Il sistema di energia solare di un satellite nelle nostre case

da | Dic 23, 2015 | Esperti | 0 commenti

Partendo dalla descrizione di un sistema elettrico (Power) di un satellite, questo articolo promosso da www.sobenio.com e scritto da due esperti nel settore spazio e istallazioni rinnovabili, propone una similitudine tra il funzionamento di un satellite e i sistemi a energia solare che alimentano molte abitazioni. L’articolo pone l’attenzione sul valore del trasferimento di competenze tra settori e in particolare sull’importanza dello studio dei modi d’uso degli utenti come base del dimensionamento degli impianti siano essi satellitari o abitativi.

I satelliti artificiali come i satelliti GALILEO, le sonde interplanetarie come Mars Express, Venus Express, Rosetta e la stessa stazione spaziale ISS, utilizzano i pannelli solari per fornire l’energia ai propri sistemi di bordo e compiere le operazioni previste nelle rispettive missioni. Questi sistemi richiedono un attento dimensionamento per garantire l’energia necessaria in tutte le fase operative, senza che nulla vada sprecato o trasportato inutilmente.

Il sistema Power che alimenta un satellite è composto da tre parti: i pannelli solari che convertono l’energia solare in energia elettrica; le batterie che accumulano l’energia elettrica nella fasi in cui questa non viene utilizzata; il sistema di controllo che stabilizza il voltaggio e smista l’energia generata dai pannelli tra le batterie e il carico, ovvero i sistemi di bordo che devono essere alimentati.

Ognuna di queste parti è dimensionata opportunamente (superficie dei pannelli e capacità delle batterie) per rispettare gli stringenti budget di peso richiesti dal lanciatore che metterà in orbita il satellite. Vincolati dalla massa che deve essere ridotta al minimo, i progettisti devono tener conto degli obiettivi di missione e dei modi d’uso operativo per poter dimensionare il sistema.

Ogni aspetto viene accuratamente modellato e simulato per determinare la potenza necessaria istante per istante e l’energia necessaria affinché al termine di ogni fase (per esempio potremmo considerare come fase un’orbita) quanto erogato dalle batterie e dai pannelli solari sia pari a quanto consumato dal satellite più un certo margine di sicurezza.

Per farlo gli ingegneri studiano le fasi di volo (lancio, immissione in orbita, viaggio interplanetario, routine in orbita, contingenze, etc), ma soprattutto scambiano informazioni con gli operatori e gli scienziati degli strumenti, gli stessi che in futuro guideranno il satellite pianificando cosa accendere e spegnere per ottenere i risultati scientifici per cui il satellite viene realizzato e messo in orbita.

Pianificare diventa un concetto vitale durante le stagioni delle eclissi, ovvero in quei periodi in cui il piano orbitale dei satelliti planetari è tale che il satellite, per un certo tempo, viene oscurato dal pianeta stesso e non riceve più energia dal sole. Durante le eclissi, le batterie alimentano il satellite scaricandosi e gli operatori controllano con attenzione i dati ricevuti (voltaggio batterie, stato di carica/scarica, corrente, temperatura e consumo del carico) e adottano profili di missione diversi (ovvero richiesta di potenza ed energia da parte del carico) nel caso in cui il consumo di energia non permetta di ricaricare completamente le batterie nel periodo di illuminazione, prima che inizi la prossima eclisse. Se le batterie non si ricaricassero completamente, orbita dopo orbita il loro livello di scarica diventerebbe sempre più profondo al punto tale di mettere a rischio la vita del satellite che entrerebbe in uno stato di salvaguardia per protezione (Safe Mode), una specie di blackout!

Per tornare dallo spazio alla terra, quanto descritto è molto simile allo scenario che si ritrova in un impianto solare per abitazioni (orbita satellite = giorno e notte, eclissi = notte, distanza dal sole = condizioni climatiche o fattore sole), ed il lavoro svolto dagli operatori satellitari è simile al lavoro svolto del gestore della rete elettrica o, ad un livello più ristretto, a quanto potrebbe essere fatto da un sistema di gestione automatizzato in un’abitazione dotata di pannelli solari e dispositivi di accumulo.

