Si stima che circa 685 milioni di persone non abbiano accesso all’energia elettrica, mentre altri 1,6 miliardi hanno forniture instabili. A livello globale, i sistemi di potenza off-grid rappresentano una risorsa vitale per fornire elettricità dove la rete è assente o inaffidabile. Una vera e propria ancora di salvezza.
Negli anni recenti, si sono registrate importanti innovazioni tecnologiche nei componenti e nelle topologie di conversione di potenza impiegate nei sistemi off-grid. Inoltre, sono emerse nuove normative e standard che spingono ad un’integrazione sicura ed efficace di queste soluzioni.
Nei paragrafi seguenti verranno esaminati l’architettura di un sistema off-grid, le principali topologie avanzate di convertitori di potenza utilizzati e le ultime innovazioni.
Architettura e Componenti di un Sistema Off-Grid
Un sistema di potenza off-grid tipico è costituito da diversi sottosistemi chiave, che lavorano in sinergia per garantire un approvvigionamento elettrico continuo e stabile:
- Generazione da fonti rinnovabili: pannelli solari fotovoltaici, turbine eoliche, micro-idroelettrico o generatori a biomassa convertono risorse naturali in energia elettrica. Queste fonti hanno natura intermittente e variabile, richiedendo dei sistemi di controllo avanzati. Questo permette di massimizzare il processo di conversione (ad esempio tramite algoritmi MPPT).
- Sistemi di accumulo (batterie): l’energia prodotta in eccesso rispetto al carico istantaneo viene immagazzinata in accumulatori. Si tratta tipicamente di batterie ricaricabili al litio, oppure di tecnologie emergenti come batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) e supercondensatori. Negli ultimi anni, l’evoluzione normativa (come il nuovo Regolamento Batterie UE 2023/1542) e tecnologica ha migliorato la sostenibilità e la sicurezza degli accumulatori.
- Convertitori di potenza (elettronica di potenza): costituiscono il cuore del sistema off-grid. Includono convertitori DC/DC (come regolatori di carica, booster o buck per l’MPPT) e inverter DC/AC per fornire tensione alternata ai carichi domestici o industriali. In alcuni casi vengono previsti anche dei convertitori AC/DC. Ad esempio per integrare un generatore AC o per caricare le batterie da una fonte AC esterna quando disponibile.
- Sistema di controllo e gestione energetica: un’unità di controllo digitale (Energy Management System) monitora lo stato di carica delle batterie, produzione delle fonti rinnovabili e i consumi. Inoltre, può attuare strategie di gestione (es: accensione/spegnimento di generatori di backup, load shedding in caso di sovraccarico) per garantire continuità e stabilità.
- Protezioni e interfacce: includono dispositivi di protezione da sovraccarichi, cortocircuiti e sovratensioni, oltre a eventuali interfacce per connessione ad un sistema di backup energetico. Anche in un sistema isolato, la sicurezza elettrica deve rispettare normative (come ad esempio la CEI 64-8 relativa agli impianti elettrici utilizzatori).
Elettronica di Potenza nei Sistemi Off-Grid
L’evoluzione dell’elettronica di potenza gioca un ruolo cruciale nelle applicazioni off-grid. Convertitori statici avanzati consentono di gestire con efficienza le fonti rinnovabili intermittenti, ottimizzare l’accumulo di energia e fornire energia di qualità ai carichi. Negli ultimi anni, i progressi nei semiconduttori di potenza (ad esempio dispositivi al carburo di silicio – SiC – al nitruro di gallio – GaN e materiali quantistici) hanno consentito ai convertitori di operare a frequenze di commutazione più elevate e con minori perdite, rivoluzionando le applicazioni nei sistemi off-grid. Anche diverse tecniche di controllo si sono evolute. Ad esempio, passando da semplici regolazioni lineari analogiche a controllori digitali DSP/FPGA. Inoltre, con algoritmi sofisticati (controllo in modalità sliding, model predictive control, etc.), migliora la risposta dinamica della potenza e stabilità del sistema.
Attraverso i convertitori di potenza, è possibile:
- Adattare le tensioni e correnti tra sorgenti, accumuli e carichi. Ad esempio elevare la bassa tensione dei pannelli fotovoltaici fino ai livelli necessari per caricare una batteria o alimentare un inverter.
- Massimizzare l’energia ricavata dalle fonti rinnovabili tramite algoritmi di controllo avanzati (come il Maximum Power Point Tracking per i pannelli FV) implementati nei convertitori DC/DC.
- Minimizzare le perdite di conversione, grazie a topologie circuitali e componenti che riducono dissipazioni per commutazione e conduzione. In questo modo migliora l’efficienza globale del sistema (un fattore critico nell’off-grid, dove ogni watt conta).
