Verso una nuova energia

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Microelettronica e innovazione tecnologica per l'energia e l'ambiente: il ruolo della STMicroelectronics

In Italia è presente uno dei primi cinque colossi mondiali della microelettronica, con due importanti poli produttivi nelle provincie di Milano e Catania, laboratori di ricerca tecnologica avanzata e di applicazione. Una delle sue priorità strategiche mira alla realizzazione di soluzioni capaci di favorire l’efficienza energetica.


Il processo tecnologico ha contribuito molto a migliorare la qualità della nostra vita. Siamo continuamente accompagnati e assistiti, anche nelle più normali attività quotidiane, da una serie infinita di gadget di cui non potremmo fare a meno. Inevitabilmente, però, questi piccoli ma indispensabili ausili tecnologici assorbono potenza elettrica, e hanno prodotto, nel tempo, un aumento esponenziale del consumo mondiale di energia. Oggi, di fronte a un andamento scarsamente prevedibile del prezzo del petrolio, con pesanti impatti su tutte le economie mondiali e in vista di un pericolo non così remoto dell’esaurimento delle tradizionali fonti energetiche, è necessario un serio ripensamento. Si devono analizzare in maniera seria e scientificamente accurata le possibilità di impiego di fonti energetiche rinnovabili e alternative. Soprattutto, però, è urgente utilizzare tutte le tecnologie a nostra disposizione per migliorare l’efficienza energetica di macchine, impianti e dispositivi. Un problema che si può affrontare con decisione e risolvere, utilizzando la microelettronica. In Italia è presente uno dei primi cinque colossi mondiali della microelettronica, con due importanti poli produttivi nelle provincie di Milano e Catania, laboratori di ricerca tecnologica avanzata e di applicazione: la STMicroelectronics. Con un fatturato di 8.5 miliardi di dollari nel 2009, la STMicroelectronics ha definito chiaramente le sue priorità strategiche. Una di queste priorità incentrata sulla potenza, appunto, mira anche alla realizzazione di soluzioni capaci di favorire l’efficienza energetica.


Eccellenza sostenibile e validi motivi di business
I motivi di questa scelta sono profondamente radicati nella cultura di eccellenza sostenibile della società, ma hanno anche una solida base di business. Alcuni numeri possono servire a motivare questa affermazione. Prendiamo come esempio l’Unione Europea, che pur rappresentando solo il 7,2% della popolazione mondiale consuma il 16% dell’energia. L’obiettivo che si è data, sociale ma anche economico, è ridurre i consumi del 20% entro il 2020: questo significa ridurre il costo della bolletta, ma soprattutto diminuire le immissioni di CO2 in atmosfera di circa 780 tonnellate in un anno. Il 55% del consumo di energia elettrica è destinato a pilotare motori in applicazioni che vanno dagli elettrodomestici, ai treni, ai sistemi per l’industria pesante. Un altro 21% viene consumato per l’illuminazione; il restante 24% è destinato all’alimentazione di apparati e sistemi di ogni tipo. Nella maggior parte dei casi si tratta di applicazioni basate su architetture di sistema, topologie circuitali e dispositivi microelettronici sviluppati parecchio tempo fa, quando nessuno si preoccupava realmente di risparmiare sui consumi elettrici. L’applicazione delle innovazioni più avanzate, di architetture ottimizzate anche a livello di sistema e di algoritmi sofisticati permettono di risparmiare fino al 40% dei consumi nel pilotaggio motori elettrici e il 25% dell’energia destinata all’illuminazione. Chi è in grado di realizzare le soluzioni necessarie per raggiungere questi traguardi ottiene un duplice obiettivo: avere la strada spianata a un grande successo commerciale in un mercato che offre eccellenti opportunità di business, e contribuire al benessere del pianeta.


Tecnologie di base e architetture di sistema progettate ad hoc
La STMicroelectronics è da tempo leader nel settore della conversione dell’energia. È stata la prima società a sviluppare su scala industriale e a commercializzare in grandi volumi le cosiddette tecnologie di “potenza intelligente” che uniscono la capacità di calcolo delle strutture digitali alla gestione delle potenze elevate dei componenti bipolari e analogici. Ha anche capito che per massimizzare l’efficienza energetica non basta lavorare sullo sviluppo delle tecnologie di base, ma è indispensabile ripensare la progettazione complessiva del sistema. Per questo ha deciso di mettere le proprie competenze a disposizione dei clienti e sviluppare, insieme, applicazioni che rispondono alle richieste di un pubblico di consumatori e utenti sempre più difficile da soddisfare, minimizzando i consumi.


Pannelli solariGenerazione dell’energia
Nel settore della generazione dell’energia, la STMicroelectronics ha grandi competenze nel settore delle nanotecnologie che, fra l’altro, possono essere utilizzate per aumentare l’efficienza dei pannelli solari a film sottile su substrato flessibile.

Queste competenze sono presenti anche nel settore dell’elettronica di controllo dei pannelli: un’altra maniera per aumentarne l’efficienza.

Per esempio, sistemi che sono in grado di ottimizzare in modo intelligente la “cattura” dell’energia solare grazie a sofisticate elaborazioni per tenere conto di eventuali zone d’ombra (una foglia o un ostacolo che oscura parzialmente una cella).



