Illuminazione Stradale a Corrente Continua: La Svolta Cinese
In un audace progresso verso la decarbonizzazione urbana e le infrastrutture intelligenti, ingegneri e pianificatori energetici cinesi stanno promuovendo un approccio rivoluzionario all’illuminazione municipale: lampioni alimentati a corrente continua (DC) integrati con fotovoltaico distribuito, accumulo di energia e colonnine di ricarica per veicoli elettrici (EV). Questo modello emergente, dettagliato in uno studio recente pubblicato sulla rivista Zhaoming Gongcheng Xuebao (Journal of Illuminating Engineering), offre un modello convincente per le città di tutto il mondo che affrontano inefficienze energetiche, congestione delle reti e l’urgente necessità di aumentare l’integrazione delle rinnovabili.
La ricerca, guidata da Jianwei Liu della China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd., insieme a un team multidisciplinare della China Energy Engineering Group Tianjin Electric Power Design Institute Co., Ltd., presenta un’analisi tecnica ed economica completa per i sistemi di illuminazione stradale basati su DC. Lungi dall’essere un esperimento di nicchia, lo studio sostiene che i lampioni a DC rappresentano un punto di convergenza strategico per molteplici trend energetici puliti—energia solare, accumulo a batteria, adozione di EV e gestione urbana intelligente—tutti ancorati su un’unica piattaforma infrastrutturale scalabile.
A prima vista, i lampioni possono sembrare un componente banale della vita urbana. Eppure sono tra i servizi pubblici più ubiquitari e ad alta intensità energetica. Solo in Cina, l’illuminazione stradale rappresenta circa il 25-30% del consumo totale di elettricità per illuminazione, che a sua volta costituisce circa il 13% del consumo elettrico nazionale. I tradizionali sistemi a corrente alternata (AC), spesso alimentati da lampade a vapori di sodio o ad alogenuri metallici, soffrono di elevate perdite energetiche, limitata compatibilità con la moderna tecnologia LED e vulnerabilità a correnti di dispersione e cadute di tensione su lunghe distribuzioni. Queste inefficienze sono amplificate nelle vaste aree metropolitane dove l’energia deve viaggiare per chilometri dalle sottostazioni ai singoli punti luce.
Ed ecco entrare in scena il lampione a DC. Eliminando la necessità di ripetute conversioni AC-DC—richieste da praticamente tutti i moderni corpi illuminanti LED—i sistemi DC riducono drasticamente lo spreco energetico. Ancora più importante, creano un ambiente nativo per integrare fonti rinnovabili come pannelli solari montati su tetti o pali, che producono naturalmente energia in DC. Questa sinergia abbatte le perdite di conversione, semplifica l’architettura di sistema e migliora l’affidabilità complessiva.
Liu e i suoi coautori sottolineano che i vantaggi si estendono ben oltre il risparmio energetico. Una microrete DC per l’illuminazione stradale abilita quello che definiscono un ecosistema energetico “quattro in uno”: generazione (tramite fotovoltaico), accumulo (tramite batterie), consumo (illuminazione e carichi ausiliari) e ricarica (per EV). Questo modello integrato trasforma i lampioni passivi in nodi energetici attivi capaci di flusso di potenza bidirezionale, supporto alla rete e backup d’emergenza.
Uno dei contributi chiave dello studio risiede nella sua meticolosa analisi dell’architettura di sistema. Gli autori esplorano la selezione della tensione, le strategie di messa a terra e le topologie di rete tailorizzate per applicazioni di illuminazione urbana. Attingendo dagli standard nazionali come GB/T 35727–2017 e T/CECS 705–2020, sostengono una tensione nominale di 220 V DC come compromesso ottimale tra sicurezza, efficienza e compatibilità con i prodotti LED esistenti. A questo livello, il sistema evita i rischi di elettrocuzione associati a tensioni DC più elevate consentendo al contempo distanze di trasmissione pratiche—fino a 400 metri senza eccessiva caduta di tensione—rendendolo adatto a tipici isolati cittadini.
La messa a terra, un aspetto critico ma spesso trascurato della sicurezza in DC, riceve particolare attenzione. Il team valuta tre configurazioni standard—TT, TN-S e IT—e conclude che il sistema IT (isolato con messa a terra ad alta resistenza) offre il miglior compromesso per l’illuminazione pubblica. In una configurazione IT, un guasto a terra monopolare non fa scattare immediatamente il sistema, consentendo il funzionamento continuativo mentre allerta le squadre di manutenzione—una caratteristica cruciale per garantire l’illuminazione notturna ininterrotta in zone critiche. Inoltre, questa configurazione minimizza le correnti di guasto, riducendo il rischio di incendio e scossa elettrica senza fare affidamento su dispositivi DC di corrente residua (RCD) commercialmente immaturi, che rimangono scarsi sul mercato.
La tesi economica è altrettanto persuasiva. I ricercatori modellano diversi scenari di implementazione lungo un corridoio urbano rappresentativo di 1 chilometro equipaggiato con 160 lampioni. In una semplice riconversione DC—sostituendo le lampade AC obsolete con LED moderni e passando a un’infrastruttura di distribuzione DC—stimano una riduzione del 20% nel consumo energetico. A un costo dell’elettricità di ¥0,75/kWh, questo si traduce in un risparmio annuo di oltre 28.000 kWh e quasi ¥21.000 in bollette ridotte. Crucialmente, il passaggio riduce anche i costi di cablaggio: i sistemi DC richiedono solo due conduttori invece dei tre o cinque utilizzati nelle configurazioni AC tipiche, producendo un risparmio immediato di ¥100.000 in materiali per il segmento modellato. L’investimento combinato in hardware e installazione si ripaga in meno di tre anni.