- Garantire la qualità della potenza erogata ai carichi. I convertitori (soprattutto gli inverter) regolano attivamente la tensione e frequenza dell’isola elettrica, fornendo forme d’onda sinusoidali pulite e stabili anche con il variare dei carichi. Inoltre, gestiscono correttamente transitori e spunti di carico mantenendo la stabilità.
- Consentire flussi di potenza bidirezionali, ad esempio durante la carica/scarica delle batterie. Molti convertitori per off-grid sono di tipo bidirezionale, potendo operare sia come step-down che step-up in base alle esigenze.
- Proteggere il sistema: l’elettronica di potenza integra protezioni attive. Ad esempio con limitazioni di corrente, sezionamento in caso di anomalie, anti-islanding se presente connessione alla rete, per prevenire guasti e contribuire alla sicurezza.
Topologie Avanzate di Convertitori per Applicazioni Off-Grid
Qui di seguito analizziamo alcune topologie avanzate di convertitori che trovano largo impiego nei sistemi off-grid moderni. Se ne evidenziano i principi di funzionamento, i vantaggi e le recenti innovazioni tecnologiche.
Convertitori Risonanti LLC
Una delle configurazioni avanzate più diffuse per la conversione DC/DC ad alta efficienza è la topologia risonante LLC. Si tratta di un convertitore appartenente alla famiglia dei risonanti a tre elementi (Leakage inductance, magnetizing inductance e Capacitance formano le sigle LLC) tipicamente implementato come half-bridge o full-bridge.
Il convertitore LLC utilizza un tank risonante (induttanze e condensatore in serie/parallelo) per generare oscillazioni sinusoidali che permettono di ottenere commutazioni morbide a zero tensione o zero corrente (ZVS/ZCS) dei dispositivi di commutazione. In pratica, operando alla frequenza di risonanza o in prossimità di essa, i transistor (MOSFET o IGBT, oggi sempre più spesso GaN o SiC MOSFET) commutano quando la tensione o la corrente sono prossime allo zero. Questo riduce drasticamente le perdite di switching.
I convertitori LLC sono apprezzati per la elevatissima efficienza e densità di potenza che possono raggiungere. Le innovazioni recenti per i convertitori LLC riguardano soprattutto l’impiego di nuovi dispositivi a largo bandgap. In particolare, transistor al GaN con elevata velocità di commutazione e basse cariche parassite hanno dimostrato di poter far superare efficienze del 98% in conversioni DC/DC isolate. Ciò ha portato a prototipi di LLC compatti con densità di potenza superiori a 1500 W/in³ e trasformatore ad alta frequenza integrato PCB.
Oltre ai semiconduttori, si sono diffusi controller dedicati con funzionalità di controllo digitale multimodo. Questi, sono capaci di ottimizzare l’efficienza su tutto il range di carico passando da modalità risonante a quasi-risonante (o burst mode) a seconda della potenza erogata. Questi progressi, rendono i convertitori LLC componenti chiave per applicazioni off-grid di fascia alta, come inverter solari isolati ad alta efficienza e moduli di ricarica ultra-rapida per batterie.
Convertitori Buck Interleaved (Multifase)
Nei sistemi off-grid con accumulo, i convertitori buck (abbassatori) interleaved trovano largo impiego, ad esempio come stadi di regolazione per la carica della batteria da pannelli fotovoltaici. Un convertitore buck interleaved consiste in più sezioni buck in parallelo, controllate sfasando opportunamente i segnali di commutazione (interleaving).
Questo approccio offre molteplici vantaggi:
- La corrente in uscita si ripartisce su più rami, riducendo lo stress su ogni singolo induttore e transistor. Ciò permette di gestire correnti complessive elevate (necessarie per caricare batterie di grande capacità) utilizzando componenti più piccoli e con minore dissipazione per ciascun ramo.
- Le ondulazioni di corrente e tensione (ripple) sia lato ingresso (pannello solare) che lato uscita (batteria) risultano notevolmente attenuate grazie alla sfasatura. Le armoniche di ripple di ciascun fase tendono a cancellarsi parzialmente tra loro. Un ripple ridotto significa minori perdite nei condensatori e una migliore qualità della corrente erogata al pannello e alla batteria.
- La risposta dinamica del sistema migliora, dato che aumentando il numero di fasi il convertitore può reagire più rapidamente alle variazioni di carico o di irradiamento. Essenzialmente, si ottiene una frequenza equivalente di ripple più alta, facilitando il filtraggio e il controllo.
- Vi è una certa intrinseca ridondanza: se una fase del convertitore interleaved dovesse guastarsi, le restanti possono in alcuni casi continuare a operare (ovviamente con capacità ridotta), aumentando la robustezza del sistema off-grid.
