora si considerino applicazioni che prevedono l’integrazione delle celle in strutture preesistenti, specialmente in contesti urbani (ad es. edifici, coperture di parcheggi), oppure relative alla mobilità (ad es. integrazione in autoveicoli), i problemi legati al controllo ed alla gestione dell’energia prodotta divengono molto più articolati e di difficile soluzione. Infatti, in tali casi, che prevedono una produzione di energia da poche centinaia di watt a qualche kilowatt, i pannelli possono avere una diversa orientazione rispetto ai raggi solari, possono essere soggetti a ombreggiamento, anche parziale, oppure a un degrado accelerato e disuniforme. Per le applicazioni alla mobilità, a tali fattori si aggiunge una rapidità di variazione del livello di soleggiamento al quale sono soggette le celle che può essere molto superiore a quella cui sono soggetti i pannelli di un impianto posto, ad esempio, sul tetto di un edificio.
Non ultimo, in termini di controllo e ottimizzazione, vi è il problema della gestione dei flussi di potenza dal generatore fotovoltaico verso i carichi e la rete di distribuzione, ma anche da e per un sistema di accumulo quale può essere una batteria. Infatti, la gestione di una cosiddetta micro-rete (microgrid) richiede tecniche di controllo e circuiti per il processing dell’energia molto evoluti, che garantiscano un elevato rendimento in scenari molto differenti e che assicurino anche un tempo di vita all’intero impianto che sia il più lungo possibile. Da quest’ultimo punto di vista, uno dei dispositivi che richiede maggiore attenzione è l’elemento di accumulo dell’energia elettrica, i cui stati di carica e di salute vanno opportunamente monitorati.
Questi temi sono la chiave di successo dei moderni sistemi energetici per utilizzo domestico.
Infatti, non essendo più disponibili gli incentivi economici che fino a qualche anno fa erano corrisposti per l’energia elettrica prodotta - ad esempio dai pannelli fotovoltaici posti sul tetto dell’abitazione – e immessa nella rete di distribuzione, oggi l’utente finale desidera affrontare una spesa a fronte di disponibilità di energia elettrica in qualsiasi condizione, anche di blackout della rete. Ciò passa inevitabilmente per una produzione di energia, da fonte rinnovabile, e stoccaggio, tutto in loco, mediante un impianto che sia il meno costoso possibile ma anche altamente affidabile.
Il Gruppo di Elettrotecnica del DIEM ha iniziato l’attività di ricerca sui sistemi fotovoltaici, e più in generale sulla produzione di energia da fonti energetiche rinnovabili, nel 2001. In quindici anni sono stati numerosi i risultati scientifici conseguiti, i riconoscimenti, nazionali e internazionali, le collaborazioni con imprese italiane e straniere, gli allievi formati in questo ambito e che ora lavorano nei settori ricerca e sviluppo di prestigiose università e aziende.
I contributi più significativi del Gruppo hanno riguardato la modellistica dei pannelli fotovoltaici, il controllo ed il power processing system in genere, il monitoraggio e la diagnosi dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica.
I principali risultati dell'attività di ricerca sono stati i numerosi articoli, pubblicati in prestigiose riviste internazionali, alcuni dei quali (come ad esempio questo documento del 2005) sono oggi un punto di riferimento per la comunità scientifica internazionale del settore.
Numerosi sono stati anche i brevetti, i cui diritti sono stati ceduti all’Università di Salerno, che vedono tra gli inventori i componenti del Gruppo di Ricerca. Altri brevetti sono stati sviluppati nell’ambito di contratti di ricerca con aziende, ad esempio ABB e Bitron. Più in generale, la collaborazione con il mondo dell’industria elettronica è stata molto intensa e con partner prestigiosi (ABB, Texas Instruments, Bitron tra gli altri).
Più di recente, molti dei risultati scientifici sono stati conseguiti nell’ambito di alcuni progetti finanziati dalla Commissione Europea (FP7 e H2020), sia nel settore fotovoltaico, che della mobilità sostenibile che nella diagnosi dei sistemi elettrochimici di accumulo e produzione di energia da idrogeno.
Tutte le attività di ricerca sono state e vengono svolte anche in collaborazione con numerose e prestigiose università straniere, con una ricaduta molto importante anche sulla formazione degli allievi dei Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica, Ingegneria Elettronica, Ingegneria Meccanica e Gestionale.
Elaborazioni testo Giovanni SPAGNUOLO - Fellow IEEE
Concept idea Vittoria Marino - Delegato alla Comunicazione UNISA