Ma la vera innovazione si dispiega quando si aggiungono accumulo e solare. In uno scenario DC + batteria, il sistema sfrutta la tariffazione elettrica oraria per caricarsi durante le ore off-peak (¥0,55/kWh) e scaricarsi durante i periodi di picco (¥1,20/kWh). Per un sistema al litio-ionico da 100 kW/500 kWh, questa strategia di “livellamento dei picchi” fa risparmiare ulteriori ¥24.000 all’anno. Sebbene il periodo di ammortamento si prolunghi a oltre 16 anni per le batterie al litio, scende a poco più di otto anni con alternative piombo-acido a costo inferiore—comunque una proposta valida considerando il valore aggiunto del backup d’emergenza durante le interruzioni.
L’integrazione del fotovoltaico migliora ulteriormente l’economicità e la sostenibilità. Lo studio presuppone un modesto pannello solare da 50 Wp per palo—facilmente montabile sull’involucro del luminaire o su strutture adiacenti. Con otto ore di luce solare effettiva al giorno, ogni unità genera 0,4 kWh, compensando il consumo dalla rete durante le ore diurne e immagazzinando l’eccesso per l’uso notturno. Ai prezzi di picco, questo produce ¥175 di risparmio annuo per palo, con un semplice payback di meno di cinque anni. Moltiplicando questo su migliaia di pali, l’impatto cumulativo diventa sostanziale.
Forse l’applicazione più lungimirante è la fusione dei lampioni DC con colonnine di ricarica rapida per EV. Con l’adozione urbana di EV in accelerazione, l’ansia da autonomia e i “deserti di ricarica” rimangono barriere persistenti. Incorporando colonnine di ricarica rapida DC da 60 kW in pali intelligenti—alimentati dallo stesso bus DC che fa funzionare le luci—le città possono espandere rapidamente l’infrastruttura di ricarica senza costosi aggiornamenti di rete. Lo studio stima che con solo 10-20 sessioni di ricarica giornaliere, una singola unità può generare ¥82.000–¥220.000 di ricavo annuo, recuperando il suo investimento di ¥100.000 in appena cinque mesi.
Questo concetto di “palo come piattaforma” si allinea perfettamente con le più ampie ambizioni di smart city della Cina. Oltre all’illuminazione e alla ricarica, questi pali possono ospitare sensori ambientali, small cell 5G, telecamere per il traffico, cartellonistica digitale e sistemi di chiamata d’emergenza—tutti alimentati dalla stessa efficiente dorsale DC. Il risultato è un sistema nervoso urbano più snello e resiliente che riduce l’inquinamento visivo, abbassa i costi di manutenzione e crea nuovi flussi di entrate per i comuni.
La validazione nel mondo reale è già in corso. Progetti pilota nei distretti pedonali di Shenzhen e nel Centro Servizi per i Cittadini della Nuova Area di Xiong’an dimostrano la fattibilità dell’illuminazione intelligente DC su scala. Queste installazioni non solo convalidano le assunzioni tecniche ma forniscono anche dati operativi preziosi su affidabilità, comportamento degli utenti e interoperabilità di sistema.
Tuttavia, le sfide rimangono. Come gli autori riconoscono candidamente, l’ecosistema dell’illuminazione DC è ancora nella sua fase dimostrativa. La standardizzazione è incompleta, le specifiche dei prodotti variano ampiamente e le catene di approvvigionamento per componenti chiave—specialmente interruttori e controller rated DC—sono sottosviluppate. Anche i quadri normativi per l’interconnessione alla rete, la certificazione di sicurezza e le strutture tariffarie per la generazione distribuita sono in ritardo rispetto alle capacità tecnologiche.
Inoltre, il dispiegamento di successo dipende dalla collaborazione intersettoriale. Utility, produttori di illuminazione, operatori di ricarica EV e autorità municipali devono allinearsi su standard tecnici, modelli di proprietà e meccanismi di revenue-sharing. Il documento chiede supporto politico—come sussidi per i primi adopters, permessi semplificati e codici edilizi aggiornati—per accelerare la maturazione del mercato.
Da una prospettiva globale, la spinta cinese verso l’illuminazione stradale DC potrebbe stabilire un precedente. Mentre città da Los Angeles a Londra cercano di raggiungere gli obiettivi net-zero, le lezioni di Pechino e Tianjin offrono un modello replicabile. L’intuizione fondamentale è questa: la decarbonizzazione non è solo sostituire i combustibili fossili con le rinnovabili; riguarda ripensare come l’energia viene distribuita, gestita e consumata al limite della rete. Partendo da qualcosa di fondamentale come un lampione, gli ingegneri possono innescare una cascata di innovazione che tocca trasporti, comunicazioni e sicurezza pubblica.
In chiusura, Liu e il suo team posizionano i lampioni alimentati a DC non solo come una misura di efficienza energetica, ma come un elemento fondazionale del prossimo internet energetico urbano. Il loro lavoro unisce il rigore ingegneristico con l’intuizione politica pratica, offrendo una roadmap tecnicamente solida ed economicamente sostenibile. Mentre il mondo corre verso le tappe climatiche del 2030 e 2060, tali soluzioni integrate e guidate dalle infrastrutture saranno indispensabili.
Di Jianwei Liu (China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd.), Kan Wang, Xuebin Li, Xiaoou Liu, Hao Zhao, Jian Liu e Wanwei Xu (China Energy Engineering Group Tianjin Electric Power Design Institute Co., Ltd.), pubblicato su Zhaoming Gongcheng Xuebao (Journal of Illuminating Engineering), Vol. 35, No. 4, Agosto 2024. DOI: 10.3969/j.issn.1004-440X.2024.04.020.