Model per a la bateria quàntica.

Científics de les universitats d’Alberta i Toronto, han desenvolupat un model per a una nova bateria quàntica que no te pèrdues de càrrega.

Una bateria quàntica és una bateria de mida  microscòpica, destinada a ser utilitzada per a aplicacions a nano-escala.

La investigació ofereix una demostració teòrica sobre una possible bateria quàntica sense pèrdues i que ofereix un avantatge respecte a les bateries quàntiques anteriors.

Les bateries més conegudes, com la bateria d'ions de liti, que alimenten  els telèfons intel·ligents, es basen en principis electroquímics clàssics, mentre que les bateries quàntiques depenen només de la mecànica quàntica.

Les bateries poden convertir-se en un component important en molts dispositius quàntics, per exemple, serien capaç d’alimentar ordinadors quàntics, i, a la pràctica, es podrien construir mitjançant les tecnologies  actuals d’estat sòlid.

Per desenvolupar aquesta proposta i idea, l’equip de recerca ha considerat un model de xarxa quàntica oberta d’alta simetria estructural com a plataforma per emmagatzemar energia excitònica que és, l'energia aprofitada quan un electró  absorbeix un fotó de llum suficientment energètic. Utilitzant aquest model, es va demostrar que és possible emmagatzemar energia sense pèrdues, tot i estar obert a un entorn.

La clau és preparar aquesta xarxa quàntica en el que s'anomena estat fosc. Mentre es troba en un estat fosc, la xarxa no pot intercanviar energia amb el seu entorn. En essència, el sistema es mostra immune a totes les influències ambientals. Això significa que la bateria és molt robusta a les pèrdues d'energia.

Utilitzant aquest model, els investigadors també van proposar un mètode general per descarregar l’energia emmagatzemada de la bateria sota demanda que implica trencar de manera controlda la simetria estructural.

Les futures investigacions exploraran maneres viables de carregar i descarregar la bateria, així com formes d’ampliar-la per utilitzar-les en aplicacions pràctiques.

Font Univertitat d'Alberta i Toronto

Màxima dimensió dels aerogeneradors.

Quan el fabricant danès Vestas,  el 1981 va començar la tendència en fer aerogeneradors més grans, llavors,les tres aspes eren capaces generar  només 55 kW per passar  a 500 kW el 1995, van assolir els 2 MW en el 1999 i actualment se situen als 5,6 MW. 

En el 2021, el V164 de MHI Vestas Offshore Wind s’elevarà fins els 105 metres per fer girar pales de 80 metres i generarà fins a 10 MW, convertint-lo en la primera turbina de dos dígits disponible comercialment. Però, des de la divisió d'energia renovable de General Electric, s'està desenvolupant una màquina de 12 MW amb una torre de 260 metres i pales de 107 metres, que també es sortirà cap al 2021.

Font: Greg Mably

Això, clarament està fent un impuls, tot i que cal tenir en compte que s'han tingut en consideració dissenys encara més grans. L’any 2011, el projecte UpWind va llançar el que va anomenar pre-disseny d’una màquina off-shore de 20 MW amb un diàmetre del rotor de 252 metres (tres vegades l’envergadura d’un Airbus A380 ) i un diàmetre del cub de 6 metres. Fins al moment, el límit més grans dels dissenys conceptuals,  se situava en 50 MW, amb una alçada superior als 300 metres i unes pales de 200 metres que podrien flexionar en situació de vents forts.

Construir l'estructura no hauria de ser cap problema tècnic fonamental, ja que no seria més alta que la torre Eiffel , construïda fa 130 anys. No obstant això,  és una comparació inadequada. Si l’alçada construïble d’un artefacte fos el determinant del disseny dels aerogeneradors, també es podria fer referència al Burj Khalifa de Dubai, un gratacel que va assolir 800 metres en el 2010 o a la torre de Jeddah , que arribarà als 1.000 metres en el 2021. No és un gran problema la construcció d'una torre alta; No obstant això, el repte es en enginyar una torre alta que pugui suportar les aspes giratòries durant molts anys de funcionament i de forma  segura.

Font: USA Today

Les turbines més grans han d’afrontar els efectes ineludibles de l’escala. La potència de la turbina augmenta amb el quadrat del radi escombrat per les seves fulles: una turbina amb fulles dues vegades més gran que, teòricament, seria quatre vegades més potent. Però l'expansió de la superfície escombrada pel rotor suposa una major tensió a tot el conjunt i, a causa que la massa de les fulles hauria de ( a primer cop d'ull ) augmentar a mesura que es produeix un cub de longitud de fulla, els dissenys més grans haurien de ser extraordinàriament pesants. En realitat, els dissenys que utilitzen materials sintètics lleugers i balsa poden mantenir fins a 2,3 els seus components.

Tot i així, la massa (i, per tant, el cost) augmenta. Cadascuna de les tres pales de la màquina de 10 MW de Vestas pesarà 35 Tm, i la nacela, arribarà a gairebé 400 Tm. El disseny rècord de GE tindrà fulles de 55 Tm, un nacela de 600 Tm i una torre de 2.550 Tm. El simple transport de fulles tan llargues i pesades, són un repte insòlit, tot i que es pot fer-se més fàcilment, amb un disseny segmentat.

