Coets amb energia nuclear.

Malgrat la controvèrsia que suscita l'energia nuclear a la Terra, els reactors nuclears podrien produir l'energia i la propulsió necessàries per portar grans naus espacials a Mart  o inclús, més enllà. La idea dels propulsors per coet nuclear, es remunta als anys quaranta. Actualment, donat els plans de missions interplanetàries impulsats per la fissió i la fusió nuclears, ha generat pensar en nous dissenys que tindrien moltes més possibilitats.

Els propulsors nuclears, podrien trobar la seva aplicació als viatges interplanetaris però fora de  l’atmosfera terrestre gràcies a que els coets pulsates amb hidrogen servirien per llançar el coet fora de l’òrbita baixa terrestre de manera que, només llavors arrencaria el sistema de propulsió nuclear.

El repte estar en com fer que aquests motors nuclears siguin segurs i lleugers. Gràcies als nous dissenys de combustibles i dels reactors seria possible, per això, la NASA treballa ara amb socis de la indústria aeroespacial  privada per fer possibles futures missions espacials tripulades amb combustible nuclear. La propulsió nuclear seria avantatjosa si  es vol anar a Mart i tornar en menys de dos anys de manera que, per permetre aquesta capacitat d'una missió, cal avançar amb una tecnologia clau  com és el combustible.

En concret, el combustible ha de suportar les altes temperatures i les condicions volàtils dins d’un motor nuclear tèrmic. Actualment, hi han dues empreses les quals afirmen què els seus combustibles són prou robustos per a un reactor segur, compacte i d'alt rendiment. De fet, una d’aquestes empreses ja ha lliurat un disseny detallat conceptual a la NASA.

La propulsió tèrmica nuclear utilitza l'energia alliberada per reaccions nuclears per escalfar l'hidrogen líquid a uns 2.430 °C, aproximadament vuit vegades la temperatura dels nuclis de les centrals nuclears. El propulsor s’expandeix i expulsa els brocs a enormes velocitats. Això pot produir el doble d’empenta per massa de propulsió en comparació amb la dels coets químics actuals, cosa que permetria als coets amb motor nuclear viatjar més lluny i més ràpidament. A més, un cop a la seva destinació, per exemple a la lluna de Saturn, Tità o Plutó, el reactor nuclear podria canviar del sistema de propulsió per fer de font d'energia elèctrica i això, permetria a la nau enviar dades d'alta qualitat durant anys.

Els combustibles d’urani poc enriquits, que s’utilitzen a les centrals elèctriques comercials, serien més segurs d’utilitzar, però poden arribar a ser fràgils i a trencar-se per les temperatures que hauria de suportar i també, els atacs químics de l’hidrogen què és extremadament reactiu.

Tot i això, Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), amb seu a Seattle, utilitza un combustible d’urani enriquit per sota del 20 %, que és un grau superior al dels reactors nuclear de les centrals elèctriques. Aquest combustible, conté partícules microscòpiques d’urani recobert de ceràmica disperses en una matriu de carbur de zirconi. Les microcàpsules mantenen els subproductes de fissió radioactiva a l’interior i deixen escapar la calor.

BWX Technologies , amb seu a Lynchburg, va treballar sota un contracte de la NASA per revisar dissenys que utilitzen un combustible compost ceràmic similar i també revisar una forma de combustible alternatiu integrat en una matriu metàl·lica. Des del 2017, es treballa en el disseny d'aquest.

Els dissenys de les dues empreses depenen de diferents tipus de moderadors. Els moderadors frenen els neutrons energètics produïts durant la fissió perquè puguin mantenir una reacció en cadena, en lloc de copejar i danyar l'estructura del reactor. BWX intercala els seus blocs de combustible entre elements d'hidrur, mentre que el disseny únic de USNC-Tech, integra un moderador de metall de beril·li al combustible de manera que aquest combustible es queda en una sola peça i sobreviu a les condicions del hidrogen i la radiació a altes temperatures i no consumeix tots els neutrons del reactor.

Els científics del Laboratori de Física del Plasma de Princeton, utilitzen aquest reactor experimental per escalfar plasmes de fusió de fins a un milió de ºC, en el llarg viatge per fer possible el desenvolupament dels coets amb fusió per a viatges interplanetaris.

Hi ha una altra via per fer possible de forma segura els petits coets nuclears i són els reactors de fusió. La fusió principal utilitza combustibles de deuteri i triti, però s'està treballant per fabricar un reactor que es basi en la fusió entre àtoms de deuteri i heli-3 en un plasma a alta temperatura, que produeixi molt pocs neutrons. No interessen els neutrons perquè poden afectar el material estructural convertint-lo en més feble i radioactiu, però certament, necessitaria molt menys combustible que la fusió convencional, i el dispositiu podria ser una mil·lèsima part.

