Guanyadors i perdedors de la transició energètica.

Tenir en compte múltiples objectius socials diferents dels costos, és fonamental per passar dels combustibles fòssils a l’electricitat renovable. 

El European Green Deal, té com a objectiu reduir dràsticament les emissions de gasos d’efecte hivernacle al sector elèctric el qual, podrien tenir substancials impactes econòmics i socials a les regions d’Europa central. Algunes regions podrien beneficiar-se més que d’altres de les noves oportunitats laborals i de la reducció de la contaminació atmosfèrica, mentre que d’altres s’enfronten a amenaces per  l’eliminació progressiva de les centrals nuclears i de carbó. 

Aquesta transició, cap a l'electricitat renovable corre el risc de crear nous guanyadors i nous perdedors. En un estudi publicat es quantifiquen els impactes  associats als objectius d’electricitat d’Europa, així com les desigualtats en costos, llocs de treball, emissions de gasos d’efecte hivernacle i partícules i ús del sòl. L’estudi demostra que és possible una distribució uniforme i justa de les tecnologies.

L’èxit futur per reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle, dependrà de la pública acceptació de les tecnologies disponibles, dels seus costos, però també dels seus impactes sobre la societat.  Els aerogeneradors, per exemple, es troben preferentment en zones ventoses properes a les costes oceàniques on poden generar més electricitat durant l'any. Tot i que les turbines eòliques podrien proporcionar nous llocs de treball, també poden degradar el paisatge i repercutir negativament en l'acceptació pública de noves instal·lacions. Les zones, varien de manera molt significativa quant a la seva capacitat per generar electricitat renovable, així com els seus costos. Un enfocament exclusivament en l’eficiència de costos pot conduir a desigualtats entre zones. Al contrari, establir només objectius socials, faria que l’electricitat sigui menys assequible.

Per tal de trobar el compromís adequat, s'han modelat 100 escenaris tècnicament i econòmicament viables, que podrien assolir els objectius del sector elèctric centreeuropeu en el 2035. A partir d’aquests escenaris, els investigadors destaquen els compromisos dels objectius de rendibilitat, electricitat renovable i igualtat regional.

Per abordar els aspectes regionals, s’ha tingut en compte una resolució espacial molt elevada. Aquest és l'estudi de modelatge més gran que té en compte consideracions d'equitat en aquests detalls espacials. En aspectes concrets, l'estudi se centra en les 650 regions de sis països d'Europa central: Suïssa, França, Polònia, Àustria, Alemanya i Dinamarca. Considera totes les principals tecnologies per generar electricitat, com la solar, l’eòlica, la biomassa i l’energia hidroelèctrica, i avalua els seus impactes regionals sobre els costos, l’ocupació, les emissions i l’ús del sòl. Es van modelar més de 100 escenaris per a l’estudi, de manera que es van seleccionar els tres escenaris més extrems per ressaltar els compromisos en la millora dels diferents objectius.

Igualtat regional a un cost assequible

L’estudi, demostra que aquests tres escenaris requereixen vies d’implementació molt diferents i condueixen a diferents impactes regionals. L'escenari de minimització de costos, fomenta una concentració espacial de costos i llocs de treball a algunes poques regions i, per tant, fomenta les desigualtats regionals. L’escenari d’igualtat regional fomenta uns costos de distribució i llocs de treball més uniformes, així com una reducció de les emissions, però tindria un impacte negatiu en l’ús del sòl. L’escenari que maximitza la generació d'electricitat renovable, té els impactes més greus en termes d’elevats costos i impactes en l’ús del sòl. Per tant, no es pot assolir cap objectiu sense afectar els altres i cal fer compromisos per fer la transició. Es demostra que és possible un compromís viable per garantir que els costos i beneficis de la transició renovable es reparteixin de manera uniforme entre regions, sense afavorir ni perjudicar cap regió. No es poden evitar els augments de costos, però poden ser acceptables si es poden millorar els objectius ambientals i socials d'una manera equitativa.

Justícia i equitat

Els països d’Europa central, han establert estratègies i plans ambiciosos per reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle en els propers 15 anys. Per exemple en el 2035, Suïssa té com a objectiu produir aproximadament quatre vegades més electricitat a partir de fonts d'energia renovables que avui. França, per la seva banda, voldria reduir la seva producció del 50%. 

Els models dels sistemes energètics són eines populars per als responsables polítics per transitar per la transició, quantificant la viabilitat tècnica i la rendibilitat de les estratègies d’energia verda. Tanmateix, la majoria de models no ofereixen una imatge més integral dels impactes i les desigualtats associades a la transició. Els polítics i els responsables de la presa de decisions saben que, sense equitat i justícia, els ciutadans no s'adheriran a aquests objectius, que corren el risc de quedar obsolets. Ara aquest estudi,  proporciona una potent eina que integra la igualtat regional i els objectius socials.

Font: Universitat de Ginebra (UNIGE) 

Final de l’hexafluorur de sofre.

Les torres elèctriques i els cables, formen part del paisatge dels països industrialitzats. Menys visibles però igual d’importants són les cel·les de maniobra. 

Molts d’aquests dispositius, són àmpliament utilitzats en sistemes de transport i distribució, així com en instal·lacions comercials i industrials. Tots ells, integren SF6 que és un gas d’efecte hivernacle. Afortunadament,  les taxes de fuites són baixes i els accidents són molt puntuals.

La gran quantitat de SF6 utilitzat a nivell de mitja tensió (MT) i alta tensió (AT),  genera problemes en el medi ambient. Això cada cop és més freqüent, ja que les extensions de xarxa en curs i la integració d’instal·lacions d’energies renovables estan augmentant el volum de SF6.

