L'elettrificazione è un pilastro fondamentale nella transizione energetica verso un'economia a basse emissioni di carbonio, essendo cruciale per mitigare i cambiamenti climatici che riducono drasticamente le emissioni di gas serra derivanti dalla combustione di combustibili fossili. Questa trasformazione è spinta da forti motivazioni ambientali e dalla ricerca di maggiore efficienza energetica e sicurezza operativa.
[Figura 1 - Esempi di elettrificazione]
Diversi settori industriali sono stati profondamente influenzati, inclusi i trasporti, con l'ascesa dei veicoli elettrici; l'edilizia, attraverso sistemi di climatizzazione e riscaldamento elettrici; la manifattura, con l'adozione di motori, forni e processi produttivi elettrificati; e persino l'agricoltura, che inizia a incorporare macchinari e sistemi elettrici per ottimizzare le proprie operazioni e ridurre il proprio impatto ambientale.
Nonostante i numerosi benefici, il processo di elettrificazione affronta difficoltà considerevoli, come l'alto costo iniziale di investimento in nuove tecnologie e infrastrutture di ricarica, la necessità di modernizzare ed espandere le reti elettriche per sostenere l'aumento della domanda, e le sfide legate allo sviluppo e alla catena di fornitura di batterie più efficienti ed accessibili.
Elettrificazione dalla Generazione al Consumo
Il concetto di elettrificazione, nella sua forma più semplice, consiste nella sostituzione dell'uso di fonti di energia convenzionali a base di combustibili fossili con l'elettricità, proveniente principalmente da fonti di energia rinnovabili, con l'obiettivo di raggiungere metriche minime di sostenibilità ed emissione di carbonio in accordo con le pratiche ESG (Ambientale, Sociale e di Governance).
Per sua natura, e in modo diretto, si ha in mente la sostituzione dei sistemi motrici che utilizzano la combustione per il loro funzionamento con motori elettrici, coprendo principalmente il settore della mobilità elettrica (auto, moto, autobus) e industriale (soprattutto per quanto riguarda i processi di riscaldamento elettrico nei trattamenti di metalli e minerali, ventilazione, motorizzazione di processi). Di conseguenza, l'attenzione si concentra sullo sviluppo di motori elettrici ad alto rendimento, alte prestazioni e alta densità di potenza.
Tuttavia, avendo come principio la riduzione dell'emissione di gas serra e riflettendo ciò sulla catena energetica produttiva, l'elettrificazione ha i suoi impatti anche sul modo in cui l'energia viene generata attraverso le fonti rinnovabili (come solare, eolica, idrica e geotermica in sostituzione di fonti non rinnovabili, come carbone, gas naturale e petrolio).
Considerando l'elettrificazione intensiva nel consumo di energia, l'aumento di armoniche nella rete a causa dell'utilizzo di inverter di frequenza e anche la decentralizzazione della generazione di energia, entrano in gioco nuovi paradigmi in relazione alla trasmissione e distribuzione di energia, soprattutto in relazione alla progettazione di componenti come trasformatori e cavi elettrici che devono essere dimensionati in base a nuovi requisiti di sicurezza operativa.
Nonostante ciò, l'elettrificazione non si limita solo alla questione motrice, ma deve essere considerato anche l'intero ecosistema in cui si inserisce in termini di: elettronica di potenza, fenomeni di compatibilità elettromagnetica, batterie e sistemi di ricarica.
Superare gli Ostacoli con la Simulazione
In tutti i settori in cui l'elettrificazione è presente in modo diretto o indiretto, la simulazione gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo e nel miglioramento di queste nuove tecnologie, considerando non solo la fisica in cui è inserita. Tra i diversi benefici ottenibili tramite la simulazione, possiamo citare:
- Riduzione dei costi per prototipi e test fisici
- Riduzione del tempo totale di sviluppo (time to market)
- Aumento dell'affidabilità e sicurezza operativa
- Miglioramento delle prestazioni e del rendimento
- Ottimizzazione
I software Ansys, leader globale per le soluzioni di simulazione multifisica, offrono soluzioni avanzate per le diverse fisiche coinvolte nel processo di elettrificazione, in una piattaforma integrata che consente a ingegneri e ricercatori di raggiungere i loro obiettivi di progetto in modo preciso.
Sviluppo di macchine elettriche rotanti
Per il dominio delle macchine elettriche, uno dei principali agenti del processo di elettrificazione nel suo complesso, Ansys possiede un diagramma di flusso di sviluppo di generatori e motori ben strutturato, come illustrato di seguito.
[Figura 2 - Diagramma di flusso per lo sviluppo e lo studio di macchine elettriche rotanti con Ansys]
Partendo da analisi più semplici e veloci con Ansys Motor-CAD, tramite modelli numerico-analitici si può studiare l'intero comportamento della macchina da un punto di vista elettrico, termico e meccanico per le più svariate tipologie di macchine.
Successivamente, con Ansys Maxwell è possibile realizzare studi più complessi in ambito elettromagnetico con il metodo degli elementi finiti, consentendo un maggiore affinamento dei valori rilevati nella fase iniziale di progetto, nonché un aumento della complessità dei fenomeni analizzati, come perdite indotte nel nucleo e nei magneti permanenti, smagnetizzazione, efficienza e densità di potenza.
Terminati i requisiti elettromagnetici, si passa ad analisi di tipo strutturale, tramite Ansys Mechanical, e anche Ansys Fluent, in modo da consentire un'analisi multifisica del problema. Dal punto di vista strutturale, problemi come rumori e vibrazioni vengono valutati intensivamente.
