El llegat de Fukushima: el difícil gir del Japó cap a les renovables.

Quan el tsunami generat pel gran terratrèmol del Japó Oriental va assolar la central nuclear de Fukushima Daiichi l'11 de març de 2011, no només va acabar amb la central, sinó que finalment va provocar l'aturada de tots els 54 reactors nuclears del país com a mesura de seguretat. Deu anys després, només nou reactors han tornat a acoblar-se a la xarxa. 

El terratrèmol de magnitud 9,0 també va causar la mort de prop de 20.000 persones, amb encara  2.500 persones desaparegudes. Fins al desembre passat, uns 42.000 dels 470.000 evacuats en total, restaven evacuats, fins i tot quan es va produïr el desè aniversari del desastre. El govern ha centrat els seus esforços de descontaminació per reduir la dosi de radiació d'un individu a 1 milisievert a l'any, una norma internacional generalment acceptada. 

No obstant això, uns 337 quilòmetres quadrats dins de set municipis de Fukushima continuen sent designats com a "zones difícils de retornar", mentre que una enquesta crítica de radiació de Greenpeace que es va publicar en  un informe en el 2019, advertia que els boscos de la regió,  mai han estat descontaminats, pel que continuaran sent fonts de re-contaminació a llarg termini.

Per ajudar tant a revitalitzar la zona afectada com a avançar en els esforços de descarbonització del país, el govern va crear en el 2014 el Fukushima Renewable Energy Institute, AIST (FREA) a Koriyama, prefectura de Fukushima. El mandat de FREA és treballar amb la indústria i el món acadèmic per millorar el rendiment dels aerogeneradors fotovoltaics, optimitzar les bombes de calor de font terrestre i els recursos geotèrmics i desenvolupar tecnologies per a l'hidrogen -portadors d’energia i sistemes d’hidrogen-energia.

El govern de la prefectura de Fukushima s'ha fixat l'objectiu de produir tota la demanda d'energia de Fukushima a partir de fonts renovables pel 2040. Per fer-ho, el govern treballa amb FREA, la indústria i les universitats per ajudar a comercialitzar la investigació en tecnologies renovables i augmentar l’ús de la generació d’energia solar, biomassa i eòlica a la prefectura. 

L’hidrogen també es considera un important nou recurs energètic. La prefectura, ara acull el Fukushima Hydrogen Energy Research Field, la instal·lació de producció d’hidrogen verd més gran del món, capaç de subministrar 1.200 metres cúbics d’hidrogen per hora. Aquest nou enfocament s’adapta als anuncis del govern central passats i recents sobre l’hidrogen i l’objectiu de convertir el Japó en un carboni neutral per al 2050.

Aconseguir l'objectiu pel 2050 no serà fàcil. Si bé l’energia nuclear representava el 30 % del consum d’energia del país abans de l’accident, avui només proporciona un 6 %. El Japó confia més en el dèficit del carbó (25%), el gas natural (23%) i el petroli (39%).

Per engrescar a la indústria per treballar cap a la neutralitat del carboni, el govern proporcionarà inversions de capital, descomptes fiscals i desregulació en àrees com l'energia eòlica; captura, utilització i emmagatzematge de carboni; i la producció massiva de bateries d'emmagatzematge.

A finals del 2018, s’havien instal·lat uns 55 GW d’equips d’energia solar a tot Japó, cosa que va posar el país en camí de superar l’objectiu del govern dels 64 GW pel 2030. No obstant això, pel que fa a l’energia eòlica, Japó només tenia instal·lats 3,6 GW d’equips 

Més notable és l’acollida de l’hidrogen al país com a un mitjà versàtil d’emmagatzematge d’energia, que pot produir hidrogen a partir de diversos tipus de recursos naturals, en particular l'aigua que s'utilitza per a l'electròlisi, que elimina el diòxid de carboni. I l'hidrogen es pot comprimir, emmagatzemar, transportar i convertir en electricitat o calor quan sigui necessari, sense emetre CO2 .

El principal inconvenient de l’hidrogen, és l’elevat cost de producció. Per tant, FREA i altres instituts nacionals d’investigació estan desenvolupant tecnologies de producció d’hidrogen eficients i de baix cost, alimentats per energies renovables.

FREA ja ha demostrat la viabilitat d'una cadena de subministrament d’hidrogen verd i un sistema de generació  d’hidrogen, així com l’èxit de la síntesi d’amoníac (NH3) a partir de l’hidrogen verd i el seu ús per alimentar una micro-turbina de gas modificat amb un generador elèctric acoblat  al seu eix. L'hidrogen també es podria utilitzar en vaixells  alimentats per amoníac. Actualment, la FREA està treballant amb el IHI Corp. i la Universitat Tohoku per desenvolupar sistemes de generació més grans mitjançant injecció amb esprai d'amoníac líquid.

Altres països també estan desenvolupant projectes d’hidrogen verd. La Xina té en marxa un important projecte a Mongòlia Interior, per produir 454.000 Tm anuals; la Unió Europea calcula invertir 430.000 milions d'euros durant els propers 10 anys en tecnologies d'hidrogen, mentre que Corea del Sud pretén convertir-se en un líder en el desenvolupament d'hidrogen net.

Mentrestant, el Japó crea cadenes de subministrament internacionals per enviar hidrogen verd i hidrogen "blau" (mitjançant captura i emmagatzematge de carboni) al país i ha establert projectes pilot a Brunei i Austràlia per comprovar la seva viabilitat. Aquestes fonts nacionals i internacionals d’hidrogen net que alimenten turbines de gas modificades, acabaran assumint el paper de subministrar energia de càrrega base a la xarxa elèctrica que pugui substituir l’energia nuclear  de manera que, hauria  de ser una realitat abans del 2030.

Font: Fukushima Renewable Energy Institute.

Les connexions sense fils, no són infalibles.

