Mark Patrick, Mouser Electronics
I progressi tecnologici favoriscono un utilizzo più efficiente dell’energia in un gran numero di applicazioni
La ricerca di una maggiore efficienza è uno dei temi più importanti per l’industria elettronica. Che si tratti di soluzioni moderne e innovative che utilizzano meno energia o richiedono meno materie prime, o di un miglioramento nello sviluppo e nella manutenzione dei prodotti, un aumento dell’efficienza spesso contribuisce alla realizzazione di progetti più sostenibili.
Questa continua ricerca da parte dell’industria elettronica è in linea con molte altre iniziative intraprese da vari governi e gruppi di lavoro in tutto il mondo. Mentre alcune iniziative si pongono l’obiettivo di individuare metodologie per generare energia in modo più sostenibile, altre mirano a utilizzare tutta l’energia riducendo gli sprechi, come indicato negli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDG – Sustainable Development Goals) delle Nazioni Unite.
Oltre a ciò, la richiesta di tecnologia e di automazione è in continuo aumento e, con essa, l’utilizzo di energia. Basti pensare che i motori elettrici sono responsabili del consumo del 40% dell’energia su scala mondiale. Ma non bisogna dimenticare che in molte aree applicative la tecnologia sta contribuendo in modo significativo al miglioramento della sostenibilità degli stili di vita.
Un buon progetto è alla base della sostenibilità
Se non è espressamente progettato per la sostenibilità, un prodotto non lo potrà mai essere. Fin dalle primissime fasi, i progettisti devono tener conto di questo aspetto, assicurandosi che il progetto sia in grado di garantire un’elevata efficienza durante il funzionamento e consumi estremamente ridotti quando non è operativo, ovvero in standby o in modalità “sleep”.
Per aiutare i progettisti a raggiungere questo obiettivo, numerosi produttori di semiconduttori stanno sviluppando soluzioni che permettono di migliorare l’efficienza. Dispositivi quali semiconduttori di potenza, microprocessori e moduli di comunicazione, solo per citarne alcuni, contribuiscono a migliorare l’efficienza in maniera significativa e a ridurre al contempo i consumi di energia.
Poiché la riduzione dei consumi è diventata uno degli aspetti chiave in fase di progetto, sono ora disponibili numerosi tool in grado di semplificare questo compito. Un esempio è rappresentato dall’unità di alimentazione e misura Otii Ace Prodi Qoitech. Di dimensioni ridotte, questo modulo da banco viene usato per monitorare e memorizzare i valori di corrente e tensione, fornendo analisi in tempo reale e stime della durata della batteria.
Figura 1: Il modulo Otii Ace Pro permette ai progettisti di avere un quadro completo dei consumi di potenza dei loro progetti. (Fonte: Mouser Electronics)
Questo tool permette di monitorare, registrare e analizzare il consumo di energia complessivo, la corrente di dispersione e la corrente assorbita in fase di “sleep”, fornendo ai progettisti tutte le informazioni necessarie per migliorare la sostenibilità dei loro progetti.
Efficienza: il ruolo chiave dei semiconduttori sostenibili
Uno dei settori applicativi più complessi per i semiconduttori è senza dubbio quello delle energie rinnovabili poiché, per conseguire gli obiettivi di sostenibilità, è necessario convertire in potenza elettrica ogni briciolo di energia. Anche le problematiche da affrontare nel comparto dei veicoli elettrici sono decisamente impegnative, in quanto è necessario ottenere la massima autonomia possibile con una batteria con capacità fissa.
Per diversi decenni, il silicio è stato l’elemento base per la produzione dei dispositivi a semiconduttore. Pur rimanendo il materiale di riferimento nella maggior parte delle applicazioni, quelle più complesse richiedono livelli di efficienza che il silicio non permette di raggiungere. Per questo motivo, i progettisti hanno iniziato a rivolgere la loro attenzione verso altri materiali, come ad esempio il carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide), in grado di assicurare elevati livelli di affidabilità a fronte di perdite estremamente ridotte anche nel funzionamento ad alta frequenza.
Si pensi ad esempio agli inverter, dispositivi essenziali per convertire la corrente continua (DC) prodotta dai pannelli fotovoltaici in corrente alternata (AC) utilizzabile dalla rete. Mentre con una soluzione basata su silicio è possibile raggiungere un’efficienza del 98%, che è comunque un ottimo valore, l’impiego di una soluzione realizzata mediante SiC consente di dimezzare le perdite e ottenere un’efficienza superiore di un punto percentuale (99%). L’adozione di questi inverter SiC negli Stati Uniti, dove gli impianti fotovoltaici installati producono 60 GW di energia, permetterebbe di risparmiare 600 MW. In Europa, dove vengono generati 200 GW di energia tramite impianti fotovoltaici, il risparmio energetico sarebbe superiore a 2 GW.
Anche se non ancora diffusi su larga scala, i dispositivi in carburo di silicio sono proposti da numerosi fornitori. onsemi propone un’ampia gamma di prodotti SiC, tra cui i MOSFET EliteSiC M3S, che garantiscono una riduzione del 40% delle perdite di commutazione totali rispetto ai dispositivi delle precedenti generazioni.
Una manutenzione industriale sempre più sostenibile
Le fabbriche sono essenziali per produrre i beni necessari per la vita di tutti i giorni e continueranno a essere il luogo in cui verranno realizzati i prodotti sostenibili del futuro. In passato, le fabbriche consumavano quantità significative di energia ma, a causa del continuo incremento dei costi dell’energia stessa e dell’esigenza di assicurare una maggiore sostenibilità, il risparmio energetico ha assunto un’importanza cruciale.
I sensori a bassissimo consumo, per esempio, vengono spesso impiegati nelle fabbriche e nei magazzini per controllare l’illuminazione, in modo da farla funzionare solo in presenza di persone, eliminando così qualsiasi spreco.
La manutenzione è un argomento delicato: se eseguita troppo spesso si traduce in uno spreco di risorse, mentre se viene ritardata aumenta il rischio di malfunzionamenti che spesso richiedono onerose riparazioni. Dispositivi come la piattaforma di sviluppo per il monitoraggio basato sulle condizioni (CbM) CN0549 di Analog Devices), che include la scheda di acquisizione dati IEPECN0540, la scheda di valutazione CN-0532 e il blocco di montaggio ottimizzato per accelerometri MEMS EVAL-xlMOUNT1, sono in grado di “ascoltare” le vibrazioni prodotte dalle apparecchiature che possono indicare problemi di usura e quindi la necessità di interventi di manutenzione.
Figura 2: La piattaforma di sviluppo CN0549 di Analog Devices viene utilizzata per il monitoraggio delle apparecchiature e permette di effettuare la manutenzione solo quando necessario. (Fonte: Mouser Electronics)
Considerazioni conclusive
La sostenibilità sarà uno dei temi centrali del futuro e il ruolo dell’industria tecnologica sarà determinante. La ricerca della sostenibilità consentirà non solo di produrre energia in maniera più efficiente, ma anche di ottimizzare l’utilizzo di questa preziosa risorsa attraverso l’adozione di adeguate procedure di progettazione e al ricorso sempre più diffuso all’automazione e al monitoraggio di apparecchiature e impianti.