Come si integra l’energia rinnovabile con i generatori a induzione per la fornitura elettrica off-grid nelle aree montane?

Nel contesto attuale di transizione energetica globale verso il raggiungimento del net zero, la composizione energetica mondiale vede ancora una predominanza delle fonti non rinnovabili, pari al 71,7% nel 2021, mentre le fonti rinnovabili rappresentano il restante 28,3%, in crescita rispetto al 20,4% del 2011. Tra queste, l’energia idroelettrica detiene il maggior peso nella generazione rinnovabile, contribuendo per il 15% al totale globale. L’Agenzia Internazionale dell’Energia prevede che entro il 2040 la capacità di generazione da fonti rinnovabili raggiungerà 4.550 GW, con un obiettivo di emissioni di carbonio nette pari a zero entro il 2050.

Per la realizzazione di sistemi off-grid efficienti in aree remote e montuose, l’impiego di generatori a induzione (IG) riveste un ruolo cruciale. Tali generatori, comunemente usati nei microimpianti idroelettrici, sono apprezzati per il loro basso costo, robustezza, risposta transitoria favorevole e capacità di autoprotezione. La loro struttura senza spazzole e l’assenza di necessità di eccitazione in corrente continua semplificano la manutenzione e riducono i costi operativi. Nel funzionamento off-grid, questi generatori operano tipicamente in modalità autoeccitata (SEIG), utilizzando banche di condensatori per fornire la potenza reattiva necessaria alla magnetizzazione del nucleo. La frequenza e la tensione generate dipendono quindi da una combinazione complessa tra capacità di eccitazione, velocità di rotazione della macchina e impedenza del carico.

Nel contesto dei carichi tipici di zone montane remote — illuminazione domestica, ventilatori, apparecchi per riscaldamento dell’acqua, pompe — che sono prevalentemente monofase, i SEIG monofase sono in grado di fornire una soluzione funzionale per potenze contenute. Tuttavia, per richieste energetiche più elevate, i SEIG trifase risultano più efficienti, compatti e convenienti. L’alimentazione monofase da un generatore trifase, però, introduce squilibri nelle correnti e tensioni di fase, causando pulsazioni di coppia e perdite nel rotore, che possono richiedere una derating della macchina per contenere la temperatura di funzionamento.

È essenziale considerare che, oltre alla scelta della tecnologia di generazione, la valutazione dell’accumulo energetico è critica per garantire continuità e qualità della fornitura elettrica nelle aree off-grid. Sistemi di accumulo come batterie, supercondensatori o volani possono mitigare le fluttuazioni di carico e la variabilità della fonte rinnovabile, aumentando la stabilità e la durata del sistema complessivo. Il successo di questi sistemi dipende anche dall’adeguamento alle condizioni locali, dalla manutenzione programmata e da una corretta progettazione tecnica che tenga conto delle specificità ambientali e delle esigenze della comunità servita.

Il passaggio verso una maggiore integrazione delle rinnovabili, supportato da tecnologie come i generatori a induzione autoeccitati, rappresenta quindi non solo una sfida ingegneristica, ma anche una opportunità strategica per favorire lo sviluppo sostenibile di regioni isolate, migliorando la qualità della vita e riducendo l’impatto ambientale. La comprensione profonda di queste dinamiche e delle soluzioni tecnologiche disponibili è fondamentale per progettisti, ingegneri e policy maker impegnati nel perseguimento di un futuro energetico resiliente e inclusivo.

Come migliorare la prestazione delle diodi fluidiche in applicazioni di energia dalle onde

Nel contesto delle tecnologie energetiche moderne, le diodi fluidiche (FD) stanno guadagnando crescente attenzione per la loro capacità di migliorare l'efficienza nei sistemi di estrazione energetica, come nel caso delle centrali a onde (OWC). Un aspetto fondamentale delle diodi fluidiche è il loro design e la loro geometria, che determinano la resistenza del flusso e, di conseguenza, le prestazioni complessive del sistema.