Tothom  hem vist els efectes: es cancel·len les trucades i, de vegades, les pàgines web triguen a carregar-se. Una de les principals  raons per les quals es produeixen aquests forats a la cobertura és que les actuals xarxes sense fils estan dissenyades com a xarxes estrella. Això vol dir que hi ha una element de la infraestructura que se situa al centre, com podria ser una torre cel·lular o un encaminador, que es comunica amb tots els dispositius mòbils que l’envolten.

La cobertura sense fils 100 % segura només es produirà gràcies a l'arquitectura i disseny d'una xarxa de malla que sense dubte, millora a les xarxes en estrelles. A diferència d'una xarxa estrella, una xarxa mallada, consisteix en nodes que es comuniquen entre si, així com els diferents dispositius finals d'usuari. Amb aquest sistema, els forats de cobertura d'una xarxa sense fils es poden omplir simplement afegint un node per que permeti superar un node amb limitacions. Per exemple, un senyal Wi-Fi es pot reforçar en una part d’un edifici amb poca recepció instal·lant un node que es comuniqui amb l’encaminador principal.

No obstant això, els dissenys de les actuals xarxes sense fils mallades tenen limitacions. El més important és saber que un node en una xarxa de malla interferirà amb ell mateix ja que transmet dades si utilitza la mateixa freqüència per transmetre i rebre senyals. Per tant, els dissenys actuals envien i reben en diferents bandes de freqüència. Però l’espectre és un recurs escàs, especialment per a les freqüències molt transitades que utilitzen les xarxes mòbils i el Wi-Fi. Pot ser difícil justificar dedicar tant d’espectre per a omplir forats de cobertura quan les torres cel·lulars i els encaminadors Wi-Fi estan donant una altra qualitat de servei la major part del temps.

En aquest cas, es podrien usar les  xarxes mallades, fins i tot a les xarxes més exigents i amb un espectre intens, per exemple, les que connecten robots ancorats als terres de les fàbriques  per processso de muntatge, cotxes autònoms o eixams de drons. De fet, ja està sorgint una avançada tecnologia: la cancel·lació d’interferències pròpies (SIC). Com el seu nom indica, SIC permet que un node de xarxa mallada cancel·li la interferència que crea transmetent i rebent a la mateixa freqüència. La tecnologia literalment duplica l’eficiència espectral d’un node, eliminant la necessitat de freqüències de transmissió i recepció separades.

Ara hi ha desenes de milers de milions de dispositius sense fils al món. Segons l' Associació GSM, almenys 5.000 milions d'ells són telèfons mòbils . La Wi-Fi Alliance diu que hi han més de 13.000 milions de dispositius equipats amb Wi-Fi i el Grup d’Interès Especial Bluetooth prediu que s'enviaran més de 7.500 milions de dispositius Bluetooth entre el 2020 i el 2024. Ara és el moment de portar xarxes mallades sense fils al mercat principal, ja que la capacitat sense fils s'inclou més productes (bàscules de bany, sabatilles de tennis, olla a pressió, etc.) entre molts altres. 

Els telèfons mòbils, els encaminadors Wi-Fi i altres ràdios bidireccionals

Tots ells, es consideren ràdios full-duplex. Això significa que són capaços tant d’enviar com de rebre senyals,  mitjançant l’ús de transmissors i receptors separats. Normalment, les ràdios transmetran i rebran senyals mitjançant el sistema duplex de divisió de freqüència, és a dir, que els senyals de transmissió i recepció utilitzen dues freqüències diferents, o sistemes duplex de divisió de temps, és a dir, que els senyals de transmissió i recepció utilitzen la mateixa freqüència però en moments diferents. L'inconvenient de les dues tècniques dúplex és que teòricament, cada banda de freqüències només s'utilitza per a la meitat del seu potencial en un moment donat, és a dir, per enviar o rebre, no ambdós

Il·lustració: Erik Vrielink Les ràdios, com les dels telèfons mòbils, solen comunicar-se amb freqüències diferents o amb la mateixa freqüència en diferents moments, per enviar i rebre senyals. Aquestes tècniques són la meitat d’eficaços en utilitzar l’espectre que en utilitzar la mateixa freqüència alhora.

Els  enginyers de ràdio, estan treballant amb l'objectiu per desenvolupar un sistema dúplex complet amb la mateixa freqüència, que seria capaç de fer un ús màxim de l’espectre transmetent i rebent a la mateixa banda alhora. Això seria com imaginar-se una autopista de dos carrils, amb trànsit que circula en direccions diferents per carrils diferents. Llavors, el doble dúplex a la mateixa freqüència seria com construir un sol carril amb cotxes circulant alhora en ambdues direccions. Això potser no té sentit per al trànsit, però és totalment possible per a l'enginyeria  ràdio.

Per ser clar, els full-dúplex amb la mateixa freqüència continuen sent un objectiu en el qual, encara treballen els enginyers  ràdio. La cancel·lació d’interferència pròpia acosta les ràdios a aquest objectiu, ja que permet que una ràdio cancel·li les seves pròpies transmissions i escolti altres senyals a la mateixa freqüència alhora, però no és una tecnologia perfecta.

El SIC, tot just comença a emergir. Als Estats Units, hi ha almenys tres startups que porten el SIC a les aplicacions del món real: GenXComm, Lextrum i Kumu Networks. També hi ha un grapat de  substancials programes que desenvolupen tècniques d’auto-cancel·lació a les universitats, concretament a Columbia, Stanford (on va començar Kumu Networks) i la Universitat de Texas a Austin .

El SIC pot semblar senzill. Al cap i a la fi, la ràdio emissora sap exactament quin serà el seu senyal de transmissió abans d’enviar-lo. Aleshores, tot el que ha de fer la ràdio emissora és cancel·lar el seu propi senyal de transmissió de la barreja de senyals que està captant la seva antena per escoltar els senyals d'altres ràdios.