Hi ha alternatives ecològiques i eficients?

La normativa comportarà una disminució de l’ús de SF6 en un futur proper?

Per respondre a aquestes preguntes, cal fer servir els resultats del recent estudi empíric sobre l’impacte ambiental i socioeconòmic del SF6 i les seves alternatives. Aquest estudi, se centra a nivell de la MT, on les tecnologies alternatives són més avançades i s’espera que guanyin  més ràpidament terreny, que a nivell de l’alta tensió.

El gas d’efecte hivernacle més potent

Amb un impacte de l’escalfament global 23.500 vegades superior en comparació amb el CO2 i una vida atmosfèrica de 3.200 anys, el SF6 és el gas d’efecte hivernacle més nociu conegut. No en va, el Protocol de Kyoto llista l’SF6 com un dels sis gasos d’efecte hivernacle restringits per al seu ús (juntament amb CO2 , CH4 , N2O, HFC i PFC).

No obstant això, a causa de les seves excel·lents propietats tècniques, el SF6 s'ha utilitzat cada vegada més com a mitjà aïllant als nivells de tensió d'AT i MT des dels anys 50. Un dels seus principals avantatges és que permet fer instal·lacions més compactes,  en comparació amb els aparells aïllats amb aire. Aquest és un criteri especialment important a les zones urbanes on l’espai és limitat.

Switchgear és un terme general que abasta els dispositius de tall i la seva combinació amb equips de control, mesura, protecció i regulació associats. Aquests dispositius es troben a tot el sistema de transport i distribució d'energia.

Considerada rendible i d’alt rendiment, la tecnologia SF6 juga un paper important per a la fiabilitat de les xarxes de transport i distribució d’ energia a Europa, que constitueix l’eix vertebrador de la infraestructura necessària per oferir la transició energètica.

La Comissió Europea vigila SF 6

La normativa vigent de la UE sobre gasos F, prohibeix l'ús del SF6 en moltes aplicacions no elèctriques, però no en aparells de tall a nivell de MT. Avui dia, aproximadament dos terços dels 15 milions d’aparells de commutació de MT instal·lats a Europa (UE28) utilitzen SF6. Quan es va revisar per última vegada el reglament de la UE sobre gasos F en el 2014, es va considerar que no hi havia disponibles alternatives fiables i rendibles al SF6 .

No obstant això, al sector de la MT, aquest panorama està canviant lentament gràcies al progrés tecnològic. Recentment, la Comissió Europea ha publicat un informe que revalua la disponibilitat d’alternatives al SF6 en aparells de maniobra en MT. Basant-se en aquest informe, la Comissió podria suggerir esmenes a la regulació actual, inclosa una eliminació progressiva del SF6 en els aparells de maniobra a MT.

La indústria adoptarà alternatives sense SF6 ?

Avui dia, hi ha al mercat diferents alternatives a l’aparell SF6. Tot i això, els usuaris, semblen reticents a adoptar-los.

En aquest context, s'ha realitzat una enquesta a gran escala per entendre millor els criteris de compra del clients de cel·les de maniobra a nivell de MT, inclosos els aspectes tècnics, econòmics i mediambientals.

Els enquestats, van ser seleccionats per ser representants de l’empresa amb coneixements sobre aparells de maniobra. L’enquesta va ser completada de forma anònima per un total de 443 enquestats a cinc països europeus durant el novembre de 2019 i el gener de 2020.

Els resultats, revelen que els usuaris de sistemes de maniobra generalment preveuen una disminució de l’ús de la tecnologia SF6. Al mateix temps, segueixen sense saber quina tecnologia substituirà probablement el SF6. Les alternatives  actualment disponibles, es perceben com que ocupen massa espai, que són massa costoses o que no estan disponibles a proveïdors fiables.

De fet, la disminució en l’ús de SF6, sembla que es basa principalment en les polítiques: una majoria del 54% dels enquestats indiquen que les polítiques i les regulacions són el principal motor de la decisió de la seva empresa d’adoptar alternatives lliures de SF6 . Preguntats sobre les polítiques en general, els enquestats consideren els incentius financers (per exemple, subvencions) per als usuaris de cel·les de MV i la prohibició completa del SF6 com les dues polítiques més útils per promoure l’aparell de distribució MV sense SF6.

Pagar per aparells més respectuosos amb el medi ambient

Segons els enquestats, un preu de compra més alt és una de les principals barreres per a l'adopció d'una alternativa lliure de SF6. Al mateix temps, els participants a l'enquesta estaven disposats, en principi, a pagar més per opcions de commutació respectuoses amb el medi ambient, de mitjana fins a un 20% en comparació amb el seu preu de compra habitual. De la mateixa manera, la compatibilitat ecològica es va identificar com un dels criteris de compra més importants per als aparells de maniobra de MT.

Això indica que els clients estan disposats a avançar cap a alternatives   lliures de SF6 i, per tant, més ecològiques, tot i que queden barreres.

Accelerar la transició

El fet que els clients semblin preocupar-se pels aspectes ambientals en comprar aparells de MT suggereix que una etiqueta ambiental per als aparells de  MT podria ajudar a accelerar l’adopció de tecnologies alternatives. Aquesta etiqueta podria incloure, per exemple, una avaluació de l’impacte ambiental del producte o utilitzar-se per certificar l’aparellament lliure de gasos F.

Per adoptar àmpliament, les alternatives lliures de SF6 no només han de complir els requisits ambientals, sinó també tècnics i econòmics.