Da un punto di vista del controllo termico, è di estrema importanza lo studio di diverse tipologie di sistemi di raffreddamento e la loro efficienza per quanto riguarda l'aumento della temperatura nel motore, dato che i parametri elettromagnetici come efficienza e potenza sono intrinsecamente legati a questa area di studio.
Da un punto di vista sistemico, motori e generatori sono controllati tramite elettronica di potenza per il loro azionamento, mirando a raggiungere la massima precisione. Gli impatti di questo sistema di controllo possono essere studiati attraverso simulazioni sistemiche, in modo che la simulazione riproduca il più fedelmente possibile i test reali. I software Ansys Twin Builder e Ansys Scade consentono la costruzione di analisi sistemiche in ambienti di configurazione circuitale,la convalida e l'autenticazione dei codici di controllo da implementare nelle PCB.
È importante sottolineare che il diagramma di flusso presentato si concentra sullo studio delle macchine elettriche, ma consente lo studio di numerosi altri componenti elettromeccanici, come sensori e attuatori.
Elettronica di Potenza e Compatibilità Elettromagnetica
Gran parte dei sistemi elettrificati possiede un'elettronica di potenza integrata dedicata al loro controllo e azionamento dei sistemi motrici, ma anche per altri azionamenti. Nel mercato della mobilità elettrica, oltre all'elettronica di potenza dedicata alla trazione veicolare, è presente tutta l'elettronica integrata dedicata all'automazione veicolare e all'integrazione di diversi sottosistemi. Come per le macchine elettriche, il diagramma di flusso di simulazione per l'analisi dei componenti elettronici è ben stabilito, come illustrato nella Figura 3.
[Figura 3 - Diagramma di flusso per lo sviluppo e lo studio di sistemi elettronici con Ansys]
Tra le principali problematiche coinvolte nello studio dell'elettronica di potenza, oltre alla sua operazione da un punto di vista qualitativo tramite circuiti elettrici semplificati, si passa ad analisi elettromagnetiche più dettagliate in termini di sottocomponenti, come trasformatori e busbar, tramite Ansys Maxwell e Ansys Q3D, che consentono l'estrazione di componenti parassiti, data la loro operazione ad alte frequenze.
Lo studio dell'evoluzione termica di questi componenti/pacchetti è anch'esso di estrema importanza, principalmente a causa dell'elevata dissipazione di potenza (dovuta alle alte frequenze di commutazione) e del loro condizionamento in luoghi chiusi o con poca ventilazione. Per questo scenario, Ansys Icepak consente lo studio termico in modo integrato in Ansys Electronics Desktop, con un solver realizzato specificamente per lo studio delle PCB, consentendo di raggiungere i requisiti di temperatura in operazioni estreme.
Ciononostante, le PCB sono soggette a vibrazioni a causa di fenomeni interni (interazione tra tracce per forze di Lorentz) ed esterni, che possono compromettere l'integrità fisica del sistema, riducendone la durata utile per fatica, studio reso possibile tramite Ansys Sherlock. Oltre alle vibrazioni, studi di urti meccanici, degrado delle giunzioni, resistenza alla trazione, torsione e flessione sono resi possibili tramite Ansys Mechanical e Ansys LS-Dyna.
Infine, i circuiti elettronici sono soggetti ad interferenze elettromagnetiche, potendo compromettere il funzionamento del sistema nel suo complesso. Di conseguenza, i processi di certificazione e omologazione in termini di compatibilità elettromagnetica sono di estrema importanza per garantire l'affidabilità operativa. Soluzioni come Ansys HFSS e Ansys SIwave consentono di realizzare analisi EMC/EMI mirando a una maggiore accuratezza nei processi di certificazione, garantendo un arrivo più rapido del prodotto sul mercato e riducendo significativamente i costi globali di sviluppo.
[Figura 4 - Simulazione di camera anecoica in Ansys HFSS per scopi di studi EMI/EMC]
I caricabatterie per veicoli elettrici devono passare attraverso tutte queste fasi di sviluppo, soprattutto considerando i sistemi di gestione delle batterie.
Batterie
Le batterie sono la fonte primaria di energia di tutto il sistema elettrificato, essendo uno dei principali limiti all'avanzamento dell'elettrificazione a causa della materia prima limitata e del basso rapporto costo/peso. Gli strumenti Ansys consentono lo studio delle batterie partendo dai concetti più basilari, in termini di circuiti equivalenti, fino ad analisi complesse in termini di evoluzione della temperatura, come illustrato nella Figura 5.
[Figura 4 - Diagramma di flusso per la modellazione e lo studio delle batterie]
Nel campo della simulazione, si garantisce la conformità operativa secondo le norme stabilite, l'aumento della sicurezza operativa del sistema, la riduzione dei costi di sviluppo con la prototipazione e l'ottimizzazione delle prestazioni. Per maggiori dettagli sulla progettazione delle batterie, leggi il nostro articolo di blog.
Un passo necessario
In sintesi, il processo di elettrificazione osservato a livello mondiale è naturale e inevitabile per garantire la sostenibilità del pianeta e un'economia a basse emissioni di carbonio. Tra le diverse tematiche e fisiche che coinvolgono l'elettrificazione, la simulazione si rivela di estrema importanza per la riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo, l'ottimizzazione dei processi e delle prestazioni complessive, la garanzia della sicurezza operativa e l'aumento della durata utile.
Ansys/ESSS offre una vasta gamma di software, in diverse aree della fisica e in una piattaforma integrata che consente lo studio di componenti e sistemi complessi in modo multifisico, permettendo agli ingegneri progettisti di ottenere sistemi che operano in modo sicuro, efficiente e duraturo, garantendo un vantaggio competitivo sul mercato.
Per sapere come applicare la simulazione Ansys ai tuoi progetti, contatta uno dei nostri specialisti e ricevi supporto personalizzato.