Però en realitat, el SIC és més complicat, perquè un senyal de ràdio ha de passar diversos passos abans de la transmissió que pot afectar el senyal transmès. Una ràdio moderna, com la del telèfon intel·ligent, comença amb una versió digital del senyal que es transmetrà al seu programari. No obstant això, en el procés de convertir la representació digital en un senyal de radiofreqüència per a la transmissió, els circuits analògics de la ràdio generen sorolls que distorsionen el senyal de RF, cosa que fa impossible l’ús del senyal tal com és per a l’auto-cancel·lació. Aquest soroll no es pot predir fàcilment perquè es deu en part a les temperatures ambientals i a subtils imperfeccions de la fabricació.

La diferència de magnitud de la potència d'un senyal transmès interferent en comparació amb la d'un senyal rebut desitjat, també confon la cancel·lació. La potència transmesa per l'amplificador de la ràdio és molt més gran que la potència dels senyals rebuts. És com intentar sentir algú que et xiuxiueja a uns quants metres mentre els crides simultàniament.

Il·lustració: Erik Vrielink. Un component SIC d’una ràdio mostra el senyal de transmissió a les capes digitals [1] , IF [2] i RF [3] . A les capes IF i RF, el senyal mostrejat s’ajusta per diversos components [4] per crear inverses de les mostres. A la capa digital, els algoritmes cancel·len les alteracions del senyal causades per les reflexions ambientals [5] . Quan es rep el senyal, el component SIC el cancel·la a les capes RF [6] , IF [7] i digital [8] . El senyal de transmissió també és mostrejat [9] per un sintonitzador digital que ajustarà els components SIC [10] per cancel·lar-lo millor la propera vegada.

A més, el senyal que arriba a l’antena receptora no és el mateix que quan l’enviava la ràdio. Quan retorni, el senyal també inclou reflexos d'arbres propers, parets, edificis o qualsevol altra cosa del seu en voltant. Els reflexos es compliquen encara més quan el senyal rebota en objectes en moviment, com ara persones, vehicles o fins i tot fortes pluges. Això vol dir que si la ràdio simplement anul·lava el senyal de transmissió tal com era quan la va enviar, la ràdio deixaria de cancel·lar aquestes reflexions.

Per fer-ho bé, les tècniques de cancel·lació d’auto-interferències depenen d’una barreja d’algoritmes i trucs analògics per tenir en compte les variacions de senyal creades tant pels components de la ràdio com pel seu entorn local. Recordem que l'objectiu és crear un senyal que sigui l'invers del senyal de transmissió. Aquest senyal invers, quan es combina amb el senyal de recepció original, hauria d’anul·lar idealment el senyal de transmissió original, fins i tot amb el soroll, distorsions i reflexos afegits, deixant només el senyal rebut. A la pràctica, però, l’èxit de qualsevol tècnica de cancel·lació encara es mesura per la quantitat de cancel·lacions que proporciona.

La tècnica SIC de Kumu, intenta cancel·lar el senyal de transmissió en tres moments diferents mentre la ràdio rep un senyal. Amb aquest enfocament de tres nivells, la tècnica de Kumu arriba a aproximadament 110 dB de cancel·lació, en comparació amb els 20 a 25 dB de cancel·lació que pot aconseguir un punt d’accés Wi-Fi de malla típic.

El primer pas, que es duu a terme a l’àmbit analògic, es troba a nivell de radiofreqüència. Aquí, un component SIC especialitzat a la ràdio mostra el senyal de transmissió, just abans d’arribar a l’antena. En aquest punt, la ràdio ja ha modulat i amplificat el senyal. Això significa que qualsevol irregularitat causada pel mesclador de senyal, l'amplificador de potència i altres components de la ràdio ja està present a la mostra i, per tant, es pot cancel·lar simplement invertint la mostra presa i alimentant-la al receptor de la ràdio.

El següent pas, també realitzat a l’àmbit analògic, anul·la més el senyal transmissor a nivell de freqüència intermèdia (IF). Les freqüències intermèdies, com el seu nom indica, són un pas mig entre la creació d’un senyal digital d’una ràdio i el senyal transmès real. Les freqüències intermèdies s’utilitzen habitualment per reduir el cost i la complexitat d’una ràdio. En utilitzar una freqüència intermèdia, una ràdio pot reutilitzar components com ara filtres, en lloc d’incloure filtres separats per a cada banda de freqüència i canal on pot funcionar la ràdio. Tant els encaminadors Wi-Fi com els telèfons mòbils, per exemple, converteixen els senyals digitals en freqüències intermèdies per reutilitzar components i converteixen els senyals a la seva freqüència de transmissió final només més endavant en el procés.

La tècnica SIC de Kumu aborda la cancel·lació de la IF de la mateixa manera que realitza la cancel·lació RF. El component SIC mostra el senyal IF al transmissor abans de convertir-lo a la freqüència de transmissió, modulada i amplificada. El senyal IF s'inverteix i s'aplica al senyal de recepció després que el senyal de recepció s'hagi convertit a la freqüència intermèdia. Un aspecte interessant de la tècnica SIC de Kumu a destacar aquí és que els passos de mostreig i de cancel·lació es produeixen com a inversos els uns dels altres. En altres paraules, mentre el component SIC mostra el senyal IF abans del senyal RF del transmissor, el component aplica la cancel·lació del senyal RF abans del senyal IF.

Il·lustració: Erik Vrielink. quan un telèfon mòbil està prou a prop o té una línia de visió a una torre cel·lular, és capaç de comunicar-se fàcilment amb les tècniques de dúplex establertes [1] . Els nodes de retransmissió poden ampliar el rang de senyal d’una torre cel·lular sense espectre de captació mitjançant l’anul·lació d’interferències (SIC). Els millors resultats seran quan el telèfon mòbil es posiciona directament enfront del node de relé des de la torre cel·lular [2] . En un angle, la cancel·lació necessària per mantenir les comunicacions clares es fa més complicada a mesura que els senyals comencen a interferir els uns amb els altres [3] .