Tenint en compte aquestes limitacions, sembla poc probable que les forces del mercat siguin suficients perquè la majoria dels usuaris de commutació canviïn a tecnologies alternatives en un futur proper.

Una etiqueta de producte, podria donar suport a la transició, però és probable que siguin necessàries intervencions polítiques més profundes. Tot i que els volums de producció d’alternatives segueixen sent baixos i els preus elevats, els incentius financers per als usuaris podrien estimular l’adopció.

En última instància, una eliminació progressiva de SF6 en aparells de commutació MT impulsaria inevitablement fabricants i usuaris cap a solucions alternatives.

Font: Ramon Gallart

Oportunitats del hidrogen en un futur sistema energètic integrat.

Una nova investigació, identifica les oportunitats clau de l'hidrogen per proporcionar sinergies al sistema energètic dels EUA i quantifica els seus possibles impactes en els mercats d'hidrogen.

L’hidrogen, és l’element més abundant de l’univers, amb molts usos actuals i potencials a les indústries químiques i refineries, fabriques i transport. Produir-lo, també pot ajudar a resoldre reptes relacionats amb la integració d’alts nivells de fonts  renovables variables de la xarxa. L’Oficina de Tecnologies de Cel·les de Combustible i Hidrogen de l’Oficina d’Eficiència Energètica i Energies Renovables de DOE lidera la iniciativa H2@Scale per avançar en la producció, el transport, l’emmagatzematge i la utilització d’hidrogen a preus accessibles en múltiples sectors energètics.

Mitjançant la iniciativa, els analistes de NREL, en col·laboració amb els investigadors del laboratori nacional Argonne, laboratori nacional Idaho, laboratori nacional Lawrence Livermore i experts de la indústria, van avaluar el potencial tecno-econòmic per la realització d’un sistema d’energia d’hidrogen integrat a mitjans del segle XXI.

El concepte H2@Scale, es basa en utilitzar l'hidrogen com a intermediari energètic per integrar sectors al sistema energètic. L'hidrogen, pot ser una alternativa a les actuals fonts d'energia  per a la indústria i el transport i així, proporcionar un mercat més gran i una càrrega flexible d'electricitat, que pot impulsar el desplegament de la generació d'energia renovable.

El concepte d’escala  H2@Scale

La visió  H2@Scale, es basa en que l’hidrogen actuaria com una infraestructura energètica que complementaria la xarxa elèctrica, a més de tenir un paper més important als sectors industrial i de transport. Avui, la demanda d’hidrogen dels EUA és de 10 milions de Tm anuals. Principalment, s'utilitza al sector industrial per a la refinació de petroli, la fabricació de fertilitzants i la producció de productes químics. Els nous usos de l’hidrogen avaluats a l’informe, inclouen la fabricació d’acer, els combustibles sintètics, l’emmagatzematge d’energia, la injecció al sistema de gas natural i els vehicles amb piles de combustible. L'estudi va caracteritzar el potencial econòmic del consum d'hidrogen en els sectors actuals i emergents, donats els avenços en R+D i els preus variables del gas natural i l'electricitat. En el 2050, l'estudi estima que la demanda dels EUA d'hidrogen podria augmentar fins a 22-41 milions de Tm/any.

Un dels mètodes avaluats de generació d’hidrogen,  és l’electròlisi, que divideix les molècules d’aigua en àtoms d’hidrogen i oxigen mitjançant electricitat. L’electròlisi té baixes emissions quan l’electricitat es genera mitjançant energia renovable o nuclear, però actualment és més cara que la producció d’hidrogen a partir del gas natural. L'estudi va avaluar el potencial d'electròlisi basat en R+D que redueix el cost de l'electrolitzador i la integració dels electrolitzadors amb la xarxa elèctrica a granel i amb les centrals nuclears.

Com que els electrolitzadors de baixa temperatura només requereixen uns segons per encendre’s i funcionar a la màxima capacitat, l’hidrogen també pot complementar fonts d’energia renovables variables mitigant problemes d’intermitència. Pot servir com a càrrega sensible a la xarxa elèctrica, millorar l’estabilitat de la xarxa, reduir la reducció i crear un flux d’ingressos addicional per als generadors d’electricitat. Aquesta funcionalitat pot donar suport a l’augment de la penetració de les renovables. Per exemple, l’anàlisi H2@Scal, indica que un augment de la generació eòlica fins a 2X és factible donat el creixement de la demanda d’hidrogen i l’ús d’electrolitzadors per monetitzar l’electricitat de baix cost i disponible de manera intermitent.

Agregar la demanda futura

Aquest informe és el primer tractat de forma integral sobre el potencial econòmic de la futura demanda multisectorial d’hidrogen als Estats Units. Els analistes van identificar el potencial d'un augment de dos a quatre vegades en la potencial demanda  d'hidrogen en cinc escenaris futurs. La producció d'hidrogen en aquests escenaris requeriria del 4% al 17% de l'ús d'energia primària dels EUA, si es compleixen els objectius d'R+D i es superen les barreres.

Els cinc escenaris es basaven en supòsits clau com els preus dels recursos, les condicions del mercat, la investigació i el desenvolupament de la tecnologia de l’hidrogen i la disponibilitat d’infraestructures. L’escenari de referència utilitza les condicions actuals, assumint poca tecnologia o desenvolupament del mercat. L’escenari d’electròlisi de menor cost assumeix la tecnologia i el desenvolupament més agressius del mercat, amb els tres escenaris restants dins d’aquest rang.