Le innovazioni recenti riguardano l’ottimizzazione del controllo di corrente ripartito tra le fasi e l’introduzione di induttanze accoppiate tra le fasi che permettono di ridurre ulteriormente il ripple condividendo parte del flusso magnetico. Studi recenti hanno proposto anche convertitori buck/boost interleaved bidirezionali per gestire sia la carica che la scarica di batterie in microreti DC ad alta efficienza.
Convertitori a Impedenza-Z (Z-Source)
I convertitori a impedenza-Z (Z-Source) costituiscono una categoria innovativa di convertitori sia DC/AC che DC/DC. In particolare, sono caratterizzati dalla presenza di una rete di impedenza (tipicamente composta da due induttori e due condensatori disposti a forma di “X”) tra la sorgente di ingresso e il ponte di conversione. Introdotti inizialmente come inverter Z-source, hanno la peculiare capacità di funzionare sia da buck (riduttori) sia da boost (elevatori) di tensione nello stesso stadio di potenza. Senza bisogno di un convertitore DC/DC separato a monte del ponte inverter.
Questo comportamento è reso possibile grazie alla modalità di shoot-through controllato: nei momenti in cui entrambi i transistor di un ramo del ponte sono chiusi contemporaneamente (condizione normalmente vietata negli inverter tradizionali), l’energia viene immagazzinata nella rete di impedenza e la tensione di uscita può essere spinta oltre la tensione di ingresso.
Vantaggi e innovazioni
In pratica, un inverter Z-source può elevare la tensione di un banco batterie o di un array fotovoltaico di valore inferiore fino al livello richiesto per generare la tensione AC desiderata, il tutto con un singolo stadio. Questo comporta un aumento dell’efficienza e una riduzione dei componenti complessivi rispetto a soluzioni tradizionali (che avrebbero ad esempio un booster DC/DC seguito da un inverter). Inoltre, la rete a Z fornisce un filtro LC che protegge il ponte inverter. Gli Z-source inverter sono intrinsecamente più robusti rispetto ai cortocircuiti e ai disturbi, potendo “cavalcare” guasti temporanei senza danneggiare i semiconduttori.
Le ultime innovazioni sui convertitori a impedenza-Z includono versioni quasi-Z-source con componenti ridotti e corrente di ingresso continua, e implementazioni multilivello che combinano la rete Z con inverter a più livelli per aumentare ulteriormente l’efficienza e la qualità d’onda. Inoltre, nuovi schemi di controllo vettoriale e ad orientamento di fase per gli Z-source inverter permettono una migliore gestione in tempo reale, riducendo la distorsione armonica e migliorando la stabilità in sistemi isolati.
Flyback con Active Clamp
Nelle applicazioni a potenze più contenute o per alimentatori ausiliari all’interno dei sistemi off-grid, riveste importanza la topologia flyback (a rimbalzo) e le sue evoluzioni. In particolare, il flyback con active clamp (ACF) è emerso negli ultimi anni come una delle soluzioni più efficienti per convertitori DC/DC isolati di bassa e media potenza.
Nella topologia flyback tradizionale, l’energia accumulata nell’induttanza di dispersione del trasformatore viene dissipata su un circuito di snubber (clamp passivo a resistenza e diodo) per limitare i picchi di tensione sul transistor principale. L’active clamp sostituisce questo snubber con un circuito attivo composto da un MOSFET di clamp e un condensatore: il MOSFET di clamp si aziona in modo da permettere alla corrente di dispersione di circolare nel condensatore e restituire energia al circuito, anziché disperderla in calore.
Vantaggi e innovazioni
I vantaggi dell’architettura active clamp flyback sono molteplici. In primo luogo, eliminando la dissipazione sullo snubber, l’efficienza migliora sensibilmente (studi comparativi mostrano riduzioni di perdite anche del 20% rispetto a un flyback tradizionale). In secondo luogo, il MOSFET di clamp crea condizioni di quasi risonanza durante il reset del trasformatore, consentendo commutazioni a zero tensione (ZVS) o quasi-ZVS per il transistor principale durante l’accensione successiva. Ciò riduce drasticamente le perdite di commutazione e le emissioni elettromagnetiche (EMI), permettendo di incrementare la frequenza di switching. Ma riduce anche lo stress sul dispositivo primario: i picchi di tensione vengono limitati attivamente, il che consente anche di usare dispositivi con tensione nominale inferiore o di aumentare il rapporto di trasformazione per ottenere uscite più elevate senza penalizzazioni eccessive.
Le novità recenti per i flyback ACF includono l’adozione estesa di transistor GaN anche in questo schema. Grazie all’assenza di carica di reverse recovery, i GaN ottimizzano ulteriormente la commutazione risonante dell’active clamp, consentendo frequenze di switching nell’ordine dei MHz con efficienze vicine al 95%.