En teoria, la propulsió de fusió podria superar amb escreix la propulsió basada en la fissió, perquè les reaccions de fusió alliberen fins a quatre vegades més energia. No obstant això, la tecnologia no és tan llarga de manera què, s’enfronta a diversos reptes, com ara generar i contenir el plasma i convertir eficaçment l’energia alliberada en un gas dirigit per les toberas d'escapament.

Pel contrari, USNC-Tech ja ha fet petits prototips  basats en el seu nou combustible de manera què s'està en camí de complir l'objectiu de la NASA de tenir un sistema de demostració a mitja escala a punt per al seu llançament pel 2027. El següent pas seria construir un sistema a gran escala per anar a Mart i fer possible una missió pel 2035.

Font:  Laboratori de Física del Plasma de Princeton

Limitació de la calor en les centrals elèctriques.

No hi ha dubte que la temperatura de la Terra està augmentant. Segons un informe de l'Organització Meteorològica Mundial de Desembre, el 2020 ha estat un dels tres anys més calorosos registrats, ja dins de la dècada més càlida fins ara. Durant els mesos de l'any més calorosos, molta gent confia en els sistemes de de climatització  per estar més còmodes. Però les centrals elèctriques que generen aquesta electricitat, aviat podrien trobar-se en un cicle viciós en un món en escalfament i no ser capaços de lliurar les demandes creixents en el dies més calorosos i així, augmentar les emissions de gasos d'efecte hivernacle a nivells perillosos.

La generació d'energia tèrmica està desavantatjada en un món tèrmic. Actualment, les centrals tèrmiques que actualment generen la major part de l'electricitat a nivell mundial, ja han de reduir la seva producció elèctrica en els dies calorosos a causa de les limitacions de refrigeració de les plantes. En els dies més calorosos, la capacitat de la central elèctrica es pot reduir en més d’un 10%, perquè l’aire i l’aigua que s’utilitzen per refredar les plantes són massa calentes. Aquesta pèrdua de capacitat de generació és un problema, ja que en aquests dies calorosos és quan més es necessita electricitat per fer funcionar els aparells d’aire condicionat . A mesura que l'escalfament global creix, fa que les onades de calor siguin més freqüents, intenses i llargues, els efectes negatius de la calor a les centrals seran més acusats. Amb 2 graus centígrads d’escalfament global –l’objectiu superior acordat a l’Acord de París del 2015–, els talls de la central elèctrica en dies calorosos podrien gairebé duplicar-se respecte al nivell actual.

Hi ha una interacció nociva entre l’adaptació humana i la vulnerabilitat de la infraestructura en un món que augmenta el escalfament global. A mesura que els dies calorosos siguin més freqüents, més persones voldran usar els aparells d’aire condicionat. Però, aquests condicionadors d'aire necessiten electricitat, cosa que augmenta encara més les emissions de gasos d'efecte hivernacle que provoquen l'escalfament global. I, a més, més aire condicionat augmentarà la demanda d’electricitat al mateix temps que la calor redueix la producció de les centrals elèctriques, cosa que pot afectar a la xarxa elèctrica en alguns llocs.

Producció elèctrica mundial  en el futur.

La generació d’energia tèrmica es veurà desfavorida en un món més càlid. A mitjans de segle, es podrien necessitar entre 100 i 200 centrals  addicionals de mitjana capacitat a nivel mundial per compensar la capacitat de generació d’electricitat perduda a causa de la calor. La transició del sector elèctric a energies renovables (especialment eòliques i solars) no només reduirà les emissions de gasos d’efecte hivernacle que causen el canvi climàtic, sinó que també reduirà els impactes negatius de l’escalfament global sobre la nostra infraestructura elèctrica.

Tot i que les accions individuals no substitueixen una forta acció política nacional per reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle, hi ha moltes coses que es poden fer. Alguns passos importants que pot fer la gent, és instal·lar plaques solars a casa seva, substituir forns de gas o petroli per bombes de calor elèctriques, substituir un vehicle antic per un cotxe elèctric o substituir una estufa de gas per una d'elèctrica. Això pot reduir significativament les emissions individuals.

Altres accions  més petites, passen per volar una mica menys, conduir una mica menys o menjar una mica menys de carn. Aquestes accions individuals són importants perquè animen a altres persones de l'entorn a prendre mesures respectuoses amb el clima per reduir també les seves emissions.

 Per assolir l’objectiu de l’acord de París d’1,5-2 graus centígrads d’escalfament global, les emissions globals de gasos d’efecte hivernacle han d’arribar al zero net a mitjans del segle XXI. Per assolir aquest objectiu caldrien inversions extremadament grans en energies renovables, vehicles elèctrics i canvis en la gestió del territori. Aquests canvis comencen a produir-se, però no són gaire ràpids.