Il gestore della rete elettrica deve quotidianamente mantenere l’approvvigionamento energetico uguale alla domanda di energia da parte degli utenti. Su larga scala questo si fa pianificando la domanda e spegnendo o accendendo le sorgenti di energia (centrali elettriche, nucleari, geotermiche, rinnovabili) in base alla richiesta. Di giorno molte centrali saranno in funzione a pieno regime per soddisfare la domanda di imprese e utenti privati. La notte alcune verranno scollegate data la minore richiesta di energia. Non avendo sistemi di accumulo tali da far fronte a repentine e impreviste richieste di energia, questa operazione è estremamente critica per il gestore della rete che deve evitare picchi di domanda o offerta che potrebbero causare blackout su vaste aree.

A livello di singola abitazione, molti degli impianti solari odierni sono connessi alla rete della casa e alla rete del gestore. Quando il sole fornisce energia a sufficienza, questa viene usata dalle utenze domestiche e quella che rimane in eccesso viene venduta al gestore. Durante la notte è il gestore che alimenta l’abitazione.

Se l’abitazione fosse dotata di sistemi di accumulo dell’energia (batterie o condensatori), il sistema funzionerebbe esattamente come un satellite, in cui l’energia in eccesso accumulata nelle batterie verrebbe utilizzata al bisogno, ad esempio durante la notte. Gli impianti solari odierni tendono ad essere sovradimensionati tanto che l’energia in una giornata di sole è quasi esclusivamente restituita alla rete poiché con molta probabilità nelle stesse fasce orarie noi siamo fuori casa e il nostro consumo è ridotto al minimo. Con abitazioni dotate di sistemi di accumulo, l’energia in queste ore verrebbe immagazzinata e utilizzata durante la nostra presenza in casa (sera e notte) per alimentare le utenze senza ricorrere allo scambio con il gestore della rete o di farlo solo in caso di emergenza.

Per continuare la similitudine, anche in fase di progettazione degli impianti si potrebbero applicare le stesse tecniche di ottimizzazione viste per un satellite studiando gli obiettivi di missione e modo d’uso operativo. Gli obiettivi di missione nel caso abitativo rappresentano la disponibilità energetica durante l’anno a seconda dell’area geografica e delle condizioni climatiche del luogo (cosa che viene fatta da molti installatori). Il modo d’uso operativo rappresenta lo stile di vita degli utenti nell’abitazione ovvero del loro modo di gestire l’energia e chiedere potenza al proprio impianto (cosa che viene fatta su dati statistici ma non dettagliati o correlati alla disponibilità della rinnovabile in quel momento).

Studiando il nostro stile di utilizzo dell’energia potremmo dimensionare gli impianti in maniera molto accurata e “lean”, senza ricorrere a enormi superfici di pannelli e potenze di picco che solo raramente andremo a utilizzare (esempio: forno elettrico, scalda acqua e asciugacapelli accessi contemporaneamente) e riducendo al minimo gli scambi con il gestore. Nel caso in cui volessimo utilizzare molta potenza, l’azione combinata di pannelli e batterie sarebbe comunque capace di far fronte ai nostri bisogni extra per diversi minuti se non per ore.

 

Come un operatore satellitare dovremmo essere noi a conoscere e pianificare i nostri consumi affinché questi avvengano quando il nostro impianto sarà capace di sostenerli. Sistemi automatici di controllo intelligente potrebbero aiutarci nella gestione dei dispositivi (molte imprese stanno facendo molto in questa direzione). Studiare e conoscere esattamente gli usi dell’utente fornirebbe ulteriori informazioni per il miglioramento o la ri-qualificazioni di impianti anche datati.

Sono molti i punti aperti e le domande da rispondere affinché questi sistemi diventino un’innovazione per molti. Da un punto di vista tecnologico i nodi da sciogliere sono l’abbattimento dei costi degli impianti, la sostenibilità ambientale con la domanda più importante legata a come smaltire le batterie e i pannelli a fine vita. Da un punto di vista sociale poi, ci sentiamo pronti a pianificare il modo in cui usiamo l’energia?

Non possiamo dare ora le risposte alle molte domande aperte, ma crediamo che se con solo 700W di potenza massima Mar Express vola da 12 anni intono a Marte, ha mappato e fotografato la superficie dell’intero pianeta, ha scoperto e confermato la presenza di acqua e molto altro ancora, forse anche con meno di 1.5kW di pannelli solari installati sul nostro tetto potremmo vivere e continuare a usare i nostri dispositivi comodamente nelle nostre case, riducendo al minimo il bisogno di accesso alla rete elettrica e il tutto con un investimento sostenibile.