Conversione e utilizzo dell’energia
Nei sistemi per la conversione e per l’utilizzo efficiente di energia, la STMicroelectronics ha una lunghissima serie di record ottenuti con continui investimenti in ricerca e sviluppo. Nella microelettronica di base, per esempio, l’evoluzione nel settore dei Mosfet di Potenza ha permesso di ridurne i consumi dell’82% circa in 10 anni. E si tratta di componenti indispensabili per moltissimi sistemi di attuazione. Nelle applicazioni di pilotaggio dei motori, vengono proposte soluzioni con inverter capaci di fornire energia al motore in modo graduale in base alle esigenze, sotto il controllo di microcontrollori sofisticati e sfruttando una rete di sensori e termostati installati nel sistema. In questo modo si può automatizzare una fabbrica, rendendo efficiente il funzionamento di macchinari energivori.


Una casa sempre più verde
Anche tra le mura domestiche si possono ottenere grandi risparmi. Per esempio, l’elettronica di controllo può regolare il funzionamento della lavatrice in base al carico effettivo. Il vantaggio è una maggiore efficienza, ma anche un uso ottimizzato dei detergenti e della quantità di acqua con un impatto positivo per l’ambiente. Nel mondo dell’illuminazione, i nuovi sistemi LED hanno permesso di fare grandi passi in avanti. Una fonte luminosa LED di ultima generazione genera più di 100 lumen per ogni Watt di potenza assorbita: una luminosità quasi dieci volte maggiore dei 15 lumen per Watt di una normale lampadina a incandescenza, a parità di consumo. I circuiti integrati ad alta tensione (700V) della STMicroelectronics per i cosiddetti ballast, indispensabili per l’accensione di lampade al neon, sfruttano una tecnologia BCD proprietaria e aiutano a risparmiare fino all’80% nei consumi. Si sta studiando anche un ballast intelligente che integra un microcontrollore: il chip, montato all’interno del punto luce, potrà regolare la luminosità e comunicare con l’eventuale centrale di automazione domestica. Il progetto è in fase di realizzazione con uno dei principali attori di questo mercato. La casa “verde” è un sistema che si adatta all’ambiente. I sensori rilevano le condizioni di luce, calore, umidità esterna. I microcontrollori le analizzano e, tenendo conto delle preferenze dell’utente, regolano il riscaldamento, chiudono o aprono le imposte, attenuano la luce. Le smart plug, le “prese” di corrente e i contatori intelligenti regolano i consumi in base alle reali necessità e alle fasce di tariffazione più convenienti per l’utente.


Un po’ di numeri
Tutti questi accorgimenti hanno un impatto enorme sull’ambiente, oltre che sul portafoglio. Qualche numero. Gli obiettivi che si è data l’Unione Europa per il 2020, portando a regime le normative per l’efficienza energetica e la riduzione dell’impatto ambientale, daranno buoni frutti. L’adozione di elettrodomestici di nuova generazione permetterà di risparmiare 51TWh. Un numero che equivale all’attuale consumo annuo cumulato di Portogallo e Lettonia. La riduzione del consumo in stand-by a meno di 1mW, secondo la nuova normativa, sulle apparecchiature elettroniche nelle nostre case (che non dormono mai… anche quando sono spente hanno la “lucina rossa” perennemente accesa) potrà permettere un risparmio di 35 TWh: il consumo annuo della Danimarca. Ma si potrà fare ancora molto di più. Basti pensare che già oggi un frigorifero, basato su tutti i chip più avanzati (ma già in produzione) della STMicroelectronics offre un risparmio annuo anche di 250 kWh rispetto ai modelli tradizionali. Un numero che si tradurrebbe in 9000 GWh all’anno in Europa, se tutte le apparecchiature di questo tipo attualmente in funzione venissero convertite. Un risparmio di 5 milioni di tonnellate di CO2, cioè l’emissione complessiva di un milione di automobili che percorrono 30.000 chilometri all’anno.


Smart grid: verso una rete intelligente
Una ulteriore evoluzione è la realizzazione di una “rete intelligente per l’energia”, o smart grid. La necessità di ottimizzare i consumi e la continua spinta alla ricerca di fonti di energia rinnovabile richiederà alla rete elettrica di rispondere ad alcune esigenze precise. Da un lato ogni “terminale” (ad esempio, un’abitazione o un’industria) non sarà solo un punto di consumo ma potrà produrre autonomamente energia, da immettere in rete a disposizione degli altri utenti. D’altra parte sarà necessario pianificare la domanda e l’offerta in modo ottimale, per evitare sovraccarichi stagionali ed eventuali blackout. Un ruolo fondamentale avranno quindi i contatori elettronici intelligenti. Non permetteranno solo di misurare i consumi dell’utente, per pianificarli in base alle diverse fasce orarie e alle esigenze. Comunicheranno anche bidirezionalmente informazioni al mondo esterno, per ottimizzare un meccanismo continuo di “scambi” di energia in ingresso e uscita, armonizzandolo con il resto della rete. E non è fanta scienza. Si tratta di soluzioni tecnicamente realizzabili, che si basano imprescindibilmente sulle tecnologie microelettroniche a semiconduttori. La STMicroelectronics, per esempio, ha già messo a punto alcuni componenti per la trasmissione veloce di dati lungo le linee elettriche. E i chip della STMicroelectronics sono stati scelti, in Italia e Spagna, per la diffusione massiccia della prima generazione di contatori elettronici intelligenti. I traguardi di efficienza fissati per il 2020 non sono irraggiungibili. La STMicroelectronics è pronta a giocare un ruolo da protagonista, con le sue consolidate tecnologie e prodotti di successo.

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