No obstant això, certament s'ha produït un gran progrés per reduir el cost de l’energia eòlica i solar (aquestes fonts d’electricitat zero de carboni són més barates que els combustibles fòssils). Per tant, fer la transició lluny del carbó, el petroli i el gas no només té sentit climàtic, sinó també econòmic. Tot i això, ja es veuen els impactes de l’escalfament global. Per això a nivell de Governs,  haurien d’estar preparant-se per als grans augments de la demanda d’electricitat que suposaran un augment de les temperatures i de l’ús de l’aire condicionat, i garantir que els subministraments d’electricitat siguin suficients per satisfer aquesta demanda creixent d’energia, fins i tot després de tenir en compte la reducció de la producció de potència tèrmica. plantes en dies calorosos.

Font:  Universitat de Syracuse 

Volar amb zero emissions de CO2.

L’aviació lliure d'emission de carboni és possible, però en el futur és probable que els avions continuïn consumint combustibles fòssils. El CO2 que emeten cal emmagatzemar-lo sistemàticament sota terra, ja que aquesta és la forma més econòmica entre les diferents altres opcions.

Per la protecció climàtica, políticament s'ha acordat i és necessari, que tota l'economia esdevingui neutral en les properes dècades pel que te a veure en les emissions de CO2. Això, també aplica als viatges aeris. Aquest és un objectiu tècnicament factible i hi ha moltes maneres d’assolir-lo.

Els investigadors conclouen que l'opció més favorable és continuar que els avions consumeixin combustibles fòssils, però tot seguit, és capturi i retirin les emissions de CO2 utilitzant plantes de captació i d'emmagatzematge per aconseguir que el CO2 estigui sota terra de forma permanent ( carboni captura i emmagatzematge, CCS ). De fet, ja existeix la tecnologia i les instal·lacions d'emmagatzematge subterrani funcionen des de fa anys al mar del Nord i en altres llocs.

Aquesta proposta, es pot convertir en una solució que mitigui els costos dels viatges aeris en cas que, per exemple, s'imposés un impost sobre el carboni o un sistema de limitació i comercialització de les emissions dels combustibles fòssils o si els governs proporcionessin incentius financers per al desplegament  de les tecnologies CCS conjuntament amb l’assoliment d’objectius climàtics.

Directament o indirectament des de l’aire

Bàsicament, hi ha dues maneres de capturar el CO2:

1.- Directament de l’aire 

2.- Indirectament en un lloc on es crema material orgànic, per exemple en una planta d’incineració de residus. 

En termes generals, la meitat del carboni dels residus cremats a les incineradores prové de fonts fòssils, com el plàstic que s'ha produït a partir del petroli. L'altra meitat és material orgànic, com ara fusta o productes de fusta com pot ser el paper i el cartró.

Des d’una perspectiva d’acció climàtica, capturar i emmagatzemar la quota de carboni que té un origen fòssil és un joc de suma zero: simplement cal retornar el carboni que es va originar sota terra en els seus orígens. Pel que fa a la proporció de carboni procedent de les fonts orgàniques, aquest va ser originàriament absorbit per l'aire com a CO2 per les plantes, de manera que capturar i emmagatzemar aquest carboni és una manera indirecta d'eliminar el CO2 de l'aire. Això significa que el CCS és un mètode adequat per tornar a posar el carboni dels combustibles fòssils de l’aviació sota terra i fer que els viatges aeris siguin neutres en carboni.

Es va poder demostrar que la captació indirecta de carboni dels gasos d'incineració dels residus costa significativament menys que la captació directa de carboni de l'aire, cosa que també és tècnicament factible.

Els combustibles sintètics són més cars

Com a altra opció, s'ha investigat la producció de combustible d'aviació sintètic a partir de CO2 capturat directament o indirectament des de l'aire (captació i utilització de carboni , CCU). Com que la síntesi química del combustible a partir del CO2 necesita consumir molta energia i, per tant, és costosa, aquest enfocament és, en qualsevol cas, menys econòmic que l’ús de combustibles fòssils i les CCS. Independentment de si el CO2 es capta directament o indirectament, el CCU és aproximadament tres vegades més car que el CCS.

Cal esmentar que una de les trampes de la CCU depèn de la font d’energia per tant, pot ser fins i tot contraproduent des d’una perspectiva d’acció climàtica, és a dir, si l’electricitat que s’utilitza per produir el combustible prové de les centrals elèctriques de combustible fòssil . Amb el mix d'electricitat actual de Suïssa o amb el de França, que té una elevada proporció d'energia nuclear, la CCU intensiva en energia ja és més perjudicial per al clima que l'statu quo amb els combustibles fòssils d'aviació, i més encara amb el mix d'electricitat mitjà de la UE, que té una proporció més alta de centrals elèctriques de combustible fòssil. L’única situació en què la CCU tindria sentit des d’una perspectiva d’acció climàtica, seria si pràcticament tota l’electricitat utilitzada provingués de fonts neutres en carboni.