Font: Carbon Brief

Explorar límits possibles sobre el potencial comercial, és útil per preveure màxims específics. La potència disponible de l’aerogenerador, és igual a la meitat de la densitat de l’aire (que és d’1,23 quilograms per metre cúbic) vegades que la superfície escombrada per les pales (pi vegades  el radi quadrat) què és la del cub de la velocitat del vent. Si s'assumeix una velocitat del vent de 12 metres per segon i un coeficient de conversió d'energia de 0,4, una turbina de 100 MW requeriria rotors de gairebé 550 metres de diàmetre.

Per predir quan serà possible fabricar aquest aerogenerador, cal ser capaços de construir fulles de composites  de 275 metres d'altura. 

Font: IEEE Spectrum

Futures xarxes intel·ligents com a illes petites.

Les illes petites naturals són, en la majoria dels casos, sistemes energètics autònoms no subministrats per la xarxa elèctrica principal i basats fonamentalment en generadors locals de gasoil i centrals d’energia renovable. 

Font: Trialog

El problema d’eficiència energètica d’aquests sistemes s’ha convertit en un dels temes de més debat per a la UE i per a diverses organitzacions de recerca d'arreu del món. En els últims deu anys, ENEA (Consell Nacional italià de Noves Tecnologies, Energia i Medi Ambient), en col·laboració amb la Universitat de Palerm, ha estudiat àmpliament tant la transició del sistema elèctric tradicional d’aquestes illes cap a una estructura de xarxa intel·ligent com l’ús racional. dels recursos locals per a la producció d’aigua calenta, climatització, calefacció i altres serveis d’edificació.

Sistema Energètic de les petites illes.

Els sistemes energètics de les petites illes, mereixen ser investigats ja que aquestes, es caracteritzen per sistemes energètics basats gairebé en la generació de gasoil, xarxes de distribució d’energia gairebé obsoletes i, sobretot, la presència de dispositius de baixa eficiència per a la producció d’aigua calenta i la calefacció / fred.

Les investigacions realitzades els darrers anys a l’illa de Lampedusa (a l’extrem sud d’Itàlia) han posat de manifest que la producció d’aigua calenta provinent dels escalfadors d’aigua d’emmagatzematge elèctric (ESWHs) és la responsable de més del 30% del consum anual d’electricitat dels usuaris finals domèstics i que el pic de potència diària de l’illa es produeix sempre al vespre i es deu principalment a aquests dispositius i, a l’estiu, també per l’aire condicionat.

Font: PV Europe

A Itàlia, els habitants de les petites illes no inverteixen els seus diners per a la instal·lació de sistemes fotovoltaics (PV) o sistemes solars tèrmics per problemes per rebre autorització deguts a la preservació de l’identitat i l’arquitectura del territori.

Les distribuïdores locals pateixen nombrosos problemes a causa dels robatoris d’electricitat, falles, fallades dels transformadors i també, la contaminació ambiental. A més, en pocs anys, els distribuïdors hauran de millorar l’eficiència energètica del sistema d’energia elèctrica o bé pagaran importants penalitzacions introduïdes pel recentment anomenat “decret de illes petites”.

Tots els factors anteriors fan que els sistemes energètics de les petites illes  siguin els candidats perfectes per a una urgent transformació en xarxes intel·ligents més eficients basades en renovables.

L’experiència adquirida durant els darrers anys al sistema energètic de les illes petites italianes mitjançant l’anàlisi de les factures d’energia, reunions amb els distribuïdors, els municipis i els usuaris finals, les simulacions d’ordinador, les mesures de camp, etc., permet afirmar que aquesta transformació ha de començar des de baix, és a dir, a nivell d’usuaris finals.

De fet, la primera causa d’ineficiència a les petites illes és el recurs de tecnologies obsoletes, especialment a nivell residencial. Els escalfadors d’aigua molt antics, que han estat en servei des de fa més de 15 anys, han reduït l’eficiència de calefacció a causa dels dipòsits calescals a les seves resistències. Els aires condicionats, són molt antics i funcionen amb coeficients de rendiment gairebé a la meitat dels nous models. L’absència total d’automatització als edificis fomenta els residus d’electricitat.

Estudis anteriors, vam proposar diverses solucions per a l’automatització d’usuaris residencials, mostrant com el control de les càrregues flexibles és capaç de reduir el consum diari d’electricitat i, alhora, pot aportar beneficis als sistemes d’energia en termes de reducció de pics de potència, caigudes de tensió, etc.

En substituir els ESWH per bombes de calor més eficients o sistemes innovadors de fred, és possible reduir la demanda energètica total de l’illa i, a causa de l’automatització i la gestió de la demanda, per afavorir la penetració de sistemes fotovoltaics.

La disponibilitat de la nova tecnologia al nivell de l’usuari final ha d’anar acompanyada d’una modificació del traçat i del funcionament del sistema d’energia de l’illa. La xarxa ha de fer possible acollir bateries per gestionar els nous fluxos d’energia degut a les plantes fotovoltaiques. El dimensionament, la ubicació i el funcionament de les bateries es podrien gestionar per tal de minimitzar el cost global de generació d’electricitat o la fluctuació de l’energia fotovoltaica.

