Tra i fattori che contribuiscono ai gas serra causati dall’uomo, la produzione di energia è il più importante. Ogni fonte di emissioni di CO2 è il risultato di processi e tecnologie uniche che non possono essere affrontate collettivamente.
L’attività umana richiede un uso crescente di energia. Nel 2019, si stima che il mondo abbia consumato 23.000 TWh di energia, rilasciando nell’atmosfera 36,7 Gt di CO2. L’obiettivo di azzerare le emissioni di CO2 entro il 2050 può essere raggiunto solo con investimenti nella produzione e conversione di energia più pulita. Ciò include il miglioramento dell’efficienza nei settori chiave della mobilità elettrica, della generazione di energia rinnovabile e delle applicazioni informatiche ad alta intensità di dati come il cloud computing e il 5G. Gli obiettivi del cambiamento climatico richiedono una produzione più efficiente dell’uso dell’energia.
L’elettronica di potenza si sta evolvendo rapidamente grazie ai semiconduttori a banda larga (WBG). Gli analisti di mercato stimano una crescita dei componenti di potenza di oltre 10 miliardi di dollari nei prossimi 6 anni. Si tratta di una forte crescita se analizzata nel contesto dei veicoli ibridi ed elettrici e della necessità di una gestione oculata dell’energia mondiale attraverso soluzioni ambientali come l’energia solare. L’uso di questi materiali Wide Bandgap quali GaN e SiC rappresenta un ulteriore passo avanti verso il miglioramento dell’efficienza energetica dei dispositivi di potenza, garantendo al contempo soluzioni con fattori di forma più piccoli e con costi inferiori rispetto al silicio.
Figura 1: Le opportunità per WBG (Source: Navitas)
Ricarica dei veicoli elettrici
I trasporti sono responsabili di circa il 20% delle emissioni di gas serra, e il trasporto su strada rappresenta i tre quarti del totale. L’elettrificazione dei veicoli è una componente fondamentale della strategia per ridurre al minimo le emissioni di gas serra prodotte dal trasporto su strada. Credit Suisse stima che entro l’inizio del prossimo decennio saranno venduti a livello globale 63 milioni di nuovi veicoli elettrici; di questi, 29 milioni saranno completamente elettrici. Allo stesso tempo, secondo gli osservatori del settore, la crescente domanda di energia elettrica metterà ulteriormente a dura prova le infrastrutture elettriche.
Nel caso dei veicoli elettrici, per infrastruttura elettrica si intendono le stazioni di ricarica. Le stazioni di ricarica pubbliche sono sempre più diffuse, ma il loro sviluppo non ha tenuto il passo con l’aumento dell’offerta di veicoli elettrici. Oltre al costo dei veicoli, l’ansia da autonomia – il timore che un EV non abbia abbastanza energia tra una ricarica e l’altra per raggiungere la destinazione prevista- è una delle principali preoccupazioni dei potenziali acquirenti di EV.
Il tempo di ricarica è un’altra preoccupazione. La maggior parte delle stazioni di ricarica oggi disponibili utilizza l’alimentazione a corrente alternata, ma il recente arrivo dei caricatori a corrente continua sta offrendo ai clienti nuove opzioni, consentendo una ricarica non solo rapida ma anche bidirezionale.
I progressi tecnologici stanno riducendo il costo dei veicoli elettrici, ma soprattutto stanno consentendo la maggiore efficienza dell’autonomia richiesta da molti consumatori. Batterie a più alta densità di potenza, motori elettrici più efficienti e nuove soluzioni di semiconduttori wide-bandgap per l’intera catena cinematica si combinano per rendere i veicoli elettrici più accessibili a un segmento più ampio di automobilisti.
La rapida crescita del mercato dei veicoli elettrici sta determinando enormi picchi di domanda di motori elettrici in diverse regioni globali e categorie di veicoli. Una delle principali tecnologie emergenti per i motori è il flusso assiale. In un motore a flusso assiale, il flusso magnetico è parallelo all’asse di rotazione, a differenza della direzione perpendicolare del flusso nelle macchine a flusso radiale.
Le soluzioni al nitruro di gallio e al carburo di silicio sono adatte ai caricabatterie di bordo CA/CC e ai convertitori CC/CC da alta tensione a bassa tensione (da HV a LV) utilizzati nei veicoli elettrici e ibridi. Entro il 2025, si prevede che un veicolo su 10 venduto in tutto il mondo sarà un mild hybrid a 48 V. L’uso di un sistema a 48 V nei mild hybrid può aumentare l’efficienza dei consumi, fornire una potenza 4 volte superiore senza aumentare le dimensioni del motore e contribuire a ridurre le emissioni senza aumentare i costi del sistema.
Secondo Exawatt, le vendite di veicoli elettrici per passeggeri con MOSFET basati su SiC supereranno le vendite di veicoli elettrici con IGBT in SiC entro il 2024. Con la crescita della quota di mercato del SiC per gli inverter, l’industria sta eliminando gli ultimi ostacoli alla commercializzazione su larga scala, come il costo tradizionalmente più elevato del SiC rispetto al Si convenzionale. Garantire una fornitura sufficiente di wafer di SiC rimane una preoccupazione pressante per il settore. I principali produttori di substrati hanno effettuato ingenti investimenti nella crescita dei cristalli per soddisfare la crescente domanda di SiC, mentre quasi tutti i principali produttori di dispositivi hanno acquistato tecnologie interne di wafering o hanno potenziato le capacità di wafering esistenti.
Figura 2: SiC e GaN per veicoli elettrici
Non solo i veicoli elettrici a più lunga autonomia dovrebbero essere lo standard, ma le batterie devono essere più economiche e più veloci da ricaricare se vogliamo che tutte le auto in circolazione siano elettriche. Alcune aziende stanno sviluppando nuovi materiali per il raffreddamento dei componenti e per la chimica delle batterie, al fine di ottenere la massima efficienza possibile alle più basse temperature di esercizio. L’aumento della quantità di silicio nelle batterie EV è un approccio produttivo che ha guadagnato attenzione. L’uso delle batterie nei veicoli elettrici ha portato allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi di monitoraggio della carica elettrica.
Per garantire che il passaggio ai veicoli elettrici sia davvero una transizione verde e non un semplice “greenwashing”, è necessario decarbonizzare l’intera infrastruttura energetica. La procedura per farlo varierà da nazione a nazione in base a una serie di fattori, primo fra tutti la quantità di energia rinnovabile consumata da un Paese in percentuale del suo consumo energetico totale.