Més rendible amb el pas del temps

Tot i aquesta limitació i el elevat cost fonamentalment de la CCU, podrien haver-hi regions del món on tingui sentit. Per exemple, on es genera molta electricitat renovable i no hi ha llocs adequats per emmagatzemar CO2.

Investigadors de l'ETH, van calcular els costos de les diverses opcions per a l'aviació neutra en carboni no només en l'actualitat, sinó també per al període fins al 2050. S'espera que les tecnologies CCS i CCU siguin menys costoses tant a mesura que la tecnologia avanci com a través de les economies d'escala. És probable que augmenti el preu de les emissions de CO2 imposades com a impostos sobre el carboni. A causa d’aquestes dues novetats, els investigadors esperen que les CCS i les CCU siguin més rendibles amb el pas del temps.

Es requereix infraestructura

Es  destaca que hi han altres maneres de fer que  viatges amb avió què sigui neutre en carboni. Per exemple, hi ha moltes investigacions en curs sobre avions elèctrics o hidrogen. Tot i que aquests esforços s’han de prendre seriosament, hi ha inconvenients en ambdós casos. Per una banda, és probable que els avions elèctrics no siguin adequats per a vols de llarg recorregut a causa del pes de les seves bateries. I abans que l'hidrogen es pugui utilitzar com a combustible, tant l'avió com la seva infraestructura de subministrament s'hauran de  desenvolupar i construir des de zero. Com que aquests enfocaments encara es troben en fase de desenvolupament, amb moltes preguntes encara obertes, els científics de l'ETH no els van incloure en la seva anàlisi i es van centrar en la reducció de combustibles líquids.

No obstant això, els investigadors destaquen que el CCS també requereix infraestructures. Els llocs on el CO2 es pot capturar eficientment i on es pot emmagatzemar poden estar molt separats, cosa que fa necessària la infraestructura de transport de CO2. La ciència, la indústria i la política hauran de treballar molt els propers anys per planificar i construir aquesta infraestructura, no només per al CO2 de l'aviació, sinó també per a les emissions d'altres sectors intensius en carboni, com ara els productes químics o el ciment.

Font: ETH Zurich

Generar energia elèctrica al caminar.

L’Índia té un problema energètic. Actualment depèn en gran mesura del carbó i s’espera que la demanda dels consumidors es dobli en el 2040, cosa que fa que els seus objectius d’energia verda quedin fora dels objectius.

Una part de la solució podria provenir de l’energia que es podria genera al caminar, segons un estudi que mostraria que les actituds índies envers l'energia generada a través de rajoles piezoelèctriques podrien ser una opció.

Les ciutats com Delhi i Bombai són famoses, sobretot  per les seves estacions de ferrocarril, temples i grans edificis comercials. Això va fer s preguntar-sen si les rajoles piezoelèctriques, que produeixen energia a través de la pressió mecànica, podrien convertir aquesta petjada en quelcom útil.

Les rajoles piezoelèctriques es fabriquen amb materials especials, com són els cristalls i la ceràmica, en què s’acumula càrrega elèctrica quan s’aplica una pressió mecànica, com la que pot fer un peu al caminar.

D'acord en una enquesta en què es va explorar aspectes tals com:

1.- Com la gent de l'Índia considera la fiabilitat del seu subministrament elèctric

2.- Quines eren les seves actituds envers la generar-se  la seva pròpia electricitat.

3.- Quant caminen de mitjana 

4.- Si considerarien la possibilitat d'implementar rajoles piezoelèctriques a casa seva.

Es va veure que més d’una de cada cinc persones patia freqüents talls d’electricitat a la seva zona, destacant els  potencials beneficis dels generadors d’energia domèstics, com ara les rajoles piezoelèctriques. Al voltant del 40% dels enquestats va dir que caminava més de tres hores al dia i aproximadament el 70% estava disposat a produir la seva pròpia electricitat amb els peus.

Tot i que les rajoles domèstiques es poden utilitzar per resoldre problemes de fiabilitat i generació d’energia per a les famílies de forma individual, les rajoles piezoelèctriques també podrien ser una bona inversió per a zones públiques o comercials amb una forta presència. Es calcula que pel cost d’un sol panell solar d’1 kW es podria generar tres vegades més energia a l’any mitjançant aquestes rajoles piezoelèctriques.

Com a accessori, les rajoles piezoelèctriques podrien ser una  atractiva decoració per a la llar que també ajudaran a produir electricitat domèstica. L'estudio va comparar la generació amb rajoles piezoelèctriques en comparació amb la generació d' energia solar.

A mesura que l’eficiència i la durabilitat de les rajoles piezoelèctriques milloren i a mesura que la necessitat de solucions ecològiques esdevé més urgent, els investigadors prediuen que aquest tipus de producció d’energia experimentarà un boom al mercat de l’energia verda.