El tercer i últim pas del procés de cancel·lació de Kumu aplica un algorisme al senyal rebut després de convertir-lo a un format digital. L’algorisme compara el senyal rebut restant amb el senyal de transmissió original anterior als passos IF i RF. L’algoritme esbossa bàsicament el senyal rebut per detectar els efectes persistents que poguessin haver estat causats pels components del transmissor o pel senyal transmès que es reflecteix a l’entorn proper i els cancel·la.

Cap d’aquests passos no és efectiu al 100%. Però, en conjunt, poden assolir un nivell de cancel·lació suficient per eliminar el senyal de transmissió suficient per permetre la recepció d'altres senyals raonablement forts a la mateixa freqüència. Aquesta cancel·lació és prou bona per a moltes aplicacions clau d'interès, com ara el repetidor Wi-Fi descrit anteriorment.

La tecnologia de Kumu ja està desplegada comercialment a les xarxes 4G Long Term Evolution (LTE), on un dispositiu anomenat node de repetició, pot  cobrir forats de cobertura, gràcies al SIC. Un node de retransmissió és essencialment un parell de ràdios bidireccionals connectats entre si. La primera ràdio del parell, orientada cap a una torre cel·lular 4G, rep senyals de la xarxa. La segona ràdio, orientada cap al forat de cobertura, transmet els senyals, a la mateixa freqüència, als usuaris que presentes un forat de cobertura. El node també rep senyals dels usuaris al forat de cobertura i els retransmet, de nou, amb la mateixa freqüència, a la torre cel·lular. La diferència és que, els nodes de retransmissió funcionen de manera similar als repetidors i extensors tradicionals que amplien una àrea de cobertura repetint un senyal emès més lluny de la seva font. 

Com que un node de retransmissió retransmet completament un senyal, perquè el node funcioni correctament, el transmissor cap a l’estació base 4G no ha d’interferir amb el receptor que mira cap al forat de cobertura. Recordeu que un gran problema en reutilitzar l'espectre és que els senyals de transmissió són ordres de magnitud més elevats que els senyals de recepció. No es vol que el node atenuï els senyals que intenta transmetre dels usuaris pels seus propis intents de retransmissió. De la mateixa manera, no es vol que el transmissor que cobreix el gap de cobertura cancel·li  senyals que entren de la torre cel·lular. El SIC evita que cada ràdio atenuï els senyals que l’altre escolta cancel·lant les seves pròpies transmissions.

Els desplegaments en curs  de xarxa 5G, encara ofereixen una oportunitat  més gran per al SIC. El 5G es diferencia de les generacions cel·lulars anteriors amb la inclusió de cèl·lules petites, essencialment torres cel·lulars en miniatura situades entre 100 i 200 metres de distància. Les xarxes 5G requereixen cèl·lules petites perquè la generació cel·lular utilitza senyals d’ona mil·limètrica de major freqüència, que no viatgen tan lluny com altres freqüències cel·lulars. El Small Cell Forum prediu que en el 2025, més de 13 milions de cèl·lules petites 5G s’instal·larà a tot el món. Cadascuna d’aquestes petites cel·les necessitarà un enllaç dedicat, anomenat enllaç backhaul, que el connecti a la resta de la xarxa. La gran majoria d’aquests enllaços de backhaul seran sense fils, ja que l’alternativa, el cable de fibra òptica, és més cara. De fet, la indústria 5G està desenvolupant un conjunt d’estàndards anomenats Integrated Access and Backhaul (IAB) per desenvolupar enllaços de backhaul sense fils més robustos i eficients.

IAB, com el seu nom indica, té dos components. El primer és l'accés, és a dir, la capacitat dels dispositius locals com els telèfons intel·ligents per comunicar-se amb la cel·la petita més propera. El segon és backhaul, és a dir, la capacitat de la petita cèl·lula per comunicar-se amb la resta de la xarxa. Els primers esquemes proposats per a 5G IAB eren permetre que les comunicacions d’accés i de retrocés tinguessin torns al mateix canal d’alta velocitat o bé utilitzessin canals separats per als dos conjunts de comunicacions. Tots dos tenen grans inconvenients. El problema de compartir el mateix canal és que introdueix retards en aplicacions sensibles a la latència, com ara la realitat virtual i jocs multijugador. D'altra banda, l'ús de canals separats també comporta un cost substancial: s'ha duplicat la quantitat d'espectre sense fils sovint car que necessita de llicència per a la xarxa.

Igual que a l'exemple de node repetidor LTE, SIC poden cancel·lar el senyal de transmissió d'una ràdio d'accés en una petita cel·la del receptor de la ràdio backhaul i, de manera similar, cancel·lar el senyal de transmissió d'una ràdio de retorn a la mateixa cel·la petita del receptor de la ràdio d' accés. El resultat final és que la ràdio de retorn de la cel·la pot rebre senyals de la xarxa més àmplia, fins i tot mentre la ràdio d’accés de la cel·la parla amb els dispositius propers.

La tecnologia de Kumu encara no està desplegada comercialment a les xarxes 5G mitjançant IAB, perquè IAB encara és relativament nou. El Projecte de col·laboració de la tercera generació, que desenvolupa protocols per a les telecomunicacions mòbils, va congelar la primera ronda d’estàndards IAB el juny del 2020 i, des de llavors, Kumu ha refinat la seva tecnologia mitjançant proves industrials.