Basant-se en els supòsits i els preus que pagaran els usuaris per l’hidrogen, el potencial del mercat podria ascendir a 22-41 milions de tones mètriques anuals. Els motors clau d’aquest creixement inclouen els preus del gas natural i la reducció del cost de l’electròlisi a baixa temperatura, tot i que la demanda pot augmentar amb altres opcions d’ hidrogen de baix cost .

La major part del creixement es produirà probablement a les zones urbanes, però la refinació de metalls, la producció de biocombustibles i la producció de metanol podrien augmentar a les zones rurals.

Preguntes a resoldre

Per aprofitar el potencial del concepte H2@Scal, caldrà continuar la investigació, el desenvolupament i el desplegament, especialment per a la tecnologia dels electrolitzadors. A més, la contínua evolució dels mercats d’electricitat que permetria als electrolitzadors monetitzar els serveis d’energia i xarxa que poden proporcionar permetrien oportunitats considerables. Les futures anàlisis haurien de tenir en compte qüestions regionals, costos de transport i emmagatzematge i factors clau en les transicions econòmiques per fer créixer els mercats identificats.

Font:  Laboratori Nacional d'Energies Renovables (NREL) del Departament d'Energia dels Estats Units (DOE)

Més capacitat per generar energia elèctrica PV.

S'està treballant per maximitzar l'eficiència dels panells solars gràcies a la superposició de materials avançats sobre el silici tradicional, sembla ser un prometedor camí per obtenir més energia de la llum solar. 

Un nou estudi demostra que, mitjançant un procés de fabricació controlat amb precisió, que és possible fabricar panells solars multicapa amb el potencial de ser 1,5 vegades més eficients que els panells de silici tradicionals.

Els panells solars de silici són freqüents perquè són assequibles i poden convertir una mica més del 20% de la llum del sol en electricitat útil, no obstant això, igual que els xips d'ordinador de silici , les cèl·lules solars de silici arriben al límit de les seves capacitats, de manera que trobar una manera d'augmentar l'eficiència és un atractiu per als proveïdors d'energia i pels consumidors.

Per això, s'ha estat treballant per posar al material semiconductor fosfur d’arseniur de gal·li sobre silici perquè els dos materials es complementen. Tots dos materials absorbeixen fortament la llum visible, però el fosfur d’arsenur de gal·li ho fa alhora que genera menys calor residual. En canvi, el silici te més pot onvertir l'energia de la part de l'espectre solar infraroig.

Les cel·les tàndem solars, funcionen en equip i aprofiten les millors propietats d'ambdós materials per fer possible fabricar un sol dispositiu més eficient.

Tot i que el fòsfor de arseniur de gal i altres materials semiconductors com aquest són eficients i estables, són cars, de manera que fabricar panells compostos completament d’ells no és raonable per a la producció en massa en aquest moment. Per tant, s'utilitza el silici de baix cost com a punt base.

Durant la fabricació, els defectes del material es troben a les capes, particularment a les interfícies entre el silici i el fosfur d’arseniur de gal·li. Es produeixen petites imperfeccions, cada vegada que els materials amb diferent estructura atòmica es recobreixen sobre silici, comprometent tant el rendiment com la fiabilitat.

Sempre quina base cal canviar entre un material a un altre', en aquest sentit, sempre hi ha el risc de crear algun trastorn en la transició. Per això s'ha desenvolupat un procés per formar interfícies verges a la cel·la de fosfur d'arseniur de gal·li, que va portar una gran millora respecte als anteriors treballs en aquesta àrea.

Finalment, una empresa de generació elèctrica, podria utilitzar aquesta tecnologia per obtenir 1,5 vegades més energia amb una mateixa superfície de les  finques solars, o un consumidor podria utilitzar 1,5 vegades menys espai per als panells del terrat.

Tot i que encara hi ha obstacles en el camí cap a la comercialització, s'espera que els proveïdors d'energia i els consumidors vegin el valor d'utilitzar materials estables per aconseguir un augment del rendiment.

Font: Universitat d’Illinois

Els nous materials, ajudaran a assolir les emissions zero de CO2.

Nova generació d'electrònica ultra-eficient per ajudar a aconseguir emissions zero de carboni pel 2050.

El creixement de les tecnologies digitals, els telèfons intel·ligents, les xarxes intel·ligents, els vehicles elèctrics i les energies renovables,  donaran lloc a un espectacular augment dels dispositius electrònics. S’ha estimat que hi haurà gairebé 30.000 milions de dispositius connectats en xarxa en un termini de tres anys.

Aquests dispositius digitals tenen un cost de carboni, no només pels materials que s’utilitzen per fabricar-los, sinó també per l’energia necessària per alimentar-los. La solució és desenvolupar dispositius electrònics que siguin ultra eficients i que utilitzin nivells de potència molt baixos. L'objectiu net-zero impulsarà el canvi en el sector electrònic. Per això, ja s'està treballant amb socis industrials per desenvolupar investigacions col·laboratives que permetran adoptar noves idees, tecnologies i fer nou enfocaments més ràpidament.

Disposar de polítiques que estableixin objectius de consum d'energia i donin suport a l'economia circular a través de consideracions al final de la vida també serà un factor crític a l'hora d'establir un entorn perquè un país  adopti una posició de lideratge en el desenvolupament de l'electrònica de baixes pèrdues.

El paper que una empresa juga en el desenvolupament d’electrònica més ecològic, forma part d’una estratègia més àmplia adoptada per les principals organitzacions de recerca de materials orientades en reduir la dependència del carboni.