Font: Universitat d’Estudis del Petroli i l’Energia a Dehradun, Índia

Quan s'ha de carregar un VE per evitar emissions de CO2?

Les emissions relacionades amb el transport augmenten a nivell mundial. Actualment, els turismes com ara són les berlines, els SUV o les minivans, contribueixen al voltant del 20 % de les emissions netes de gasos d’efecte hivernacle als Estats Units. Però els estudis han demostrat que canviar el cotxe convencional de gasolina per un vehicle elèctric, en determinades situacions, podria  no reduir aquestes emissions.

Un recent estudi publicat al Environmental Science and Technology, fa un pas més enllà en examinar com reduir les emissions associades a la font d’electricitat que s’utilitza per carregar un vehicle elèctric (EV). Tenint en compte els patrons de càrrega regionals i l’efecte de la temperatura ambiental sobre l’economia de combustible dels vehicles, els investigadors de la MIT Energy Initiative (MITEI) troben que l’hora del dia en què es carrega un EV afecta significativament les emissions.

Si  es facilita la càrrega en determinats moments, realment es poden augmentar les reduccions d'emissions que resulten del la major producció de les energies renovables  que es pot usar per carregar els vehicles elèctrics. Per fer-ho, les tarifes d'electricitat podrien canviar a l'hora del dia en què els conductors de vehicles elèctrics no carreguen. Això permetria dissenyar  tarifes elèctriques per descomptar la càrrega quan les xarxes elèctriques disposen de molta energia procedent de les fonts renovables. A les regions amb molta energia solar, és al migdia. A les regions amb força de vent, és aleatori.

Segons les investigacions, a Califòrnia, que hi ha molta energia solar, carregar un vehicle elèctric durant la nit produeix un 70 % més d’emissions que si es carregés al migdia. Mentrestant, a Nova York, on l’energia nuclear i hidràulica constitueixen una part més gran del mix elèctric durant la nit, el millor temps de càrrega és el contrari. En aquesta regió, carregar un vehicle durant la nit redueix realment les emissions en un 20 %  respecte a la càrrega diürna.

La infraestructura de càrrega és un altre gran factor determinant a l'hora de facilitar la càrrega en hores concretes, especialment durant el dia. Si s'ha de carregar el EV al migdia, caldria tenir suficients estacions de recàrrega als llocs de treball. Avui en dia, la majoria de la gent carrega els vehicles als seus garatges durant la nit, cosa que produirà emissions més altes en els llocs on és millor carregar durant el dia. 

L'estudi fa aquestes observacions en part calculant el percentatge d’error en dos enfocaments comuns de modelització d’emissions, que ignoren la variació horària de la xarxa i la variació de combustible per temperatura.  Els resultats troben que l'error combinat d'aquests mètodes estàndard supera el 10 % en el 30 % dels casos i arriba al 50% a Califòrnia, que és on hi han la meitat dels vehicles elèctrics als Estats Units.

Si no es modifica el temps de càrrega i, en canvi, s'assumeix la càrrega amb una potència mitjana anual, es poden cometre errors de càlcul de les emissions de vehicles elèctrics. És bo abocar més energia solar a la xarxa i que hi hagin més vehicles elèctrics que utilitzin aquesta xarxa. No importa quan carregueu el vehicle elèctric als EUA, les seves emissions seran inferiors a un cotxe similar de gasolina; però si es carrega el vehicle elèctric es produeix principalment quan el sol es pon, llavors, no s'obtindrà tants beneficis a l’hora de reduir les emissions com es creu d'acord a un ús d'una mitjana anual ".

Amb l'objectiu de disminuir aquest marge d'error, s'han utilitzat les dades horàries de la xarxa del 2018 i del 2019, juntament amb les dades de càrrega, de conducció i de temperatura per hora, per estimar les emissions de l'ús de vehicles elèctrics en 60 casos als Estats Units. A continuació, s'introdueixen i es validen amb un nou mètode (amb un marge d’error inferior a l’1% per estimar amb precisió les emissions de vehicles elèctrics. Es diu el mètode del "dia mitjà".

S'ha descobert que es pot ignorar l'estacionalitat de les emissions de la xarxa i de l'estalvi de combustible i, tot i així, estimar amb precisió les emissions anuals de vehicles elèctrics i els impactes del temps de càrrega. L'any passat a Kansas, les emissions diàries van augmentar un 80% entre temporades, mentre que la demanda d'energia elèctrica va augmentar aproximadament un 50% a causa dels canvis de temperatura. Estudis anteriors, van especular que ignorar aquests canvis estacionals perjudicaria la precisió de les estimacions d'emissions dels EV , però mai no s'ha quantificat l'error.  Es va fer mitjançant diverses mescles de xarxes i climes de manera que es va trobar que l'error era insignificant.