Una darrera tecnologia que cal esmentar és la Wi-Fi, que comença a fer un major ús de les xarxes  mallades. Una xarxa domèstica Wi-Fi, per exemple, ara ha d’arribar a ordinadors, televisors, càmeres web, telèfons intel·ligents i qualsevol dispositiu d'una casa intel·ligent, independentment de la seva ubicació. Un sol encaminador pot ser suficient per cobrir una casa petita, però les cases més grans o un petit edifici d’oficines poden requerir una xarxa de malla amb dos o tres nodes per proporcionar una cobertura completa.

Les actuals tècniques  de Wi-Fi mallat, assignen algunes de les bandes sense fils disponibles per a la comunicació interna dedicada entre els nodes de la malla. En fer-ho, renuncien a una part de la capacitat que d’altra manera s’hauria pogut oferir als usuaris. Un cop més, SIC pot millorar el rendiment fent possible que les comunicacions internes i els senyals dels dispositius utilitzin les mateixes freqüències simultàniament. Malauradament, aquesta aplicació encara està molt lluny en comparació amb les aplicacions 4G i 5G. Tal com està, actualment no és rendible desenvolupar tecnologia SIC per a xarxes  Wi-Fi mallades, perquè aquestes xarxes solen gestionar volums de trànsit molt més baixos que les estacions base 4G i 5G.

Les xarxes mallades s’estan desplegant cada vegada més a les xarxes mòbils i Wi-Fi. Les dues tecnologies s’assemblen cada cop més a la seva manera de funcionar i d’utilitzar-les, i les xarxes mallades poden solucionar els problemes de cobertura i revisió experimentats per tots dos. També són fàcils de desplegar i  s'auto-reparen, cosa que significa que les dades es poden encaminar automàticament al voltant d'un node que ha fallat. Les xarxes de malla 4G LTE realment robustes ja s’estan millorant molt mitjançant el full-duplex amb la mateixa freqüència. Espero que passi el mateix en un futur proper amb les xarxes 5G i Wi-Fi.

La tendència tecnològica a la xarxa sense fils és treure més i més rendiment de la mateixa quantitat d’espectre. SIC, literalment, duplica la quantitat d’espectre disponible i, en fer-ho, ajuda a introduir categories d’aplicacions sense fils completament noves.

Font: IEEE Spectrum 

Futur de les carreteres per carregar VE sense fils.

Les carreteres que instal·lin tecnologia de càrrega per VE sense fils, es podrien convertir en una característica l de les ciutats.

Mitjançant l’aplicació de la geometria estadística a l’anàlisi de les xarxes de carreteres urbanes, els investigadors de KAUST treballen per fer possible què les carreteres amb càrrega per VE sense fils, influeixin en el comportament dels conductors i la planificació de la ciutat en un futur on els vehicles elèctrics (EV) dominin el mercat dels automòbils.

Aquest treball, està motivat per la tendència mundial cap al transport ecològic i els vehicles elèctrics per això, diferents investigadors i empreses tecnològiques d'arreu del món desenvolupen sistemes de càrrega dinàmica eficaços, com ara sistemes de transferència d’energia sense fils instal·lats a les carreteres, com una forma de carregar vehicles elèctrics mentre condueixen sense necessitat d’aturar-se. En aquest context, cal analitzar matemàticament com fer el desplegament a gran escala de carreteres de càrrega en les ciutats metropolitanes.

Quan s’afegeixen les carreteres de càrrega a la xarxa de carreteres urbanes, molts factors entren en joc. Els conductors poden buscar carreteres de càrrega en els seus desplaçaments, cosa que té implicacions per a la planificació urbana i el control del trànsit. Mentrestant, la densitat d’instal·lacions de carreteres de càrrega en una ciutat i el la probabilitat del temps que passen els viatgers a les carreteres i entre les carreteres,  podrien influir en la mida de les bateries instal·lades en vehicles elèctrics pels fabricants de vehicles.

El càlcul d'aquestes mètriques que es podrien utilitzar per analitzar una xarxa de carreteres de càrrega sense fils de VE, és molt significatiu. El principal repte, és que les mètriques utilitzades per avaluar el rendiment del desplegament de la càrrega dinàmica, com ara la distància a la carretera que permeti la carrega sense fils més propera en un viatge aleatori, depenen dels punts inicials i finals de cada viatge. Per captar correctament aquestes mètriques, cal enumerar explícitament totes les situacions possibles, calcular les mètriques en cada cas i avaluar la probabilitat en que cada situació passarà a la realitat. Per a això, s'ha utilitzat un enfocament anomenat geometria estocàstica per modelar i analitzar com aquestes mètriques es veuen afectades per factors com la densitat de carreteres i la freqüència del desplegament de càrrega dinàmica.

Aplicant aquesta anàlisi a la zona de Manhattan de Nova York, que té una densitat de carreteres cada 63 metres, es va determinar què un conductor tindria un 80% de possibilitats de trobar-se amb una carretera amb càrrega sense fils per VE després de conduir durant 500 metres si s'assoleix una ràtio del 20%  de carreteres  de  càrrega sense fils per VE.

Aquest ha estat el primer estudi que incorpora la geometria estocàstica a l'anàlisi del rendiment del desplegament de carreteres de càrrega a les ciutats metropolitanes. Es un important pas cap a una millor comprensió del desplegament de carreteres a les ciutats metropolitanes.

Font: Universitat de Ciència i Tecnologia King Abdullah

Desenvolupament de l'energia de fusió.

El Laboratori de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departament d’Energia dels Estats Units (DOE), col·labora amb el sector privat en les investigacions de fusió d’avantguarda destinades a aconseguir que aquesta font d'energia sigui comercial.

L'objectiu del projecte és predir la fuita ràpida de les partícules "alfa" que sorgeixen durant les reaccions de fusió del projecte SPARC, donada la mida i els possibles desalineaments dels imants superconductors que confinen el plasma. Aquestes partícules, poden crear un plasma en gran part "autoescalfat" o en combustió que alimenta les reaccions de la fusió. El desenvolupament de plasma en combustió, és un important objectiu científic per a la investigació de l'energia de fusió. No obstant això, la fuita de partícules "alfa" podria alentir o aturar la producció d'energia de fusió i danyar l'interior de la instal·lació SPARC.

