Approfondimento sulla tecnologia Worldwide Energy Matrix (WEM) progettata da Emrod, per trasformare il settore delle energie rinnovabili, ottimizzando la produzione e il consumo di energia, verso un futuro a zero emissioni di carbonio.
di Lisa Borreani
Nel corso degli anni, le linee elettriche sono state il fulcro del settore energetico, trasportando grandi quantità di energia dai punti di generazione ai punti finali dei consumatori. La rete elettrica statunitense ne è una colossale testimonianza, rappresentando la più grande macchina interconnessa sulla Terra. Si estende su oltre 200.000 miglia di linee di trasmissione ad alta tensione e 5,5 milioni di miglia di linee di distribuzione locale, collegando migliaia di centrali elettriche alle unità domestiche e commerciali che alimentano.
Tuttavia, il panorama della distribuzione energetica sta cambiando radicalmente.
Il modello tradizionale di produzione energetica, che privilegiava fonti centralizzate e facilmente regolamentabili, principalmente petrolio e gas, sta lasciando il posto a un’economia più pulita, più sostenibile e basata sulle energie rinnovabili. Questo nuovo paradigma ruota attorno a fonti energetiche variabili e variamente distribuite, principalmente l’energia solare ed eolica. È importante sottolineare che la distribuzione efficace di questa energia rinnovabile dove è maggiormente necessaria richiede la creazione di collegamenti costanti dai siti di produzione di energia ai punti di consumo.
Adattarsi a questo cambiamento con la consolidata tecnologia powerline è un compito arduo. I paesi avrebbero il compito di costruire migliaia di nuove linee di trasmissione, il tutto creando una rete sostenibile di siti di energia rinnovabile.
Un nuovo paradigma di energia
Immagina una rete energetica che emuli le reti di comunicazione wireless, trasmettendo energia in modalità wireless dal punto di generazione al punto di consumo. Questo concetto non è più un sogno lontano, ma una realtà imminente con l’innovativo sistema di trasmissione di energia wireless spaziale di Emrod, la Worldwide Energy Matrix (WEM).
Emrod è un’azienda con sede ad Auckland (città nell’Isola del Nord della Nuova Zelanda) che reinventa il movimento dell’energia e supera i limiti delle infrastrutture delle linee elettriche con la sua soluzione di trasmissione di energia wireless a lunga distanza.
Emrod ha sviluppato una tecnologia per sbloccare l’utilità del trasferimento di energia wireless a lungo raggio per scopi commerciali. Il loro sistema è progettato per inviare in sicurezza grandi quantità di energia su lunghe distanze. Dopo aver fornito con successo un sistema di prova, ha sviluppato un sistema dimostrativo più ampio che ha testato in un ambiente interno. Ora sono pronti a dimostrarlo in un ambiente all’aperto e nel “mondo reale”.
La Worldwide Energy Matrix: WEM
Il concetto WEM può essere paragonato a quello attualmente utilizzato per scopi di comunicazione; una costellazione di satelliti in orbita che trasferiscono informazioni da un luogo sulla Terra a un altro, tranne che con WEM, l’energia viene trasferita invece delle informazioni sotto forma di un raggio elettromagnetico.
Il sistema di raggi di potenza di EMROD sblocca la capacità di dispiegare l’infrastruttura energetica nello spazio, spostando in orbita la distribuzione energetica a livello mondiale.
Questo sistema avrà un impatto trasformativo sul settore energetico, sostenendo lo sviluppo di una rete più flessibile e resiliente ed è la chiave per risolvere molte delle sfide attualmente affrontate dalla transizione energetica sostenibile.
WEM fornisce un mezzo efficiente per trasportare l’elettricità in località remote in tutto il mondo. Ciò, a sua volta, rende l’elettrificazione più giustificabile in quanto consente la sostituzione delle tecnologie basate sui combustibili fossili con alternative più pulite basate sull’elettricità.
Una delle maggiori difficoltà con la trasmissione di energia è che le infrastrutture terrestri devono navigare in varie zone problematiche dove c’è conflitto o dove ci sono altri problemi di sicurezza. Ciò aumenta i costi, sia per proteggere che per riparare l’infrastruttura. Inoltre, ciò crea spesso dipendenza da vari soggetti interessati (ad esempio, le forze di sicurezza locali) che garantiscono la sicurezza dell’infrastruttura di trasmissione.