Aquesta troballa té útils implicacions per modelar futurs escenaris d’emissions dels EV. Es pot obtenir més precisió sense complexitat computacional, Amb el mètode del dia mitjà, es possible estimar amb precisió les emissions de vehicles elèctrics i els impactes de la càrrega en un any futur sense haver de simular 8.760 valors d'emissions de la xarxa per a cada hora de l'any. Tot el que cal,  és un perfil de dia mitjà, que només significa valors de 24 hores, per a les emissions de la xarxa i altres variables clau. No cal conèixer la variància estacional d'aquests perfils de dies mitjans. 

Els investigadors demostren la utilitat del mètode del dia mitjà mitjançant la realització d’un cas d'estudi  al sud-est dels Estats Units des del 2018 al 2032 per examinar com el creixement de les renovable d’aquesta regió pot afectar les futures emissions dels vehicles elèctrics. Suposant una projecció conservadora de la xarxa de l’Administració d’informació energètica dels EUA, els resultats mostren que les emissions dels vehicles elèctrics disminueixen només un 16% si la càrrega es produeix durant la nit, però més del 50% si la càrrega es produeix al migdia. En el 2032, en comparació amb un cotxe similar híbrid, les emissions de vehicles elèctrics per milla són un 30 % inferiors si es carreguen durant la nit i un 65 % inferiors si es carreguen al migdia.

El model utilitzat en aquest estudi és un mòdul d’un programa de modelatge més gran anomenat Entorn de modelització d’anàlisi de sistemes d’energia sostenible (SESAME). Aquesta eina, desenvolupada a MITEI, adopta un enfocament a nivell de sistemes per avaluar la petjada de carboni completa del sistema energètic global en evolució actual.

La idea darrere de SESAME és la de prendre les millors decisions per a la descarbonització i entendre la transició energètica des d'una perspectiva de sistemes.  Un dels elements clau del SESAME és com es poden connectar diferents sectors junts (acoblament sectorial) i, en aquest estudi, es veu un exemple molt interessant del sector del transport i de l'energia elèctrica. Ara mateix, és impossible tractar aquests dos sistemes sectorials de forma independent, i això és una demostració clara de per què el nou enfocament de modelització de MITEI és realment important, així com de com es pot abordar alguns d’aquests problemes imminents.

En investigacions en curs i futures, s'ampliarà l’anàlisi de càrrega de vehicles individuals a flotes senceres de turismes per tal de desenvolupar estratègies de descarbonització a nivell de flota. El seu treball tracta de respondre a preguntes com ara la prohibició proposada per Califòrnia de les vendes de vehicles de gasolina pel 2035, afectaria les emissions del transport. També s'explora el què pot significar l'electrificació de la flota, no només per als gasos d'efecte hivernacle, sinó també per la demanda de recursos naturals com el cobalt, i si les bateries EV podrien proporcionar un emmagatzematge d'energia a la xarxa.

Per mitigar el canvi climàtic, cal descarbonitzar tant el sector del transport com l'energia elèctrica

Font: MIT Energy Initiative (MITEI)

Energia Nuclear més barata?

Actualment, l’energia nuclear és la font que proporciona més electricitat lliure de carboni als Estats Units respecte la solar i l’eòlica juntes, per tant, la converteix en un actor clau en la lluita contra el canvi climàtic. Però les plantes nuclears dels EUA està envellint fet que provoca que els seus operadors  pressionin per racionalitzar les seves operacions.

Una de les parts clau per reduir els costos d'aquestes centrals és el nucli del reactor, què és on es produeix energia. Si les barres que provoquen reaccions es col·loquen idealment, cremen menys combustible nuclear per tant, necessiten menys manteniment. Al llarg de dècades d’experiència, els enginyers nuclears han après a fer dissenys millors per allargar la vida útil de les barres de combustible què són molt cares. Ara, la intel·ligència artificial està preparada per donar suport.

Convertint el procés del disseny en un joc, es pot entrenar un sistema d’IA per generar moltes configuracions òptimes que poden fer que cada barra de combustible nuclear duri aproximadament un 5 € més, provocant un estalvi aproximat d'uns 3 M€ a l’any. El sistema d’intel·ligència artificial també pot trobar més ràpidament òptimes solucions de com ho farien els humans i així, modificar ràpidament els dissenys en un entorn segur i simulat.

Aquesta tecnologia es pot aplicar a qualsevol reactor nuclear del món. En millorar la rendibilitat de l'energia nuclear, que actualment  subministra el 20 %  de l'electricitat generada als Estats Units, es pot ajudar a limitar el creixement de les emissions mundials de carboni i atraure talent jove a aquest important sector de les energies netes.