Nous imants superconductors

Les característiques clau de la màquina SPARC inclouen la seva compacta mida i els seus potents camps magnètics, que permeten la capacitat dels nous imants superconductors per operar a camps i tensions més elevats que els imants superconductors existents. Aquestes característiques permetran dissenyar i construir instal·lacions de fusió més petites i menys costoses, tal com es descriu en les recents publicacions de l’equip SPARC, suposant que les ràpides partícules "alfa" creades en les reaccions de fusió es puguin contenir el temps suficient per mantenir el plasma calent.

Ben confinat

S'ha descobert que les partícules "alfa" estan ben confinades en el disseny SPARC. Per això, es va utilitzar el codi informàtic SPIRAL desenvolupat a PPPL per verificar el confinament de partícules. El codi, que simula les ondulacions com a patró, en un camp magnètic,  podria permetre la fugida ràpida de partícules i mostrava un bon confinament sense malmetre les parets del SPARC. A més, els resultats amb el codi SPIRAL coincideix amb el codi ASCOT de Finlàndia, tot i que els dos codis són completament diferents.

Les reaccions de la fusió, combinen elements lleugers en forma de plasma, l’estat calent i carregat de la matèria composta per electrons lliures i nuclis atòmics, o ions, que comprèn el 99 % de l’univers visible, per generar grans quantitats d’energia. Arreu del món, es busca crear la fusió com una font d'energia pràcticament il·limitada per generar electricitat.

Orientació clau

La desalineació dels imants SPARC augmentarà les pèrdues induïdes per les ondulacions de les partícules de fusió que conduiran a un augment de la potència que impactarà contra les seves parets. Els càlculs haurien de proporcionar guies clau a l’equip d’enginyeria de SPARC sobre el grau d’alineació dels imants per evitar excessives pèrdues d’energia  i danys a les parets. Els imants correctament alineats, permetran per primera vegada, estudiar l’autoescalfament del plasma i desenvolupar tècniques millorades per al control del plasma en futures centrals de fusió.

Font: Laboratori de Física del Plasma de Princeton.

De quant depèn la temperatura per la fiabilitat d’un sistema d’energia elèctric?

Les modelitzacions de l’adequació dels recursos dels generadors dels sistemes d’energia elèctrica,  estan dissenyades per ajudar a determinar els requisits de capacitat per als operadors de sistemes d’energia elèctrica. Tot i que el càlcul dels requisits d’adequació de recursos s’han estat fent des de fa més de cent anys, encara es requereix d'una continuada atenció, ja que el mix de generació està en constant creixement i canvi. 

Aquest article, resumeix aquestes consideracions  contínues de fiabilitat mitjançant l’ús d’un conjunt  únic de dades per determinar com les baixes i altes temperatures redueixen la fiabilitat dels generadors d’energia i, per tant, afecten la quantitat dels mercats de generació .

La detallada informació basada per fer aquest article, es pot consultar  a Resource Adequacy Implications of Temperature-dependent Electric Generator Availability, realitzat per investigadors de la Universitat Carnegie Mellon i  publicat a Applied Energy .

El  seu plantejament, vol comprendre millor els determinants de la disponibilitat dels generadors i incorporar aquestes consideracions en el modelatge de l'adequació de recursos. Això, podria millorar la capacitat d'un operador del sistema per determinar quanta generació es necessita quan les temperatures són molt baixes  o molt altres.

Les avaluacions es va dur a terme a la PJM Interconnection, què és el major operador de sistemes de transport elèctric per capacitat i càrrega de generació instal·lades a Amèrica del Nord, fent ús de les taxes d’interrupcions forçades que van dependre de la temperatura durant els darrers 25 anys. L'actual modelització de l’adequació dels recursos de la xarxa suposa que les falles del generador no estan relacionades amb la temperatura, tot i que presenta un substancial risc d’adequació dels recursos. Per exemple, en el cas de PJM, els extremats esdeveniments meteorològics, com va ser el fred Polar del 2014, van afegir una tensió significativa a la xarxa elèctrica, cosa que, contràriament a les suposicions predominants, estarien relacionades a les falles dels generadors. A més, assumir la independència incondicional pot conduir a subestimar els requisits de capacitat del sistema d'energia.

Per primer cop, es va determinar que les temperatures extremes, sigui altes o baixes,  van resultar essent en una menor producció.  A continuació, es van calcular els requisits de capacitat en dos escenaris diferents per a un període de 12 mesos: el 2018 i el 2019. La primera representava les actuals pràctiques  en què s’assumeix la independència incondicional i la segona permetia que la disponibilitat del generador depengués de la temperatura. A més, es va explorar com accelerar els canvis en la barreja de recursos (és a dir, passar dels combustibles fòssils a l’energia solar i eòlica) i els augments futurs de temperatura sota el canvi climàtic poden afectar l’adequació dels recursos a PJM.

Donada la forta estacionalitat de les extremes temperatures, els investigadors van considerar si els objectius d'adquisició mensuals ajudarien a reduir els requisits de capacitat en comparació amb el model de contractació anual actual. Van observar la pèrdua acumulada de l’expectativa de càrrega (LOLE) —la probabilitat d’una apagada a causa de la insuficient generació d’energia— durant cada mes natural segons un enfocament de contractació anual, utilitzant taxes aleatòries d’interrupció forçada i dependents de la temperatura. Després de tenir en compte la dependència de la temperatura de la disponibilitat del generador, es va determinar que els objectius mensuals d'adquisició de capacitat reduirien substancialment la contractació mitjana anual de  les reserves amb un efecte insignificant sobre el LOLE. Això, es deu al fet que els mesos de primavera i tardor experimenten temperatures suaus, cosa que provoca càrregues més baixes i una major disponibilitat del generador.