Els científics responen al repte zero-net

Per exemple, al Maig del 2019, el govern del Regne Unit va anunciar el seu compromís d’assolir el zero net el 2050.  Com a resposta, l’Institut Henry Royce, una associació de nou institucions líders implicades en la investigació de materials avançats, juntament amb l’Institut de Física i l’Institut de Fabricació de la Universitat de Cambridge van convocar una sèrie de reunions per identificar formes acadèmiques i explorar com els investigadors de la indústria podrien ajudar a oferir tecnologia verda assequible i fiable.

El resultat d'aquesta col·laboració van ser cinc "fulls de ruta" tecnològics que descriuen com els desenvolupaments en diverses àrees clau de recerca podrien tenir un paper important en la reducció de les emissions de gasos d'efecte hivernacle. Aquests fulls de ruta cobreixen:

1.- Materials per a sistemes fotovoltaics, que augmentarien la quantitat d'energia generada per les plaques solars.

2.- Materials per a mètodes baixos en carboni per a la generació d'hidrogen i matèries primeres químiques.

3.- Materials de conversió d’energia termoelèctrica que es troben en sistemes de calefacció, refrigeració i climatització.

4.- Materials de conversió d'energia calòrica, per eliminar l'ús de carboni en sistemes de calefacció i refrigeració.

5.- Materials per a productes electrònics de baixa pèrdua, que donarien lloc a una electrònica i una informàtica més eficients en potència.

També, es van fer una sèrie de recomanacions, incloses les crides a una major inversió en instal·lacions de recerca i de proves de materials, noves lleis per garantir l'adopció de noves tecnologies ecològiques i que la sostenibilitat sigui el centre de qualsevol nou material avançat. Clarament cal una formació addicional en habilitats per garantir que hi hagués prou investigadors per treballar al sector.

L’objectiu legalment obligatori dels governs d’arribar a emissions netes de zero per al 2050 significarà un gran augment de les nostres accions, com a indústries, empreses i particulars. 

Fer la transició cap a una energia més neta i ecològica que satisfaci les necessitats creixents de diversos sectors, des del transport fins a les empreses de serveis públics i les persones a qui serveixin, alhora que redueixi els nostres fluxos de residus, requerirà una innovació continuada de la indústria i el suport i la intervenció dels Governs.

Font: Universitat de Leed

Consum d’energia flexible per al sector industrial.

La volàtil producció d’electricitat dels parcs eòlics i de les  plantes fotovoltaiques poden ser un problema pels distribuidores electrics, donada la necessitat de mantenir un subministrament estable, fins i tot quan aquestes instal·lacions generen poca o cap quantitat d'electricitat. 

Una part de la solució a aquest problema és adaptar el consum d'energia a la producció fluctuant de la generació eòlica i solar. 

Validar aquest innovador concepte pasa per demostrar demostrar que la producció adaptativa a l’energia —adaptar el consum d’energia de la indústria a la capacitat de generació real— no només funciona a la pràctica, sinó que també redueix les emissions de CO2 .

Atesa el canvi climàtic, és àmpliament acceptat la necessitat d'ampliar la generació eòlica i fotovoltaica d'energia. De fet, sense una reestructuració a gran escala del subministrament elèctric, serà impossible assolir els objectius ambiciosos de la transició cap a un sistema energètic sostenible. Tot i això, el problema que presenta l’electricitat procedent de les fonts renovables és la seva variabilitat i fluctuació constant sobretot com a resultant de les condicions meteorològiques i l’hora del dia. El fet de dependre d’una font d’energia altament volàtil significa que els distribuïdors han d’actuar amb la xarxa de forma regular i de vegades a un cost considerable, per garantir un subministrament fiable d’electricitat a tots els nivells de la demanda. Aquestes mesures inclouen l’ajust de la producció de les centrals elèctriques el desviament de l’energia cap a les xarxes de distribució i, en última instància, l’ampliació de la infraestructura de xarxa. L’emmagatzematge de bateries també és una potencial solució. Això, però, continua sent impracticable a causa de l'escala de la volatilitat i dels alts costos d'inversió.

Recentment, s'ha presentat un nou enfocament per gestionar les fluctuacions d'aquestes fonts d’alimentació. Aquesta investigació forma part de SynErgie, un projecte sota la coordinació general de l’Institut Fraunhofer per a l’enginyeria de fabricació i automatització IPA i en cooperació amb l’Institut Fraunhofer per a circuits integrats IIS IIS. Aquest consorci està dissenyat com compensar les fluctuacions de les energies renovables fent ajustos al consum d'energia de la indústria. 

El consum d’energia se sincronitza amb la generació.

La darrere idea, pasa per ajustar els requisits de potència de la indústria a la capacitat de generació real. Això implica programar processos de producció que consumeixin molta electricitat durant períodes en què hi hagi molta producció gràcies al sol i al vent. Al seu torn, quan es redueix la generació eòlica i fotovoltaica, es dóna preferència a les plantes amb baix consum d’energia. En casos específics, també es pot reduir temporalment l’ús de maquinàries que consumeixen molta energia. Tot i aquestes mesures per ajustar el consum d'energia, les empreses continuen complint els seus objectius de producció.

S'han fet proves  a Augsburg i els voltants, on hi ha una secció representativa de la indústria alemanya, que inclou empreses del sector de l’enginyeria, la producció de metalls, el treball del metall, el paper, la química i els plàstics. Actualment, les energies renovables representen al voltant del 35 % del subministrament d'energia total de la regió. Com a tal, Augsburg i els voltants representen una típica  regió industrial alemanya. Per tant, és un lloc ideal per investigar el potencial de la producció adaptativa a l’energia, identificar qualsevol problema associat i implementar solucions prototípiques.