Font: Siemens Norge

Els distribuïdors, utilitzaran un sistema de control basat en una estructura multi-capa per gestionar els recursos distribuïts i establir un flux continu de comunicació amb els prosumers intel·ligents.

L’anàlisi d’un escenari tan optimista, però, ha de considerar el problema d’estabilitat. De fet, l'augment de la quota de generadors basada en electrònica de potència redueix la inèrcia del sistema elèctric. Per tant, els convertidors de potència han de ser capaços de proporcionar inèrcia virtual o regulació ràpida de freqüència.

Conclusions

La UE imposa noves regles per reduir la dependència de les petites illes dels combustibles fòssils i la implementació de mesures més “verdes” és cada cop més urgent i no més diferible.

La comunitat internacional està interessada en els sistemes energètics illencs petits, com millorar la penetració de les renovables, com millorar la fiabilitat del seu sistema d’energia elèctrica.

Tenint en compte els problemes descrits per a les petites illes, sembla que són bons candidats a l’aplicació de tecnologies modernes / intel·ligents a causa de la presència d’una societat única que gestiona la generació, distribució i venda d’energia elèctrica i l’absència del TSO que generalment imposa límits específics a el perfil d'alimentació diària per motius de seguretat o comercials.

Finalment, els usuaris finals demanen noves solucions per reduir les factures d’energia i necessiten orientació per fer les eleccions correctes.

Tot i això, encara s'han de resoldre  algunes qüestions importants, com ara:

Quina és l'arquitectura més adequada del sistema de control per agregar el recurs distribuït?

La promoció de petits recursos energètics distribuïts és preferible a la instal·lació de poques plantes concentrades?

Quin és el disseny més adequat de la xarxa de distribució intel·ligent?

Les preguntes anteriors mostren que el treball que cal fer per crear petites illes intel·ligents encara està en una fase molt prematura i serà dur.

Font: IEEE Smart Grid

Implementant les microgrids en les xarxes elèctriques.

Una xarxa elèctrica resilient i sostenible no és només un luxe; és la base d’una economia a llarg termini. 

 Els reptes de construir una xarxa que pugui satisfer les necessitats de les comunitats, són importants, tant en termes de cost  d’implementació. Això, pretenem integrar nivells més elevats de generació renovable per tal de fer possible mitigar els efectes del canvi climàtic. Afortunadament, assolir tot això és cada vegada més possible gràcies a la tecnologia basades en les microgrid on els equips d'electrònica de potencia dia a dia, són més necessaris.

Font: Local Clean Energy Alliance

Una micro-xarxa és essencialment una petita xarxa elèctrica que es pot connectar a la xarxa de qualsevol distribuïdor o desconnectar-la per mantenir el servei gràcies a una energia generada localment, donats diferents casos, descàrrecs programats dels distribuïdors, incidències a la xarxa del distribuïdor, congestions i desviacions dels mercats. 

Les microgrids ja estan preparades per augmentar la resiliència a algunes parts arreu del mon, integrant la generació renovable a les zones amb una considerable disponibilitat solar i eòlica. A més de proporcionar electricitat, a algunes parts del món en desenvolupament. 

L’atractiu de les microgrids durant incidències massives del distribuïdor, és que permeten restablir ràpidament el servei a qualsevol zona sense haver de recuperar grans parts del sistema.

Font: smartcity.es

Avui en dia, aquests recursos només s’utilitzen per a beneficis individuals. Integrar aquestes unitats de generació en les microgrids pot reduir el cost de l'electricitat. A més, poden millorar la fiabilitat dels distribuïdors, gràcies a la possibilitat de crear illes. El disseny d'aquesta xarxa també pot facilitar la interconnexió de majors quantitats de generació renovable.

En essència, el concepte de microgrids ofereix un tipus de valor molt diferent en aquest context que ho fa a les zones amb xarxes més fiables. Per avaluar el valor de les microgrids, es requereix una apreciació més profunda del valor de la xarxa elèctrica en general. Si bé molts residents i empreses poden, teòricament, instal·lar una generació de back-up suficient per ser autosuficients,

Els reduïts costos, provenen del concepte de càrregues punta concurrents. Els sistemes elèctrics estan dissenyats per satisfer la càrrega màxima o dit d'altre forma, quan els usuaris consumeixin més electricitat, amb el supòsit de que si pot assolir la càrrega màxima, no tindrà cap problema per la qualitat de servei. Un client que necessiti sistemes de back-ups, només necessita la potencia i capacitat necessària per satisfer els seus consums i a vegades, en situació d'emergència, no es necessita la mateixa potència..Si es comparteix una xarxa amb els veïns, és possible tenir menys generacions sense deixar de cobrar el màxim consum de tothom, perquè un client pot no utilitzar la quantitat màxima d’electricitat al mateix temps que el seu veí.