En última instància, aquest anàlisi demostra la importància de considerar condicions dependents de la temperatura en la modelització de l’adequació dels recursos. El tipus d’adquisició de la capacitat mensual o estacional que proposen els autors podria reduir el marge de reserva en el cas de PJM en un  27% de marge de reserva respecte el que va adquirir en el període que va des del 2018 al 2019 en un 23%, cosa que representa un benefici econòmic anual de 315 M US$. Cal fer més investigacions per tenir en compte el risc de pèrdua de càrrega a causa de les interrupcions del generador durant esdeveniments meteorològics extrems sostinguts, incorporar recursos de resposta a la demanda, quantificar les necessitats de flexibilitat operativa i permetre als operadors de sistemes comprendre millor el valor de l’adquisició de reserves operatives.

Font: Universitat Carnegie Mellon

La supercàrrega com ajut a la transició energètica.

La companyia israeliana StoreDot, recentment va anunciar que pot produir en massa bateries de vehicles elèctrics que es poden carregar completament en només cinc minuts. llavors, el coll d'ampolla per a una càrrega molt ràpida ja no és la bateria.

Les velocitats de càrrega dels vehicles elèctrics són un camp minat i poden ser difícils d’entendre. Els darrers models afirmen taxes de càrrega màximes de més de 500 km en una hora, però la taxa mitjana en carregar del 10% al 80% de la capacitat de la bateria sol ser aproximadament la meitat. L'última part de la bateria és sorprenentment difícil de "carregar": més enllà del 80%, i fora de les temperatures normals de funcionament, la càrrega ràpida disminueix dràsticament.

Fins i tot si s'entén la capacitat de la bateria del cotxe, la velocitat de càrrega també està limitada per la capacitat del carregador. Al Regne Unit, per exemple, només té uns pocs carregadors "ultra ràpids" capaços de subministrar més de 100 kW.

La majoria de la gent circula  menys de 50 km al dia de manera que, amb moderns cotxes elèctrics capaços de fer més de 150 km amb una sola càrrega, llavors només necessiten carregar-se una o dues vegades per setmana. Per al 60%  de les llars amb aparcament fora del carrer, vol dir que la recàrrega  es pot fer durant la nit durant els períodes vall. Fins i tot si  agrada conduir distancies llargues, seria possible  fer-ho amb un descans de càrrega de 30 a 40 minuts cada 2-3 hores.

Per als que no poden carregar a la llar, ja hi ha altres opcions com la càrrega al lloc de treball o potser la càrrega ràpida en els grans supermercats quan es fan les compres setmanals. Hi ha pocs dubtes que es podría adoptar vehicles elèctrics sense taxes de càrrega tan altes, però això depèn del canvi de comportament que pot sorgir per carregar la bateria. La càrrega de cinc minuts elimina la barrera percebuda per a molts i fa que l’adopció de vehicles elèctrics sigui una opció molt més senzilla per a aquells que no tenen accés a la càrrega domèstica.

Un altre avantatge important és el dels viatges més llargs. De moment, poques persones posseeixen cotxes elèctrics i, per tant, no és habitual trobar carregadors ràpids ocupats en ruta, però és probable que això canviï amb el pas del temps. Ja que els conductors de Tesla quan surten de Califòrnia, poden passar hores esperant carregadors per tant, ja hi han caso on sorgeixen colls d’ampolla. La càrrega de cinc minuts reduiria el nombre de punts de càrrega ràpida necessaris en una estació de servei en un factor de deu, cosa que probablement també milloraria l’economia, ja que els punts de càrrega ràpida són cars. El maquinari només costa desenes de milers d'euros.

Unes taxes de càrrega més altes no necessàriament impliquen la necessitat de més infraestructura de xarxa als centres de càrrega, ja que hi hauria menys cotxes que carreguen simultàniament. No obstant això, StoreDot indica afegir 300 milles d’autonomia en cinc minuts, cosa que suggereix que les taxes de càrrega s’acosten a 1 megawatt, tres vegades la taxa dels carregadors més ràpids disponibles en l’actualitat. Es tracta d’una gran demanda d’energia i, com a resultat, és poc probable que trobeu aquest tipus de carregadors a totes les cantonades del carrer o, de fet, a totes les benzineres existents. Les subestacions i els cables necessaris, etc., simplement no hi són. Aquestes altes potències de càrrega també requeriran un nou disseny de connectors per al cotxe i cables potencialment refrigerats, que seran voluminosos i difícils de manejar. Potser la càrrega sense fils haurà de convertir-se en la norma.

La xarxa pot gestionar una càrrega súper ràpida?

Els vehicles elèctrics tenen el potencial de sobrecarregar les xarxes locals i els sobtats augments de la demanda poden causar problemes als generadors d’energia. Quan els cotxes es carreguen majoritàriament durant la nit o amb carregadors més lents durant el dia, com passa actualment, aquests problemes són relativament fàcils de gestionar. Però si la càrrega d’alta velocitat significa que els viatgers alimentaran els seus cotxes en el camí d’anada i tornada de la feina, aquesta demanda concentrada d’electricitat coincidirà amb els pics de demanda existents. A mesura que les energies renovables intermitents esdevenen més freqüents, això pot causar problemes importants per als operadors de xarxes, ja que ningú pot ordenar que bufi el vent o que el Sol brilli en ràfegues convenients del matí i del vespre.

Tal com està, els vehicles elèctrics es veuen com un mitjà potencial per gestionar aquesta intermitència mitjançant la càrrega controlada i fins i tot gràcies al V2G, on les bateries dels cotxes poden subministrar energia a la xarxa en moments de baixa generació. L’adopció generalitzada de la càrrega ràpida en lloc de la càrrega domiciliària i laboral reduiria l’oportunitat d’aquest tipus de gestió del sistema.