En un reactor típic, les barres de combustible s’alineen sobre una xarxa o conjunt, segons els seus nivells d’urani i òxid de gadolini, com les peces d’escacs en un tauler, amb reaccions de conducció d’urani radioactiu i el gadolini que les ralentitzen. En un disseny ideal, aquesta combinació s’equilibra per generar reaccions eficients. Els enginyers han provat d’utilitzar algoritmes tradicionals per millorar els dissenys concebuts per l’home, però en un conjunt estàndard de 100 varetes poden sorgir moltes combinacions per avaluar. ç

Els investigadors, es van preguntar si el deep learning, una tècnica d’intel·ligència artificial, podría fer que el procés de selecció vagi més ràpid. El Deep Learning combina  les xarxes neuronals, que destaquen en la selecció de patrons.

Per això, es va entrenar el seu agent per situar les barres de combustible nuclear sota un conjunt de restriccions, guanyant la captació de més punts per cada moviment de les barres. Cada restricció, o regla escollida, reflecteix dècades de coneixement expert arrelat a les lleis de la física. L'agent pot obtenir punts, per exemple, posicionant les barres de combustible nuclear de baix urani properes al conjunt i així reduir la reacció.

Un cop establertes i introduïdes les regles, les xarxes neuronals comencen a fer accions de manera què, no perden temps en processos aleatoris.

Mitjançant el deep-learning, la IA ha après a jugar a jocs cada vegada més complexos, o bé o millor que els humans. Però les seves capacitats encara no han estat del tot provades al món real. Per això, es creu  el deep-learnig té aplicacions molt potentes.

Aquest estudi és un exemple  de com transferir una tècnica d'intel·ligència artificial per jugar a jocs de taula i videojocs per ajudar-nos a resoldre problemes pràctics del món.

Exelon, està provant una versió beta del sistema d’IA en un entorn virtual que imita un conjunt de barres de combustible nuclear dins d’un reactor d’aigua bullent i uns 200 conjunts dins d’un reactor d’aigua a pressió, que és el tipus de reactor més comú a nivell mundial. Amb seu a Chicago, Illinois, Exelon posseeix i opera 21 reactors nuclears a tots els Estats Units. 

Font:  Departament de Ciències i Enginyeria Nuclear del MIT.

Ajudar al disseny dels recursos de generació renovables.

Creada una base de dades de mesures a partir dels existents sistemes de xarxa elèctrica  escala mundial que ajudaran a desenvolupar nous sistemes d’energia capaços de satisfer les demandes per facilitar les fonts d’energia renovables.

Això, és el primer pas cap a un enfocament més col·laboratiu en la investigació energètica. S'espera que les dades disponibles públicament, es puguin utilitzar a tot el món per dissenyar i provar nous conceptes energètics en resposta als reptes actuals i futurs.

Per fer possible l'estudi, es van recol·lectar dades de la xarxa de 17 localitzacions a través de tres continents i que abasta 12 zones-regions síncrones que contenen diferents plantes d'energia i els consumidors. Hi ha un interès en  comprendre els canvis de freqüència, que posen de manifest l’equilibri entre l’oferta i la demanda d’energia.

Mitjançant un nou dispositiu de mesura dissenyat a KIT, es  va ser capaç de captar amb precisió les diferències de freqüència entre diverses àrees síncrones simplement connectant-lo a un endoll de paret.

Es va utilitzar pels enregistraments experimentals i així, provar prediccions teòriques sobre com la mida d’una àrea síncrona pot influir en la seva estabilitat. Es va trobar que les àrees més petites solien ser molt més volàtils que les àrees més grans en les seves fluctuacions de freqüència.

La xarxa elèctrica de tots els països europeus, funciona a una freqüència aproximada de 50 Hz i és gairebé constant en tota una àrea sincrònica. Si augmenta el consum, la freqüència disminueix lleugerament, mentre que una ràfega persistent de vent pot augmentar la freqüència a mesura que la generació d’energia eòlica entra a la xarxa. Les fluctuacions de la freqüència al voltant del valor de referència, expliquen molt sobre com funciona una específica àrea síncrona, inclòs el moment de la negociació, la mida de la xarxa, el control que s’aplica i molt més. En aquest estudi, es confirma que la mida té un impacte en l'estabilitat de les freqüències, destacant la necessitat de considerar la mida en el disseny i control de les xarxes elèctriques, incloses les microxarxes.

Mesurant simultàniament les freqüències en diverses ubicacions dins d’una àrea sincrònica, també es va observar que, tot i que en escales de temps més llargues (de minuts o més), les freqüències eren idèntiques a tot arreu però, a una escala de temps més (curta de segons), s’observaven diferències substancials entre ubicacions.

Es suposa que dins d'una àrea síncrona, com el seu nom indica, la freqüència seria idèntica a tot arreu. No obstant això, quan es van realitzar mesures simultànies en diversos llocs de l'àrea sincrònica europea continental, es va observar diferències significatives entre freqüències en una escala de temps de segons de manera que quan més lluny estan dues ubicacions, més temps triguen a sincronitzar-se.