La interconnexió d'aquests habitatges i empreses amb una micro-xarxa altament fiable també permet afavorir la integració de generacions renovables i baixes en emissions de carboni. Sense una xarxa fiable, l’energia produïda pels panells solars instal·lats a la pròpia propietat s’ha d’utilitzar exactament en el moment en què es genera, emmagatzemar en una bateria o bé rebutjar-la. En molts casos, cap d’aquestes opcions és viable econòmicament. Tanmateix, en inter-connectar aquesta generació amb una xarxa fiable, es pot utilitzar de manera més completa i econòmica.

Font:Fortnightly

La instal·lació de microgrids per donar servei a zones que ja tenen una generació de back-up, també proporciona avantatges addicionals a la xarxa d'una forma més àmplia. Aquest enfocament no només redueix els costos d’instal·lar una xarxa fiable per a tothom i dóna suport als objectius de sostenibilitat, sinó que també promou els esforços per fer que sigui més fiable el conjunt de la xarxa de forma més àmplia, encara que aquestes microgrids poguessin aïllar-se, normalment es connectarien entre xarxes més grans. Quan es connecta, els recursos d’energia distribuïts dins de la microgrid podrien proporcionar serveis auxiliars com ara la regulació de freqüència, cosa que fa més fiable tota la xarxa. 

L’aplicació d’aquest concepte requeriria una atenció minuciosa a les situacions locals, inclòs el disseny d’un sistema de preus que compensi bastant els propietaris de la generació existent alhora que proporcionaria un preu raonable per a aquells que necessiten la xarxa. En fer-ho, però, pot ser possible ampliar dràsticament l’accés a l’electricitat sostenible, resislient i assequible a una quantitat enorme de comunitats de tot el món, centrant-se en com la tecnologia permet aprofitar millor el que ja tenim a les nostres cases i empreses. 

Amb aquesta base, és possible assegurar-se que s’integra la generació suficient de renovables a la xarxa per respondre al canvi climàtic i produir un món més sostenible per a tots.

Font: IEEE Smart Grids

Control de la infraestructura de protecció de les inundacions amb finalitats de gestió de la demanda.

Els Països Baixos,  és un país baix situat al delta del Rin-Meuse que són  rius que flueixen pels Països Baixos. A més d’això, bona part del país es troba per sota del nivell del mar (MSL). Això fa necessària la gestió dels nivells d’aigua. 

El país compta amb moltes estacions de bombament (amb una potència de ñes bombes combinada d’uns 221MW) que s’utilitzen per controlar el sistema de vies navegables interiors per al transport, la mitigació d’inundacions, la mitigació de sequera, el control de qualitat de l’aigua i moltes altres coses. L’ús quotidià de les estacions de bombament té un caràcter previsible, que podria ajudar activament a estabilitzar la xarxa elèctrica mitjançant un control intel·ligent. 

A IJmuiden, hi ha una estació de bombeig (amb una potència màxima de 6MW) i un complex sistema de comportes. Les comportes inferiors s’utilitzen per descarregar l’aigua del Noordzeekanaal — Amsterdam-Rijnkanaal (NZK-ARK) quan el nivell del mar és prou baix, s’utilitza l’estació de bombament quan el mar del Nord és massa elevat per descarregar sota gravetat. El canal es gestiona perquè el nivell de l'aigua estigui situat entre -0,3 m NAP (el sistema de referència holandès, per exemple MSL) i -0,5 m NAP. El NZK-ARK és un complex sistema de canal obert, què:

- Està en connexió oberta amb els canals de la ciutat d'Amsterdam, restringint el marge d'aigua.

- Ha de mantenir el trànsit de vaixells, restringint la màxima descàrrega al canal

- La invassió d’aigua salada des del mar cal controlar-la activament, restringint el mínim abocament.

- 4 autoritats locals d'aigua aboquen l'excés d'aigua de pluja al canal.

- Rep l’aigua dels afluents inferiors del Rin.

Figure 1: The water system of the Noordzeekanaal—Amsterdam-Rijnkanaal

La complexitat del canal complica la presa de decisions, mentre que els objectius bàsics no es poden comprometre. Això fa necessària la seguretat del subministrament d'energia. Tot i això, les bombes no estan actives durant tot el dia i gairebé no treballen a plena potencia. La diferència entre el que és necessari i el que és possible es pot utilitzar amb finalitat de la gestió de la demanda (DR).

Per establir adequada una estratègia de la DR per a l'estació de bombament, es necessita seguretat en el subministrament d'energia alhora que es pot optimitzar  les planificacions de bombeig en funció de la producció d'energia i / o l'estat de la xarxa. Una optimització basada en els preus del mercat (DAM) el dia següent permetria assegurar l’energia mínima necessària per bombejar. Un cop comprada l’energia del DAM, el comerç intraday (IDM) permet l’ús d’una producció d’energia inesperada. A més d'això, permet que l'estació de bombament pugui fer front a les incerteses del sistema.

El dia següent, es comercialitzen blocs horaris d’energia que es poden comprar un dia abans del consum. Com que el mercat tanca a les 12:00 CET el dia abans del consum, les incerteses en els subministraments no es reflecteixen de forma òptima en el mercat. El mercat intradíari és un mercat continu on es comercialitzen blocs d’energia de 15 minuts fins a 5 minuts abans del consum. Això la fa més adequada per al comerç d’energies renovables, que presenten incertesa en el subministrament. El mercat internacional dels Països Baixos és relativament petit, però ofereix un potencial de DR i s'espera que tingui un paper més important en el futur.