Processos que requereixen molta energia

Cal centrar-se  en processos i plantes que consumeixen molta energia, en particular, aquells sectors que consumeixen molta energia tenen plantes i equips que es poden fer més adaptables a l'energia,  tenint en compte l'escala que comporta, això té un efecte tangible sobre el sistema elèctric. Entre els processos que requereixen un intensiu consum d’energia s’inclouen la fosa a les foneries, la formació en la fabricació d’acer i la producció de pasta a la indústria del paper. També es pretén descobrir si les mesures per implementar una producció adaptativa a l'energia tindran un impacte en la producció i en el balanç energètic. Això és particularment rellevant quan la producció es redueix temporalment i després es torna a augmentar, ja que sovint es necessita molta energia per reiniciar aquest tipus de la maquinària.

Els resultats mostren que les instal·lacions de producció adaptables a l'energia poden ser rendibles i que es pot reduir la petjada de carboni del sistema general. La implementació de les tres mesures bàsiques  per introduir una producció adaptativa de l'energia a la regió d'Augsburg té un impacte en el balanç energètic regional equivalent a una central de combustible fòssil de mida mitjana,  què, com a conseqüència de la major proporció de renovables en el mix de combustible, les emissions de CO2 de la generació d'energia també disminueixen.

Preus de l'electricitat incorporats al sistema ERP

Com reben les empreses informació actualitzada sobre el nivell de generació d’energia? Aquí, les dades dels intercanvis d’energia poden jugar un paper important, ja que les fluctuacions en la producció de producció tenen un efecte directe sobre el preu de l’electricitat. En plataformes com EPEX SPOT, el preu dels megawatts depèn del moment en què es consumeix l'energia, entre altres coses. La idea que hi ha darrere de la producció adaptativa a l'energia és, per tant, que els sistemes de planificació de recursos empresarials (ERP) de les empreses haurien d'incorporar no només dades internes de l'empresa, sinó també el preu actual de l'energia juntament amb les previsions sobre els seus moviments futurs. Això permet que la planificació de la producció prevegi  les operacions sobre la base de tots els paràmetres i dades rellevants i, per tant, redueixi els costos energètics sense posar en perill els objectius de producció o, el pitjor de tot, comprometre la qualitat del producte. 

Avantatges presents i futurs per a les empreses

Per tant, en primera instància, SynErgie és atractiu per a empreses que consumeixen molta energia. Tanmateix, en el futur, les petites i mitjanes empreses també podrien beneficiar-se d’aquest nou sistema, ja que els podria evitar períodes costosos de càrrega màxima, per exemple, o comercialitzar la seva pròpia capacitat agregada per adaptar les seves operacions de producció al subministrament. nivells. Si la indústria aconsegueix adaptar el seu consum d’electricitat al nivell real de generació, les companyies elèctriques necessitaran menys centrals convencionals per compensar les fluctuacions de la capacitat de generació i la necessitat d’ampliar ràpidament la xarxa elèctrica també serà menys urgent. Al mateix temps, un mix intel·ligent de tecnologia assegurarà un millor ús de la capacitat de generació regional i contribuirà a establir Alemanya com un mercat líder en tecnologia energètica.

Font: Institut Fraunhofer-Gesellschaft

La generació elèctrica mundial, encara lluny de les renovables.

Un empresari ecologista de la Universitat d'Oxford ha realitzat una anàlisi de les principals empreses generadores d'electricitat a tot el món i ha comprovat que no estan fent molt per passar dels combustibles fòssils a alternatives més ecològiques. 

En el seu article publicat a la revista Nature Energy, Galina Alova descriu l’anàlisi dels grans productors d’electricitat de països de tot el món i el que va trobar.

A mesura que el planeta continua escalfant-se a causa de l’augment dels nivells de diòxid de carboni a l’atmosfera (i altres gasos), els científics continuen han estudiat el paper que juguen els principals productors d’electricitat en l’escenari actual. En concret, es volia saber si treballen per reduir la seva dependència dels combustibles fòssils (sobretot el carbó), avançant cap als recursos renovables .

Actualment, la Xina, l’Índia i els Estats Units són els països que consumeixen més carbó i la major part es dirigeix ​​cap a la generació d’electricitat. Als Estats Units, el carbó encara representa el 65% del consum energètic. I la Xina, consumeix més carbó que la resta del món junts.

La major part del treball, va consistir en analitzar les dades que descrivien les fonts de combustible que utilitzen 3.311 companyies elèctriques repartides per tot el món i les inversions que van fer per a futures fonts de combustible durant els anys 2001 a 2018. En fer-ho, es va descobrir que només el 10% de les empreses, prioritzaven els combustibles renovables per sobre dels combustibles fòssils convencionals. Les inversions realitzades en el passat recent, van anar cap al desenvolupament de fonts de combustible destinades a ser utilitzades en el futur. Tot i que moltes d'aquestes empreses han invertit en fonts renovables, ho han fet s'han obtingut preus molt més baixos.

Els principals productors elèctrics de tot el món encara estan molt compromesos amb l’ús de combustibles fòssils, una actitud que podria dificultar molt l’assoliment dels objectius del canvi climàtic. Si aquestes plantes continuen cremant combustibles fòssils, particularment carbó, l’única manera de minvar les conseqüències, és capturar el diòxid de carboni que emeten.

Font: Universitat d'Oxford

Viabilitat de les bateries per aplicacions offshore

Actualment, les tecnologies de les bateries de ions de liti dominen el mercat  d’emmagatzematge d’energia, un sector important i  en creixement a mesura que s'aposta per la generació d’energia renovable variable amb fiabilitat per ajudar a descarbonitzar el sistema energètic global. 