La introducció de fonts d’energia renovables per mitigar el canvi climàtic està canviant els sistemes energètics a tot el món, i en particular,  les xarxes elèctriques. Tot i que s'estan implementant noves polítiques, tecnologies i models de negoci a nivell mundial per satisfer aquests nous requisits, també és important aprendre dels sistemes que s'han implementat fins ara.

Es creu que aquestes dades publicades obertament i la seva anàlisi estadística detallada proporcionen una gran font d'informació per a aquells que treballen en el control i el disseny de xarxes elèctriques a tot el món, proporcionant prediccions empíriques per al futur i ajudant-nos a comprendre millor la complexa dinàmica dels sistemes energètics sostenibles"

Font:  Universitat Queen Mary de Londres

Energia solar en processos industrials.

Les tecnologies basades en l’energia solar, podrien satisfer les demandes dels processos de calor i així,  reduir les emissions de carboni i millorar l’eficiència en el sector industrial, el qual, podria arribar a fer un estalvi d’energia del 15 al 50%.

Tot i això, a causa de la complexitat del sector industrial i la manca de dades energètiques industrials, hi ha moltes qüestions econòmiques i tècniques que han impedit el desplegament a gran escala.

Font: NREL

Científics del Laboratori Nacional d'Energies Renovables (NREL) han completat una detallada  primera versió de l'estat de les tecnologies solars en els processos de calor industrial (SIPH) i les potencials aplicacions.

Els investigadors del NREL Colin McMillan, Parthiv Kurup, Sertac Akar i Robert Margolis, juntament amb socis de recerca de la Universitat del Nord-Oest, Carrie Schoeneberger i Eric Masanet, van publicar les conclusions a l'article Solar for Industrial Process Heat: A Review of Technologies, Analysis Approaches i a la revista Energy .

Pensar en el futur paper potencial de les tecnologies de l'energia solar en el sistema energètic, resulta que la indústria és el sector menys estudiat. Aquesta recerca, resumeix la literatura sobre el calor per a processos industrials i, per tant, proporciona una base sòlida per pensar en com l'energia solar pot tenir un paper més important en aquest sector clau.

L’escalfament en els processos industrials, és un pas fonamental en la fabricació per tractar o transformar matèries primeres, que suposa aproximadament el 70% del consum energètic de la fabricació nord-americana. Durant dècades, ha estat produïda fonamentalment per combustió de combustibles fòssils, representant el 90% de l’energia calorífica dels processos de fabricació reportada el 2014 enfront del 92% del 1992. Aproximadament la meitat de la demanda de calor del procés té lloc entre els intervals de temperatura baixa a mitjana.

Actualment, les indústries d’aliments, begudes, metalls i tèxtils, amb menors requeriments de calor, tenen més possibilitats d'usar els sistemes SIPH, particularment a les zones riques en solar.

No obstant això, l'estudi va revelar que les tecnologies SIPH disponibles avui dia, en particular la calefacció elèctrica solar i tèrmica, podrien satisfer una àmplia gamma de temperatures necessàries per a aplicacions de calor. Hi ha oportunitats d’integrar aquestes tecnologies en les operacions de neteja, cuina i pasteurització.

Font: NREL

Bona part de l'energia per a la calor del procés industrial, pot ser adequada per a les tecnologies solars. Aquest estudi proporciona una base per comprendre el paisatge actual de les tecnologies solars que coincideixen amb les necessitats de processament de calor. També identifica qüestions de recerca importants per analitzar el potencial tècnic i econòmic dels Estats Units per a l'adopció a gran escala d'aquestes tecnologies.

La integració de les tecnologies d’energia solar al sector industrial, també podria millorar l’eficiència en el processo de calefacció. L’energia solar podria recuperar les pèrdues de calor de residus dels equips i productes. El període mitjà de devolució d’un sistema de recuperació de calor residual com aquest és normalment inferior a dos anys. Tot i així, moltes plantes han optat per no seguir aquestes tecnologies, segons l'estudi.

Els analistes van trobar que les barreres més comunes a l’adopció del SIPH inclouen pressupostos limitats per a inversions energètiques de capital, limitacions del cicle pressupostari i la manca de personal d’enginyeria dedicat per a projectes d’eficiència energètica.

Per continuar entenent qüestions tècniques i econòmiques, els analistes recomanen futures investigacions sobre la integració de mesures d’eficiència energètica en els models SIPH i el desenvolupament de perfils de càrrega que s’ajustin als requeriments del procés amb els recursos solars. La propera prioritat serà estudiar els costos de producció i el potencial SIPH al sector industrial nord-americà , la qual cosa afecta la presa de decisions a nivell d'instal·lació.

Font: Laboratori Nacional d'Energies Renovables