Figure 2: The multi-market optimization strategy

Es va crear un MPC de dues etapes per controlar l'estació de bombament i el complex de comportes. El CPM minimitza el cost basat en un preu de DAM (previst) una vegada al dia i, a continuació, minimitza el cost basat en la desviació de l’oferta de DAM i el preu IDM. Ho fa tot mantenint les limitacions següents:

- Interval de nivell d'aigua admès (min / màxim)

- Efecte del vent sobre el nivell de l’aigua

- Equilibri de volum del canal

- Relació nivell d’emmagatzematge d’aigua del canal

- Màxima descàrrega de la porta

- Màxima descàrrega de la bomba

- Consum d’energia de la bomba

El preu de l’energia està correlacionat amb la intensitat del carboni de l’energia, un cop les energies renovables tenen una penetració més gran del mercat. Aquest efecte encara no es veu al mercat holandès, però es pot veure clarament en el mercat alemany, tal com es mostra a la figura 3. Per estimar la rendibilitat de la flexibilitat en l’ús de l’energia en un futur mercat holandès, el preu del mercat alemany del 2018 era pres. Es tracta de tenir una sèrie horària útil d’un mercat amb un subministrament d’energia renovable més elevat dominat per l’energia eòlica i solar, en un benestar econòmic i clima comparables.

Figure 3: Carbon intensity over day ahead market price: Dutch and German market

La figura 4, mostra els fluxos simulats del Noordzeekanaal, juntament amb els fluxos que la MPC tenia previstos en el moment de l’oferta del dia. El bombament està programat al voltant dels temps en què el cap de la bomba és baix, cosa que redueix en una menor quantitat d'energia necessària per al bombeig. A la figura 5 es mostra l’ús energètic de l’estació de bombament, juntament amb l’energia comprada al mercat d’avui. Inicialment, el bombeig està programat on el preu de DAM és relativament alt, però el capçal és petit. Després de disposar dels preus de la tarda, es va reprogramar el bombeig i es va intercanviar energia al mercat de la IDM. Es pot veure entre les 02:00 i les 11:00, on es consumeix consum energètic per augmentar el consum energètic entre les 20:00 i les mitjanit. A la figura 4 es pot observar que la descàrrega a través de les portes es redueix al voltant de les 12:00, cosa que donaria lloc a un cap més baix.

Figure 4: Planned and simulated fluxes of the NZK.

Figura 5: Consum energètic planificat i real.

La figura 6 mostra un cas del mercat alemany. L'estació de bombament estava programada per bombejar a la màxima capacitat, juntament amb una màxima descàrrega a les portes abans de bombejar. La descàrrega a través de les comportes augmenta l’ús energètic de l’estació de bombament augmentant la diferència de cap. Quan es mira la figura 7, es mostra que es va produir un preu negatiu de l’energia. Un preu negatiu de l’energia suposaria efectivament una maximització del consum d’energia quan es minimitzen els costos energètics.

Figura 6: Fluxos planificats i simulats del mercat alemany NZK.

Figura 7: Consum energètic planificat i real del mercat alemany.

Conclusions

Es continuarà la  investigació per esbrinar quant pot contribuir el sistema hídric holandès a l'equilibri de la xarxa elèctrica. S'nvestigaran més estratègies de mercat possibles per assolir la màxima capacitat d’equilibri. S’investigaran els efectes de les incerteses en el cabal, el nivell de l’aigua i el preu de l’energia, juntament amb els avantatges de l’agregació de diverses estacions de bombament i / o altres actius per aconseguir un perfil energètic adequat per a la DR.

Font: IEEE Smart Grid

Gestió de la càrrega dels vehicles elèctrics.

Donades les limitacions als combustibles fòssils i l'augment de la quantitat d’emissions alliberades al medi, el sector del transport s'està redissenyant. 

L’ús dels vehicles elèctrics (EV) no només passa per  solucionar el problema de l’accessibilitat dels combustibles fòssils, sinó que també ajuda a la reducció de les emissions provada pel creixent nombre de vehicles.  Diversos països d'arreu del món tenen objectius establerts per l'electrificació del transport i esperen substituir un percentatge o tot, veihicles de combustió. Aquest és un gran repte, especialment en els països amb una gran densitat de població, com és l'Índia, on el nombre registrats de vehicles, actualment ja superen els 200 milions.

Un dels principals reptes que ha enfrontat el transport elèctric és l’ansietat sobre la seva autonomia i a on carregar.  Un repte addicional és que els EV necessiten una quantitat important de temps per recarregar, on fins i tot la càrrega ràpida requereix entre 30-45 minuts. Per combatre aquesta situació, s’han d’introduir instal·lacions de recàrrega adequades a la xarxa vial i elèctrtica. Per tant, la ubicació de l'estació de recàrrega és un aspecte important per la planificació dels EV, seguida  per una gestió adequada en aquestes estacions de recàrrega. Tot plegat, la xarxa elèctrica, la xarxa de transport, la densitat de població i la demanda dels EV tenen un paper important a fer front. 