Nel contesto off-grid, un convertitore flyback active clamp può essere usato come regolatore di carica per piccoli sistemi solari isolati (ad esempio kit solari domestici). Ma anche come alimentatore ausiliario nei sistemi di controllo (generando le varie tensioni per i controllori, sensori, relè) o in generale in tutti quei punti in cui serve un isolamento galvanico e costi contenuti con efficienza elevata.
Altre Configurazioni Avanzate
Oltre alle topologie citate, esistono altre configurazioni avanzate di convertitori che trovano impiego o interesse nei sistemi di potenza off-grid:
- Convertitori Multilivello: Per applicazioni off-grid di potenza elevata o in microreti trifase, si considerano spesso inverter multilivello (come topologie NPC a 3 livelli o H-bridge in cascata) per ottenere tensioni AC di migliore qualità con minore sforzo sui componenti.
- Convertitori Matrix e AC/AC diretti: In alcuni scenari (ad esempio collegare un generatore eolico AC a frequenza variabile a un bus AC off-grid) possono essere impiegati convertitori matrix o altri convertitori AC/AC a matrice di switch, che evitano la tappa intermedia in DC.
- Convertitori Multi-porta: Una tendenza interessante è lo sviluppo di convertitori singoli in grado di gestire più ingressi e uscite contemporaneamente. Ad esempio, convertitori DC/DC multi-porta possono collegare in un’unica architettura il pannello fotovoltaico, la batteria e il carico DC, regolando automaticamente i flussi tra essi.
Veicoli Elettrici e Ricarica Bidirezionale a Supporto dell’Off-Grid
Una delle tendenze più interessanti e innovative nell’ambito dell’energia distribuita è l’utilizzo dei veicoli elettrici (EV) come risorse energetiche mobili, tramite la ricarica bidirezionale. In pratica, un’auto elettrica può funzionare non solo come carico (assorbendo energia per ricaricare la propria batteria), ma anche come sorgente di energia per la casa o la rete quando necessario. Questa idea, nota come Vehicle-to-Home (V2H) o Vehicle-to-Grid (V2G) a seconda che l’energia vada a un’utenza domestica o alla rete pubblica, trasforma l’EV in un vero e proprio accumulatore su ruote multiuso.
Per i sistemi off-grid, la ricarica bidirezionale rappresenta un’opportunità di integrazione sinergica tra fotovoltaico, batterie fisse e batterie mobili: ad esempio, durante il giorno un impianto FV isolato può non solo caricare le batterie stazionarie ma anche un veicolo elettrico; la sera, in caso di necessità, l’energia immagazzinata nel veicolo può essere restituita alla casa, estendendo l’autonomia dell’impianto isolato.
Ostacoli e aggiornamenti
Dal punto di vista tecnico, abilitare la ricarica bidirezionale richiede inverter/caricabatterie bidirezionali specializzati. Questi dispositivi devono poter funzionare in modalità inverter (erogando potenza dall’auto verso la casa) con onda sinusoidale pulita e funzione di isola, sincronizzandosi con l’impianto off-grid esistente.
Molti veicoli elettrici di ultima generazione iniziano a supportare il V2H/V2G, ma serve anche un’infrastruttura compatibile: wallbox bidirezionali o colonnine V2G capaci di gestire lo scambio. Attualmente le soluzioni più mature utilizzano la connessione DC (standard CHAdeMO o CCS Combo con protocollo ISO 15118-20) per trasferire energia in modo controllato e sicuro. In un contesto off-grid, il caricatore bidirezionale opererà in modo “grid-forming”, ossia mantenendo tensione e frequenza stabile quando alimenta i carichi dell’abitazione in assenza di altre fonti attive.
Barriere normative che in passato frenavano il V2G (ad esempio la doppia tassazione dell’energia prelevata e reimmessa) sono state rimosse, e si attende entro il 2025 l’emanazione della legge “TiDE” che autorizzerà i veicoli elettrici a fornire servizi di flessibilità alla rete. Sebbene tali sviluppi riguardino la connessione alla rete pubblica, la loro ricaduta indiretta per i sistemi off-grid è l’arrivo sul mercato di dispositivi e veicoli già predisposti per l’uso bidirezionale.
Conclusioni
I sistemi di potenza off-grid rappresentano oggi una risposta concreta e avanzata alle sfide energetiche globali. Grazie alle più recenti innovazioni nell’elettronica di potenza – dai convertitori LLC e buck interleaved, ai sistemi Z-source e flyback active clamp – è possibile realizzare soluzioni autonome, efficienti e altamente affidabili. L’integrazione della ricarica bidirezionale dei veicoli elettrici costituisce inoltre un importante passo avanti verso sistemi più flessibili e resilienti. In un futuro sempre più decentralizzato, sarà proprio la capacità di progettare e gestire efficacemente queste tecnologie avanzate a fare la differenza. Perché, come ormai tutti hanno compreso, la vera sfida dell’energia off-grid non è generarla, ma gestirla al meglio.