El modelatge actual no és gaire representatiu de com funcionen realment aquestes bateries, ja que sovint, aquests models no tenen en compte la degradació ni la vida útil de les bateries, cosa que directament afecta als costos i al valor afegit del sistema d'emmagatzematge d'energia.

Per solucionar això, Sakti va treballar amb col·legues del Laboratori de Sistemes d’Informació i Decisió (LIDS) del MIT per investigar sis representacions matemàtiques, incorporant creixents graus de detall i representació de la degradació de la bateria, per avaluar els ingressos del mercat d’energia i la capacitat generats a partir del aparellament d’un sistema d’emmagatzematge d’energia de bateria d'Ió-Li (BESS) amb un parc eòlic marí.

Es va analitzar, primer l'actual mètode de modelatge predominant, que suposa quantitats fixes per a elements del rendiment de la bateria, com ara l’eficiència de càrrega i descàrrega,  la potència nominal, i sense descuidar la degradació que es produiria a causa de la disminució de la capacitat de la bateria amb el pas del temps i amb els cicles. Es va desenvolupar i avaluar cinc  millorats models  que millor reflecteixen el com funcionaria una bateria en un espai físic, tenint en compte aquesta degradació de la capacitat, així com els límits de potència deguts al seu estat de càrrega i eficiència en funció de la potència de descàrrega. La seva investigació revela que el valor potencial d'una bateria està directament lligat a la forma en què es descarrega i com circula l'energia.

Després de comparar els cinc avançats models, es va determinar que el plantejament "SUM" era la millor opció per avaluar el seu cas d'estudi: un parc eòlic marí a Nova York. 

Una característica important d’aquest model en particular, és que explica la degradació ja que la suma de la capacitat que s’esvaeix a les cel·les de la bateria causada pels cicles (resultant de carregar i descarregar la bateria) i l’envelliment pel pas del temps, independentment de l’ús. Amb aquest enfocament, una  determinada bateria, només funciona si els ingressos cobreixen els costos de la capacitat.

Utilitzant el model SUM amb dades de preus i eòlics per a Nova York durant el 2010-2013, es  va avaluar quatre dissenys de sistemes eòlics offshore amb emmagatzematge de bateries: 

1.- Parc eòlic offshore sense BESS, 

2.- Un BESS situat a terra, 

3.- Un BESS situat a alta mar

4.- Un sistema híbrid que utilitza BESS tant a terra com a alta mar per avaluar els impactes de la ubicació del sistema de bateries en la seva rendibilitat global. 

Després d’incorporar altres factors de decisió, com la reducció del vent, la mida del cable i el BESS, es va veure que la localització del sistema de bateries a terra mentre funcionava dins del seu rang del SoC, s'obté el màxim potencial d’ingressos de manera que, pot compensar els costos relacionats amb la degradació.

Sovint, l'emmagatzematge d'energia s'identifica com un factor clau per a una expansió a gran escala d'energies renovables a la xarxa elèctrica. No obstant això, les bateries segueixen sent un nou tipus d'actiu al sistema elèctric de manera que sorgeixen moltes preguntes sobre com utilitzar-les millor. Aquesta recerca,  sobre la representació millorada de la bateria en models d'optimització del sistema d'energia, permet vies avaluacions més realistes i eficients cap a un sistema d'energia descarbonitzat.

Amb aquesta finalitat, es va demostrar que els ingressos de les bateries es poden sobreestimar significativament quan s’utilitza el model menys avançat emprat actualment  per avaluar el valor afegit d’una bateria en un determinat sistema d’emmagatzematge d’energia. Utilitzant el model avançat, es va tenir en compte els canvis en l’eficiència de la bateria, els investigadors van demostrar que els ingressos de la bateria en els mercats d’energia i de capacitat pel cas de prova, no eren prou grans com per recuperar els costos d’inversió de la bateria. El valor afegit d’un MWh d’emmagatzematge d’energia va variar entre 2 i 4,50 US$ per MWh d’energia eòlica, cosa que va comportar un cost  de les bateries per l'equilibri del sistema que oscil·lava entre els 50 i els 115 US$ per kWh.

Amb aquestes avançades hipòtesis de modelització de les bateries, es pot estimar amb més precisió el valor dels actius d'emmagatzematge d'energia, cosa que ajudarà a prendre futures decisions sobre les inversions i les operacions. A més, tenir en compte el rendiment dinàmic i el comportament de degradació de l'emmagatzematge d'energia de les bateries pot canviar l'avaluació del valor econòmic i proporcionar l'oportunitat a altres tecnologies emergents, com ara les bateries de flux o l'emmagatzematge basat en hidrogen, mitjançant comparacions més precises.

Amb les preocupacions sobre un bloqueig de tecnologia de bateries de ions de liti [que, en essència, significa que aquesta tecnologia dominant expulsaria els seus competidors, com ho demostren les multiples  fallides a la indústria de les bateries], aquest anàlisi, pot ajudar als inversors i als responsables polítics per entendre millor les compensacions i  poder prendre decisions a nivell de recerca. També, millorar la comptabilització dels costos i els beneficis del cicle de vida en múltiples aplicacions més enllà de l’ús principal d’aquestes bateries, per exemple, l’ús d’una bateria per a serveis secundaris de xarxa un cop hagi arribat al final de la seva vida en un cotxe.

En futures investigacions, es preveu estudiar una gamma més àmplia de químiques de bateries i el seu potencial valor en comparació amb les bateries de ions de liti. També es considerarà altres variacions espai-temporals que podrien afectar el valor de l’ emmagatzematge d’energia, com ara ubicacions geogràfiques, aplicacions de bateries.