Entre les entitats clau involucrades en la gestió de les tarifes es troben el proveïdor de serveis (SP), la xarxa i els controladors de vehicles externs. Amb l'ajuda de múltiples ubicacions de càrrega / intercanvi, un  SP és capaç de gestionar la recàrrega al mateix temps que maximitza el seu propi benefici i intenta minimitzar la càrrega de la xarxa. La programació es produeix amb la comunicació i el flux d’energia entre aquestes tres entitats (Figura 1).

Figura 1: Flux de comunicacions i energia (línia - comunicació) Font: IEEE Smart Grid

Cadascuna de les tres entitats afegeix determinades limitacions al problema de la gestió del cobrament. En primer lloc, el controlador EV té uns requisits basats en els quals voldria recarregar. La inclusió del comportament dels consumidors és important per a la gestió de cobrament, ja que determina el possible calendari i lloc d’on es pot programar la recàrrega de vehicles externs. La majoria de persones reposten el seu vehílces mentre viatgen d'un lloc a un altre. Per als dies feiners, aquest temps de viatge coincideix amb l’horari d’oficina dels conductors d’EV. 

Figura 2: Patró de viatges de rodalies en 24 hores Font: IEEE Smart Grids

Assumint el mateix patró per als conductors d'EV i la necessitat de recarregar en el seu camí cap a una destinació determinada, llavors, el nombre màxim de sol·licituds de recàrrega estaria al voltant de les hores punta. El SP gestiona la programació a n punts de càrrega de tal manera que es poden programar un màxim d'EVs. Cal tenir en compte que la figura 2 proporciona l'hora de sortida i l'hora d'arribada, amb la qual cosa es produiria un desplaçament dels pics. Si es considera una situació de  limitada penetració dels EV, en una zona de densitat poblacional baixa, la situació sembla més manejable amb el n punt de càrrega. Tanmateix, a mesura que la penetració augmenta o es considera la mateixa penetració en una àrea densament poblada, un nombre més gran de SV podria fer peticions  el mateix temps i lloc per a la recàrrega. Això suposa un problema ja que s'ha de complir el requisit de l'usuari.

Figura 3: p% de penetració en baixa densitat de població: disponibilitat d’opcions de recàrrega. Font: IEEE Smart Grids

Figura 4: p% de penetració d'eVs en població densa> peticions competitives per a temps de càrrega i ubicacion. Font: IEEE Smart Grids

Com a exemple, si es vol intentar programar més de 1000 EVs, que requerien un temps de càrrega entre 15 i 45 minuts. La planificació s’implementa en funció de les  franges horàries de 15 minuts. A la figura 5 i a la figura 6. es pot observar el consum horari d'energia. Els gràfics de barres mostren els temps de sortida de la font de viatge (eix dret). A causa de les limitacions dels punts de recàrrega a l'hora sol·licitada, pocs dels EV quedarien sense programació de càrrega.

Figura 5: Consum energètic horari. Font: IEEE Smart Grids

Figura 6: Consum d'energia en ranura (Slot = 15 minuts). font: IEEE Smart Grids

Tenint en compte l’impacte sobre la xarxa elèctrica, una penetració més gran dels VE afegirà una càrrega més gran mentre es fa una recàrrega. A més, el temps de sol·licituds màxims coincideix amb les hores de càrrega màximes mitjanes. La càrrega total de la xarxa en un moment determinat serà:

Càrrega de la xarxa = Càrrega base + Càrrega EV

Si s'usen les figures 5 i 6, mostrant el consum d'energia, és clar que s'introduirà una càrrega excessiva a la xarxa a les hores punta, o propera a les hores punta. A més, a mesura que la penetració dels EV continuï augmentant, especialment en zones amb més densitat de població, la càrrega programada continuarà augmentant. En aqeusta situació, hi hauran limitacion de recàrega.

Finalment, si es considera al proveïdor de serveis, llavors, l’objectiu principal  és planificar el màxim nombre possible d’EVs de manera que es maximitzi el seu benefici, on:

Beneficies = Ingressos - Cost - Penalitzacions

en aques cas, cost, es refereix al cost de compra d’energia de la xarxa. Es poden considerar diferents enfocaments de preus d'energia. Les penelitzacions es refereixen a tots els descomptes que es puguin oferir als conductors d'EV en cas que no estiguin programats. Es produeix més l’impacte d’una població quan s'explora el benefici del proveïdor de serveis per a un nombre creixent de sol·licituds d’EV. Despres, els beneficis comencen a disminuir a causa d'un augment del nombre d'EVs no programats (figura 7).

Figura 7: beneficis sense penalitzacions i amb penalitzacions incloses. Font: IEEE Smart Grids

Una solució a aquest problema es presenta en termes d’estacions de canvi de bateries (BSS). En lloc de carregar la bateria EV al moment que l'EV arribi a l'estació, es canvia la bateria esgotada (DB) amb una bateria carregada (CB). Aquesta durada té, de mitjana, menys de 10 minuts, el que és significativament inferior al temps requerit. Aquesta idea ha estat presentada a l’article IPWEA (Institute of Public Works Engineering Australasia), al maig del 2019. A més, ja que les bateries ara es poden carregar en un moment convenient tant per a la xarxa com per al proveïdor de serveis en termes d’energia consumida i el cost. d’energia, l’intercanvi de bateries permet una gestió més flexible. Els ingressos del proveïdor de serveis ara impliquen una quota de servei. Una altra opció amb BSS és carregar els DB en un lloc fora del lloc on la càrrega de la graella és més manejable.