Il collegamento di più reti in tutto il mondo crea in definitiva una rete globale, che consentirebbe di collocare i generatori di energia rinnovabile nelle loro posizioni ottimali.
La variabilità delle fonti energetiche rinnovabili su vari scale temporali fa sì che le reti non possano dipendere completamente da esse. Ciò significa che sono necessarie infrastrutture di generazione significativamente più numerose del necessario o, più realisticamente, che le fonti energetiche non rinnovabili manterranno un ruolo importante nella generazione di energia per colmare il vuoto quando le energie rinnovabili non sono a piena capacità.
Fornisce un modo per i siti off-grid di connettersi alle reti, sostituendo i generatori diesel e le batterie di grandi dimensioni. Il WEM è rilevante anche in situazioni in cui i disastri naturali hanno distrutto le infrastrutture, causando l’interruzione del funzionamento delle reti e lasciando le aree colpite essenzialmente “off-grid”. In questi scenari, il WEM può fornire una fonte di energia affidabile e sostenibile per supportare gli sforzi di recupero.
Come funziona il WEM
- Utilizzando le antenne terrestri di EMROD, l’elettricità generata da una fonte sulla terra, ad esempio solare, eolica o delle onde, viene convertita in energia elettromagnetica e trasmessa con un raggio collimato a un’antenna satellitare relè.
- Nello spazio, i satelliti in orbita formano una matrice di nodi relè. Il raggio viene orientato elettronicamente per inviare energia da un’antenna satellitare a un’altra.
- I satelliti sono dotati di una serie di elementi che reindirizzano e/o rifocalizzano il raggio in arrivo. Dopo aver ricevuto il raggio di potenza, il satellite reindirizza il raggio di potenza verso le posizioni indicate, come uno o più satelliti nella costellazione, una o più posizioni sulla terra o una combinazione di questi utilizzando la suddivisione del raggio di potenza.
- Sulla terra, il raggio elettromagnetico in arrivo viene derivato verso circuiti raddrizzatori che riconvertono il segnale elettromagnetico in elettricità per l’uso. Un segnale di comunicazione può anche essere codificato sul raggio di energia, consentendo di assegnare informazioni al raggio stesso.
La tecnologia Emrod
La tecnologia EMROD ha tre elementi chiave: un’antenna trasmittente, un’antenna rettificatrice (ricevente) e il fascio di energia elettromagnetica che esiste tra le due antenne. Sul lato trasmittente l’elettricità viene convertita in energia elettromagnetica.
L’efficienza di raccolta del raggio della tecnologia EMROD è superiore al 97%.
Gli attuali sforzi di ricerca e sviluppo sono concentrati sul miglioramento dell’efficienza dell’antenna trasmittente e dell’antenna rettificatrice.
La tecnologia è scalabile sia in termini di distanza che di livelli di potenza.
La portata su cui può essere mantenuto un fascio collimato di questo tipo è governata dalla fisica della diffrazione, che mette in relazione la portata, il diametro dell’antenna e la lunghezza d’onda con l’efficienza ottimale di raccolta del fascio.
È possibile posizionare relè altamente efficienti tra le antenne trasmittenti e riceventi per reindirizzare il raggio e aumentare la distanza di trasmissione. Una formazione collimata consente al raggio di essere controllato elettronicamente con precisione. Le antenne sono posizionate in modo da evitare che qualsiasi cosa a terra passi attraverso il raggio.
Il sistema di sicurezza integrato spegne o spegne temporaneamente il raggio se un oggetto sta per attraversarlo. La trasmissione punto-punto collimata e strettamente controllata implica una radiazione minima attorno al raggio, inferiore a quella della trasmissione via cavo ad alta tensione.
L’architettura modulare semplifica la manutenzione e riduce i potenziali tempi di inattività.
Meno punti di guasto; l’assenza di linee riduce le interruzioni dovute alle condizioni meteorologiche e ad altre interferenze fisiche. Le condizioni meteorologiche o atmosferiche come pioggia, nebbia o polvere hanno un impatto trascurabile sull’efficienza del raggio.
La sicurezza
Il sistema EMROD ha una serie di caratteristiche che garantiscono che nessun essere umano o animale possa venire esposto al raggio di energia. Innanzitutto, le antenne di trasmissione e ricezione sono elevate rispetto al suolo (proprio come lo sono i cavi ad alta tensione) per eliminare l’intervento umano nel raggio di potenza. Il raggio stesso è altamente direzionale e collimato poiché si forma nella regione del campo vicino o di Fresnel. La distribuzione della potenza sia lungo l’asse del fascio che attraverso di esso non è governata dalla più familiare regione di Fraunhofer di un’antenna. Pertanto, l’antenna ricevente raccoglie >97% della potenza emessa dal trasmettitore con un beamforming attentamente progettato.