En general, es vol desenvolupar anàlisis millorats per a sistemes energètics baixos en carboni, que això inclou algoritmes computacionalment eficients que poden resoldre la variabilitat i la incertesa dels recursos renovables, i també modelar formulacions que poden respondre a preguntes clau sobre el disseny del mercat elèctric i la política energètica-ambiental que afecten la transició energètica arreu de tot el món.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Més enllà del comptador elèctric.

Els sistemes d’emmagatzematge d’energia basats en bateries químiques (BESS) estan sorgint en tots els àmbits del sector elèctric, inclosos els serveis de generació, serveis auxiliars, serveis de transport, distribució i serveis de gestió d’energia dels consumidors.

Les aplicacions dels BESS al sector elèctric es divideixen en tres categories: 

Comptador frontal (FTM): Són aquells que s’integren en una instal·lació de generació, a la xarxa de distribució o un sistema de transport per a les aplicacions que es resumeixen a la següent taula:

Darrere del comptador (BTM): Estan connectats darrere del comptador dels distribuïdors que poden ser consumidors comercials, industrials o residencials i el seu principal objectiu, és la gestió de l’energia del consumidor i l’estalvi de la factura d’electricitat. El BTM BESS actua com a càrrega durant els períodes de càrrega de les bateries i actua com a generador durant els períodes de descàrrega de les bateries.

L'aplicació del BTM BESS podria ser per complir un o més dels propòsits següents:

• Retall de pics de consum i gestió de la demanda
• Gestió del cost energètic del temps d’ús
• Continuïtat del subministrament d’energia durant l’aturada del subministrament elèctric
• Gestió de la qualitat de l'energia i limitació de les pertorbacions aigües amunt
• Compensació de la potència reactiva
• Càrrega ràpida EV

Concepte BTM BESS

Un BTM BESS, està en paral·lel a la xarxa de subministrament del distribuïdor, s’hauria d’utilitzar únicament pel costat del consumidor i no hauria d’haver cap flux d’energia cap a la xarxa. A més del BTM BESS, també hi pot haver BTM PV o altres tipus de recursos energètics distribuïts (DER) a les instal·lacions del consumidor.

El flux general d’energia en una instal·lació industrial que conté sistemes BTM BESS i BTM PV es mostra a la figura 1.

Cal assegurar-se que un BTM BESS no descarrega energia activa a la xarxa. Per complir aquest requisit, el sistema BESS supervisarà contínuament la càrrega de la instal·lació i ajustarà la descàrrega del BESS perquè no superi el consum de la instal·lació. A més d’aquesta mesura, s’utilitzarà un relé de control de potència inversa al punt de subministrament de la xarxa elèctrica per evitar la injecció d’energia a la xarxa del distribuïdor en cas de fallada del sistema del control del BESS.

Al igual que el FTM BESS o el DER, el BTM BESS haurà d’estar equipat amb un sistema de protecció per no poder subministrar energia en mode illa o desconnectat de la xarxa elèctrica. En el cas que els inversors BESS no puguin complir els requisits anteriors  estipulats a la norma IEEE 1547, serà necessari per separat un sistema de detecció anti-illa remot o local.

Els inversors BTM BESS seran bidireccionals per poder carregar i descarregar. A més, aquests inversors seran bimodals, és a dir, per poder funcionar com a generador iamb capacitat de poder crear una xarxa en cas de tall de xarxa del distribuïdor i sigui necessari per al funcionament en mode illa del BTM BESS. Hi han diversos mètodes de control per operar l’inversor BTM BESS en mode illa. Es requereix un exhaustiu examen del sistema de control per al funcionament en mode illa de l’inversor BTM BESS de manera que cal evitar connectar i desconnectar grans  càrregues de forma. Un sistema d'alimentació ininterrompuda (SAI) és un cas especial de l'aplicació BESS que s'utilitza a les indústries per proporcionar subministrament continu a les càrregues crítiques. 

Descripció de les aplicacions BTM BESS

La gestió de les càrregues i la reducció dels pics de consum pel consumidor: permet minimitzar  part de la seva factura que varia segons la seva demanda d’energia més alta i reduir els costos globals del servei elèctric,  reduint les despeses de demanda durant els períodes punta especificats per la companyia.

La gestió del cost energètic i del temps d’ús: Correspon a la facturació d'acord a quan les tarifes són baixes i fer la descarrega de la bateria, durant les hores punta, això, també, permet de reduir la factura del consum elèctric.

La continuïtat del subministrament elèctric: Relacionat amb la capacitat de substituir la xarxa elèctrica del distribuïdor, en cas d’interrupció, reduint així els inconvenients  en cas d’apagada.

La gestió de la qualitat de l’energia: Amb l’objectiu de proporcionar un alt nivell de qualitat d’energia per sobre del que ofereix la distribuïdora, on les càrregues crítiques de la instal·lació són molt importants. A més, es podria utilitzar per a la limitació de les pertorbacions transmeses als nivells superiors.

La compensació de la potència reactiva: Es refereix a la capacitat del convertidor per compensar localment la potència reactiva i, per tant, influir en la tensió d’alimentació.

La integració de càrrega ràpida de vehicles elèctrics (EV): La integració en paral·lel al subministrament de xarxa convertida en corrent continu per carregar vehicles elèctrics o subministrar les màximes càrregues de corrent continu sense incrementar la potencia contractada. Si només s’utilitza per carregar,  no cal que el seu inversor sigui bidireccional.

 Font: IEEE Smart Grid