Figura 8: BSS a la mateixa ubicació que EVCS juntament amb la càrrega a fora de les bateries. Font: IEEE Smart Grids

Tot i que l’intercanvi de bateries genera preocupacions sobre la qualitat de la bateria intercanviada, en general, s'observa que els BSS ofereixen una major flexibilitat i comoditat per a totes les entitats implicades, especialment quan es consideren zones amb una densitat molt densa.

Font: IEEE Smart Grids

Transició energètica i flexibilitat.

Abans de que l’energia solar i eòlica s’implantessin àmpliament per tot el món, els sistemes elèctrics es dissenyaven amb atributs de flexibilitat que els permetia equilibrar la demanda variable i gestionar-la, amb la incertesa relacionada amb les pèrdues inesperades de les plantes de generació del sistemes elèctrics convencionals.

https://www.smartgrid.cat/2020/01/03/transicio-energetica-i-flexibilitat-visions-tecnologiques-den-ramon-gallart/

Túnels amb cables elèctrics que podrien escalfar les llars.

Els cables elèctric calents en els túnel, podrien ser una font de calor barata i baixa en emissión de carboni.

Sota els carrers de Londres hi han diversos quilòmetres de túnels de formigó amb un diàmetre de 2,5 metres folrats de cables de distribució d'energia que generen calor. Per refrigerar aquests túnels, hi han xemineies de ventil·lació  cada quilòmetre aproximadament unes per extreure l'aire calent i les altres per introduïrne de fresc.

Font: iStocks

Els investigadors de la London South Bank University  (LSBU) volen utilitzar aquesta calor residual. Un túnel típic d’1,8 quilòmetres entre eixos de ventilació produeix 400 quilowatts de calor, suficient per escalfar 100 cases o una petita oficina comercial, segons han trobat en una anàlisi preliminar feta amb l’operador de xarxa elèctrica de la ciutat del Regne Unit UK Power Networks .

Aquest esquema de recuperació de calor comportaria un terç de les emissions de carboni d’una caldera de gas que proporciona la mateixa quantitat de calor. Els investigadors van presentar aquest treball al Congrés Internacional de Refrigeració a l’agost.

Font: LanVisits

És molt difícil identificar exactament quants túnels de cable hi ha al món, però els túnels per cable es troben a sota de la majoria de les grans ciutats. Actualment hi ha diversos túnels que s'estan construint a Londres, i és probable que el Regne Unit tingui túnels amb una longitut total de diversos centenars de quilòmetres.

Les fonts renovables d’electricitat han aconseguit una  immensa tracció davant la crisi climàtica. Però la calor al Regne Unit i en molts altres països encara es basa en les calderes  de gas. Per assolir els objectius de reducció d’emissions de carboni de la Gran Bretanya, el govern del Regne Unit ha aprovat la prohibició de les calderes de gas en les noves construccions a partir del 2025. Això ha propiciat la cerca d’altres fonts de calefacció alternatives de baix contingut en carboni.

Si  es transfereix calor des d'un lloc que es vol refredar a un altre espai que cal escalfar, aquesta proposta peremtria aprofitar cost d'un i obtenir un estalvieu en les emissions de carboni.

Hi ha moltes fonts  d’energia properes als usuaris sense explotar a les ciutats que podrien proporcionar calor durant tot l’any. Aquesta  llista, inclou centres de transformació, clavegueres, centres de dades i túnels ferroviaris subterranis. Segons The Greater London Authority , a Londres hi ha una quantitat de calor suficient per satisfer la demanda de calefacció de tota la ciutat. El recent sistema de Bunhill, que va es preveu entri en servei a finals d'aquest any, canalitzarà la calor del metro de Londres per escalfar més de 1.300 habitatges al nord de Londres.

Font: The Guardian

Però la captació de calor dels túnels subterranis dels cable elèctrics, proporciona un altre oportunitat comercial. No només per la companyia distribuïdora d’energia, que podria vendre la calor residual, sinó que el refrigerar els cables redueix la seva resistència, de manera que es pot obtenir més eficiència.

I no cal cap equipament especial, només una simple unitat de ventiladors que transfereixi la calor de l’aire a l’aigua que circula pels serpentins que es poden canalitzar a una bomba de calor. En la seva anàlisi, l’equip d’investigació va col·locar la unitat de ventilació, en un eix de subministrament d’aire al capdavant d’un tram de túnel de cable d’1,8 km i també, en un eix d’escapament al final d’aquest. Els  càlculs, que es van obtenir entre el Juny i el Novembre, que va ser quan els túnels van genrar la màxima calor. A l'estiu, la calor es podria utilitzar per a l'aigua calenta, piscines o hivernacles, però, el sistema seria encara més beneficiós a l'hivern quan la demanda de calor és més gran.