Non ci sono problemi con le zone laterali con un raggio di questa natura poiché la potenza è confinata in un “tubo” cilindrico tra trasmettitore e ricevitore. Inoltre, la cortina di sicurezza laser attorno alla periferia delle antenne copre l’intero raggio ed è in grado di rilevare eventuali incursioni da parte di uccelli prima che questi entrino nel raggio. Viene immediatamente attivata un’interruzione temporanea dell’alimentazione evitando così l’esposizione alla potenza del raggio elettromagnetico. La densità del raggio di potenza e la frequenza utilizzata sono tali che un oggetto dovrebbe rimanere nel raggio per più di qualche minuto per subire un effetto termico significativo e quindi dannoso. Tuttavia, il sistema di spegnimento di sicurezza impedisce a qualsiasi oggetto di interagire con il raggio.
Come si interfaccia il sistema EMROD con i sistemi di rete energetica esistenti?
Il sistema EMROD attualmente utilizza un sistema CC a bassa tensione all’interno dei sistemi di antenna. Questi sistemi a bassa tensione sono interfacciati ai sistemi di consumo o di distribuzione utilizzando apparecchiature di conversione di potenza standard. Ad esempio, se ci collegassimo a un sistema trifase da 11 kV, utilizzeremmo un trasformatore stella-stella da 11 kV/400 V, 3 fasi e quindi un banco di alimentatori a bassa tensione da 400 V 3 fasi a CC per pilotare l’antenna trasmittente. L’antenna ricevente rigenera quindi la bassa tensione CC che può essere convertita in 400 V CA 3 fasi attraverso un inverter 3 fasi e quindi un trasformatore di potenza step-up alla tensione richiesta. La rotazione di fase può essere controllata sincronizzando l’inverter con la fasatura dell’alimentazione e quindi lo sfasamento richiesto fornito tramite la selezione di un trasformatore appropriato (ad esempio uno sfasamento di 30 gradi o simile).
Emrod ed Airbus
L’ESA e Airbus ritengono che l’energia solare commerciale basata sullo spazio, utilizzando i satelliti per catturare l’energia solare nello spazio dove è abbondante 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e trasmettendola in modalità wireless a terra, potrebbe sostenere la transizione verso l’energia sostenibile e raggiungere gli obiettivi europei di emissioni nette di carbonio zero emissioni entro il 2050.
Tenutosi presso il sito Airbus di Monaco, il sistema dimostrativo indoor di Emrod ha trasmesso potenza in modalità wireless oltre 36 metri a una frequenza di 5,8 GHz, utilizzando un’antenna trasmittente “square phased-array” di 1,92 metri di diametro e un’antenna ricevente di dimensioni simili.
Sebbene il concetto di energia solare spaziale si basi su principi tecnologici esistenti, una delle sfide fino ad oggi è stata come fornire in modo economicamente vantaggioso l’energia generata nello spazio alla terra per l’uso. La soluzione di Emrod potrebbe superare questa sfida, aiutando l’ESA a raggiungere il livello necessario di efficienza di conversione della trasmissione di potenza wireless (WPT).
“L’energia solare proveniente dallo spazio ha il potenziale per contribuire in modo significativo al portafoglio equilibrato di soluzioni di energia pulita che saranno necessarie per raggiungere gli obiettivi Net Zero 2050 dell’UE e degli Stati membri dell’ESA. L’ESA è lieta di collaborare con Emrod per presentare la trasmissione di energia wireless come una tecnologia emergente con il potenziale per risolvere le sfide della sostenibilità nel settore energetico e spaziale”, afferma Torben Henriksen, direttore ad interim di Tecnologia, Ingegneria e Qualità dell’ESA.
“Il mondo si è posto l’ambizione di raggiungere le emissioni nette pari a zero entro il 2050, un obiettivo difficile considerando le prestazioni delle tecnologie energetiche attuali e a breve termine. Siamo entusiasti di contribuire alla commercializzazione della tecnologia power beaming per le infrastrutture energetiche spaziali in collaborazione con ESA e Airbus”, afferma Greg Kushnir, fondatore e CEO di Emrod.