Un esempio iniziale del concetto di FD fu introdotto da Telsa, che posizionò un corpo “bluff” all’interno di un canale curvato, creando una geometria ripetitiva in grado di ottimizzare il flusso in una direzione e di aumentare la resistenza nell’altra. Questo approccio ha portato a miglioramenti significativi nella risposta e nelle prestazioni del dispositivo, soprattutto quando combinato con design di diodi a forma di ugello. Gli studi parametrici condotti su questa diodo hanno rivelato il numero ottimale di geometrie ripetitive necessarie per ottenere il miglioramento delle prestazioni e del tempo di risposta dell’unità.

Fripp et al. hanno proposto un corpo bluff innovativo in una sezione di ugello, la cui forma variabile consente di regolare la resistenza del flusso in modo efficiente. Hampton et al. hanno successivamente sviluppato un diodo a tipo separato, capace di ottenere un flusso più uniforme nella direzione di avanzamento. Altri studi, come quelli di Dudhgaonkar et al., hanno esplorato l’applicazione delle diodi fluidiche per la progettazione iniziale di sistemi di energia da onde, dimostrando il potenziale di queste tecnologie in contesti di energia rinnovabile.

Un altro approccio interessante è quello proposto da Freeman, che ha ideato una diodo attiva con un corpo bluff circolare posizionato in una scanalatura. Questa configurazione permette di modulare il flusso in base alla direzione del flusso d’aria, adattandosi dinamicamente alle oscillazioni del sistema. Le configurazioni di questo tipo sono fondamentali nei sistemi OWC, dove un flusso variabile è necessario per estrarre energia dalle onde marine.

La modellazione numerica delle diodi fluidiche è fondamentale per studiare il loro comportamento in condizioni di flusso oscillatorio, come quelle che si verificano nei sistemi OWC. In questo tipo di flusso, la velocità varia continuamente nel tempo, passando tra stati laminari e turbolenti. L’utilizzo di modelli numerici basati su profili pseudo-sinusoidali del flusso consente di simulare in modo realistico le condizioni naturali di flusso nelle centrali OWC. La natura non stazionaria del flusso rende cruciale l’analisi delle prestazioni delle diodi fluidiche in un contesto di flusso transitorio.

Per una validazione più accurata dei modelli numerici, è importante utilizzare tecniche di sensibilità della griglia, come il metodo del Grid Convergence Index (GCI), che consente di determinare l’errore di discretizzazione e ottimizzare il numero di elementi di mesh necessari. I risultati della validazione numerica sono poi confrontati con i dati sperimentali per garantire che le simulazioni riflettano con precisione il comportamento del sistema nel mondo reale.

Nei modelli numerici, una particolare attenzione viene dedicata all’utilizzo di mesh non strutturate e alla creazione di elementi di mesh più densi nelle regioni critiche, come gli angoli acuti e i corpi bluff. Questi dettagli sono essenziali per catturare accuratamente le interazioni tra il fluido e la geometria del diodo, migliorando la precisione dei risultati delle simulazioni.

Oltre agli aspetti geometrici e numerici, un’altra considerazione importante riguarda l’effetto delle onde naturali sulle prestazioni delle diodi fluidiche. Poiché le onde marine generano flussi oscillatori, la capacità di una diodo fluidica di adattarsi a queste variazioni temporali è fondamentale. Pertanto, è cruciale che i modelli numerici considerino non solo la geometria della diodo, ma anche la variabilità del flusso a lungo termine, che può influire sulle prestazioni globali del sistema di estrazione energetica.

L’integrazione di questi sistemi con turbine aerea, come nel caso delle turbine a onda, richiede un controllo preciso del flusso per massimizzare l’energia estratta durante ogni ciclo del sistema. La resistenza variabile offerta dalle diodi fluidiche, combinata con una turbina, migliora la capacità di bloccare il flusso e di indirizzare l’aria massima attraverso la turbina, ottimizzando l’estrazione di energia durante ciascun ciclo dell’OWC.

In conclusione, le diodi fluidiche rappresentano una tecnologia avanzata che, se progettata e applicata correttamente, può migliorare notevolmente l’efficienza dei sistemi di energia da onde. I progressi nella modellazione numerica e nella comprensione del comportamento del flusso in condizioni di oscillazione sono fondamentali per ottimizzare le prestazioni di questi dispositivi. L’integrazione con altre tecnologie, come le turbine eoliche o i sistemi di accumulo energetico, può ulteriormente aumentare l'efficacia delle diodi fluidiche, aprendo nuove opportunità nel settore delle energie rinnovabili.