Un intercanviador de calor instal·lat a l’eix del subministrament energètic, reduirà les temperatures de l’aire que envolta els cables en les túnels en 8 ºC, però la quantitat de calor recuperada, varia des d’uns 100 kW durant els mesos freds fins a 460 kW en els de calor. Un equipament, instal·lat a l’eix d’escapament, el sistema va produir uns 400 kW durant els sis mesos.

Font: London South Bank University. 

Antena que utilitza aigua salada i plàstic per la directivitat.

Una nova antena que utilitza aigua salada i plàstic en lloc de metall per donar forma a senyals de ràdio podria facilitar la fabricació de xarxes que utilitzin senyals VHF i UHF. 

El fet de poder concentrar l’energia d’un senyal de ràdio cap a un determinat receptor,  significa que pot augmentar l’abast i l’eficiència de les transmissions. Si es coneix la ubicació del receptor, es pot utilitzar una antena directiva. Però si la ubicació del receptor és incerta, o si es mou, o si  es vol canviar a un altre receptor, la direccionalitat, no és la millor opció. En aquest cas, els enginyers solen utilitzar una tècnica anomenada direccinalitat del feix, i fer-ho a  gran escala com  és el cas  dels mecanismes fonamentals de la creació de xarxes 5G.

Font: Lei Xing

La direcció al feix permet ajustar el focus de l'antena sense haver de moure-la a les diferents direccions. Es tracta d’ajustar les fases relatives d’un conjunt d’ones de ràdio a l’antena: aquestes ones interfereixen de manera constructiva i destructiva, anul·lant-se en direccions no desitjades i reforçant el senyal en la direcció que es vol enviar el senyal. També són possibles diferents patrons de feix o estats. Per exemple, és possible  voler un feix més ampli si s'envia el mateix senyal a diversos receptors en una direcció determinada o un feix més selectiu si  es vol comunicar amb un sol. 

Els investigadors han desenvolupat un avançat sistema d’antenes basat en líquids  que es basa en un ingredient fàcilment disponible: l’aigua salada.  Certament, no es tracta de la primera antena de líquid: aquestes antenes, que utilitzen fluids per transmetre i rebre senyals de ràdio, poden ser útils en situacions en què calen freqüències VHF o UHF (freqüències entre 30 MHz i 3 GHz). Solen ser petites, transparents i més reconfigurables que les antenes convencionals metàl·liques. Per aquestes raons, s'estan explorant per a aplicacions del  Internet de coses  (IoT) i el 5G.

Les antenes líquides que depenen de l'aigua salada tenen encara més avantatges, ja que aquesta substància és fàcilment disponible, de baix cost i és ecològica. Fins a l’actualitat s’han desenvolupat diverses antenes basades en aigua salada, però aquests dissenys es limiten a la facilitat que tenen en poder controlar i reconfigurar el feix.

Tot i això, en una publicació recent a les IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , Lei Xing i els seus col·legues del Col·legi d’Enginyeria Electrònica i de la Informació de la Nanjing University of Aeronautics and Astronautics of China han proposat una nova antena basada en aigua salada que aconsegueix 12 feixos direccionals. estats de direcció i un estat omnidireccional. La seva configuració circular permet una direcció completa del feix de 360 ​​graus i funciona per a freqüències entre 334 i 488 MHz.

Font: IEEE Spectrum

El disseny proposat consisteix en un pla de terra circular, amb 13 tubs acrílics transparents que es poden omplir(o buidar) amb aigua salada sota demanda. Un tub està situat al centre per actuar com un mono-pol conduït (el senyal de ràdio s'inicia a través d'un disc de coure a la base del tub). Al seu voltant, hi ha 12  mono-pols anomenats paràsits. Quan només se excita el mono-pol conduït, això crea un senyal omnidireccional. Però els 12 mono-pols restants, quan s'omplen d'aigua, treballen junts per actuar com a reflectors i donar la direcció del senyal emès.

La part més difícil del disseny d'aquesta antena és la manera de controlar eficaçment  els mono-pols paràsits de l'aigua. Per fer-ho, es va desenvolupar un sistema de control de líquids mitjançant micro-bombes, que es poden aplicar a altres antenes amb líquid.

La característica atractiva d’utilitzar mono-pols d’aigua és que tant l’alçada de l’aigua com l’estat d’activació es poden ajustar dinàmicament mitjançant tècniques micro-fluídiques, que tenen un grau de flexibilitat més alt que les antenes metàl·liques. També,  l'antena es pot desactivar totalment quan no està en ús.

Quan l’antena està completament apagada i es drena l'aigua, és gairebé indetectable pel radar. En canvi, aquest efecte és difícil d’aconseguir amb les antenes de metall.

El rang operatiu de la nova antena de 334 MHz a 488 MHz el converteix en un prometedor candidat  per a aplicacions de molt alta freqüències com es el cas de les usades en el IoT i les aplicacions marítimes. Una  limitació de les antenes basades en aigua salada,  és que la capacitat de l'aigua salada (mesura de la seva interacció amb els camps elèctrics) és sensible a la variació de la temperatura. 

Font: IEEE Spectrum