La vendetta di Edison: l'ascesa della corrente continua

Nel 1903, come ultimo disperato tentativo di mantenere la corrente continua come standard per la distribuzione di elettricità negli Stati Uniti, Thomas Edison presiedette a un famigerato evento inteso in parte a dimostrare il pericolo della corrente alternata: l'elettrocuzione di Topsy, un elefante da circo considerata una minaccia per l'uomo, da una carica di 6.600 volt CA. L'acrobazia di Edison era pura allarmismo (la corrente continua è ugualmente pericolosa ad alta tensione) e ha fallito: la nostra rete oggi è principalmente CA.

Ma poco più di un secolo dopo il crollo di Topsy, è AC che sembra sempre più traballante. Grazie al crescente consumo di energia da parte dei dispositivi digitali di ogni tipo, la corrente continua sta tornando di moda, questa volta per i suoi meriti.

Tutto ciò che utilizza i transistor si basa sulla corrente continua, il flusso di elettricità in una direzione. Questo spiega perché PC, iPhone e TV a schermo piatto sono tutti dotati di convertitori per trasformare la corrente alternata nelle prese a muro (che inverte la direzione 120 volte al secondo) in corrente continua.

Tali dispositivi digitali di consumo rappresentano oggi fino a un quinto del consumo totale di energia, secondo Greg Reed, direttore della Power & Energy Initiative presso l'Università di Pittsburgh. Reed afferma che la forte curva di crescita dell'alimentazione CC è dovuta non solo ai computer ma anche alla diffusione di dispositivi come LED e pannelli solari.

Entro i prossimi 20 anni potremmo sicuramente vedere che fino al 50 percento dei nostri carichi totali sarà costituito dal consumo di CC, afferma. Sta accelerando anche più di quanto ci aspettassimo.

Con il crescente numero di dispositivi che generano e utilizzano corrente continua, afferma Reed, si presenta una grande opportunità per risparmiare energia. Distribuendo l'alimentazione CC ai dispositivi CC invece di convertirla in CA lungo il percorso, è possibile evitare sostanziali perdite di energia che si verificano ogni volta che l'elettricità viene convertita.

Alcune strutture pesanti per l'elettronica stanno ora sviluppando microgrid completamente CC per fornire energia agli utenti. Considera i piani per una microrete DC presso l'Università cinese di Xiamen, annunciati a marzo. Una rete elettrica autonoma si estenderà su tre edifici del campus, collegando un pannello solare sul tetto da 150 kilowatt a sistemi di illuminazione a LED e banche di server informatici.

La diffusione dei veicoli elettrici potrebbe rendere ancora più importante la corrente continua: le auto elettriche si caricano a corrente continua e richiedono notevoli quantità di energia. Dragan Maksimovic, un esperto di elettronica di potenza presso l'Università del Colorado a Boulder, stima che i caricabatterie per veicoli a energia solare che il suo gruppo sta sviluppando dovrebbero ridurre le perdite di potenza dal 10% di ciò che i pannelli producono ad appena il 2%. Maksimovic sta collaborando con Satcon, un produttore di convertitori di potenza, e ha finanziamenti dalla Hawaii Renewable Energy Development Venture; il team prevede di installare caricabatterie solari questa primavera in un resort sull'isola hawaiana di Lanai.

Un altro driver per DC sono i data center che gestiscono Internet e le reti di telecomunicazioni. Le grandi aziende informatiche ora consumano più dell'1,3% dell'elettricità in tutto il mondo e questa cifra è in rapida crescita. L'alimentazione in ingresso è AC e deve essere convertita. Invece di avere convertitori di alimentazione su ogni computer, alcune aziende installano grandi convertitori centralizzati e distribuiscono alimentazione a 380 volt CC attraverso le loro server farm. Il gigante giapponese delle telecomunicazioni NTT ha quattro data center nella regione di Tokyo che operano su DC; l'anno scorso ha completato un centro server basato su DC ad Atsugi City, a sud-ovest di Tokyo, che è il primo a servire clienti esterni.

Il risparmio energetico si ottiene in gran parte sostituendo i convertitori AC-DC collegati ai singoli server con inverter centralizzati più efficienti. Secondo Keiichi Hirose, un ingegnere di ricerca senior presso le strutture NTT di Tokyo, realizzare questo interruttore ed eliminare i convertitori AC-DC sui sistemi di backup della batteria ha ridotto il consumo energetico del 15% rispetto alle configurazioni AC convenzionali. Intel ha valutato il risparmio energetico annuale per un data center di medie dimensioni negli Stati Uniti a 1,2 milioni di dollari, e il valore dovrebbe essere considerevolmente maggiore in Giappone e in Europa, dove i prezzi dell'energia sono più alti.

Anche i circuiti di illuminazione DC stanno prendendo piede. Emerge Alliance, un consorzio con sede a San Ramon, in California, che sostiene la distribuzione dell'alimentazione CC negli edifici commerciali, ha stabilito uno standard per i circuiti del soffitto a 24 volt CC e afferma che l'esecuzione di plafoniere a LED su linee CC utilizza fino al 15% in meno di energia piuttosto che fare l'interruttore AC-DC all'interno degli apparecchi. Emerge sta ora lavorando per portare l'alimentazione CC sui desktop dei dipendenti, consentendo loro di collegare computer o telefoni senza la necessità di convertitori a caldo.

La ribellione DC si diffonderà oltre gli edifici per prendere il controllo delle linee più grandi che alimentano quartieri, città e oltre, come sperava una volta Edison? Molti esperti di potenza sono scettici. La corrente alternata è lo standard per la trasmissione di elettricità intorno alla rete e molti dispositivi, come i motori elettrici, si prestano all'alimentazione CA. Non credo che ci sarà una trasformazione totale del sistema di alimentazione in DC, afferma Maksimovic di UC Boulder.

Ma altri, come Reed, vedono un'acquisizione della DC come inevitabile. Nota che le linee di trasmissione utilizzano sempre più l'alimentazione CC, perché le linee CC ad alta tensione (HVDC) sono più facili da controllare e hanno perdite inferiori rispetto alle linee CA. Le linee a lunga distanza sono spesso la chiave per sfruttare le risorse rinnovabili situate lontano dalle città bisognose di energia, come l'energia eolica e solare.

L'espansione della distribuzione dell'alimentazione CC ai livelli superiore e inferiore della catena alimentare elettrica crea un'opportunità per colmare il divario con la distribuzione regionale anche in CC, proprio come una volta immaginava Edison. Reed osserva che la conversione dell'alimentazione CA ad alta tensione in 120 volt per uso residenziale porta a perdite di circa il 5% superiori rispetto ai sistemi CC equivalenti. Se hai HVDC da una parte e il consumo CC dall'altra, questo diventa un abilitatore per la CC a media tensione tra di loro, dice.

Con risparmi del genere, Reed prevede che la prima fornitura diretta di alimentazione CC dalla linea ad alta tensione all'utente finale potrebbe non essere così lontana, specialmente nelle economie in rapido sviluppo che stanno costruendo nuove infrastrutture elettriche. Penso che siamo a 10 anni da qui, dice, e da tre a cinque anni in Cina.

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