La càrrega ràpida de les bateries també podria reduir l’impacte ambiental dels cotxes i altres dispositius de bateria. Per a la majoria de conductors, que només i de tant en tant realitzen viatges llargs, un cotxe amb una bateria més petita i lleugera, que també serà més eficient i més barata, pot resultar més atractiu, ja que hi haurà menys temps d'espera en les electrolineres. Això també podria tenir implicacions beneficioses per a altres usos de la bateria.

En última instància, això podria significar que es necessitin menys bateries i, per tant, menys danys ambientals per l’extracció i fabricació dels materials. Tot i que la càrrega de cinc minuts no és un canvi de joc complet, fa que la transició als vehicles elèctrics sigui més fàcil de vendre.

Com es podrien reutilitzar els pous de petroli una vegada s'han esgotat?

Les empreses propietàries que han adquirit els principals pous productors de petroli, haurien de fer front a grans despeses (entre 70.000 US$ i 500.000 US$)  per tapar-los amb seguretat. El procés consisteix en omplir les canonades subterrànies de ciment per segellar les fonts de petroli i de gas, per després segellar la part superior de la carcassa. Tot i això, el cost augmenta exponencialment si cal netejar el sòl contaminat.

Només a Califòrnia, hi ha uns 5.540 pous orfes i 37.000 pous inactius, inclosos els que hi han escampats al comtat de Los Angeles. En aquest casos,  les agències estatals esdevenen responsables de prendre les mesures  adequades, costant a Califòrnia i altres contribuents desenes de milions de dòlars anuals.

No obstant això, podria haver-hi una manera innovadora per convertir-los en conductes per servir d'emmagatzematge subterrani de les energies solar i eòlica. Es creu que fer-ho podria millorar la qualitat de servei  i també,  la seguretat energètica.

És una pena abandonar aquests pous que es van perforar a un alt cost quan es podrien utilitzar per a alguna cosa que aporti valor com podria ser, l'emmagatzematge d'energia subterrània ja que en mols casos, els països no disposen de prou espai d'emmagatzematge de bateries per igualar satisfer les seves necessitats energètiques. Aquesta proposta podria resoldre temes de seguretat mediambiental, en teres de suficiència energètica i d'emmagatzematge.  

Per transformar els pous inactius en emmagatzematge subterrani, caldria abocar ciment per les canonades i així,  segellar els dipòsits de petroli i gas. Caldria afegir un sensor proper a la part superior per detectar potencials fuites nocives  de manera què,  les perforacions permetrien l’accés als aqüífers salins de poca profunditat.

L'energia sostenible creada pels panells solars i els molins de vent situats a prop dels pous, es convertiria en aire d'alta pressió mitjançant un compressor. L’aire circularia a través de canonades fins als aqüífers salins subterranis, o sorres humides poc profundes, entre 300 i 2.500 m sota la superfície. Aquestes sorres humides, poden emmagatzemar grans quantitats d'energia sostenible.

L'aire d'alta pressió romandria segur sota terra fins que fos necessari. Després, es podria alliberar per produir electricitat mitjançant turbines.

Actualment, enginyers del petroli i geocientífics del subsòl utilitzen conceptes i mètodes similars per emmagatzemar gasos d’efecte hivernacle com el diòxid de carboni en pous acabats de perforar que es connecten a aqüífers profunds. A diferència del CO2, però, l’aire a pressió és inofensiu.

Un sol pou reutilitzat podria emmagatzemar almenys 5 MWh d’energia, mentre que un jaciment de petroli o gas tancat podria contenir milers de megawatts-hora.

Amb la participació d’una empresa de generació d’energia superficial, EIC, properament esperen tenir identificat un lloc de demostració i també es té previst col·laborar amb informàtics de la USC Viterbi, enginyers civils i ambientals i elèctrics, entre d'altres.

Es creu  que això seria bo per als propietaris de pous de petroli i gas, donat que no haurien de passar per les grans despeses necessàries pel seu complert abandonament i que en realitat podrien rebre drets d'autor per proporcionar els seus pous als llocs d'emmagatzematge. Les utilities,  necessiten  complir els terminis per a les solucions d'energia alternativa i proposen solucions d'emmagatzematge viables, les quals, també serien beneficioses.

Font: Univerty of Southern California.

Emmagatzematge d'energia per gravetat.

Les grues són un element familiar a qualsevol ciutat i poble. La ciutat suïssa del Tesino, a prop de la frontera italiana, te una grua de sis braços i 110 metres d’alçada la qual, no està destinada per la construcció. Es un sistema que demostra que l'energia renovable es pot emmagatzemar aixecant càrregues pesades i fer energia quan es deixen caure gràcies a la gravetat.

Energy Vault, és l’empresa suïssa que va construir l’estructura la qual, ha iniciat un programa de proves per fer possible els seus primers desplegaments comercials. Almenys hi ha un un competidor, Gravitricity , a Escòcia, que es basa emb el mateix punt. També, hi han almenys dues empreses amb idees similars, New Energy Let's Go i Gravity Power , que busquen el finançament per tirar endavant els seus projectes.

Gairebé totes les instal·lacions d’emmagatzematge d’energia què actualment estan  operatives arreu del món, poden generar un total de 174 GW, depenen de la gravetat. L'emmagatzematge de bombament hidràulic, on l'aigua es bomba a una embasament què està més elevat i després torna per generar electricitat, ha dominat durant molt de temps aquest sistemes d'emmagatzematge d'energia. Però les centrals hidràuliques reversibles requereixen d'una geografia molt específica: dos grans dipòsits d’aigua a elevacions amb una gran separació vertical, però de no massa capacitat de manera què,  és difícil fer noves construccions.

Energy Vault, Gravity Power i els seus competidors busquen utilitzar el mateix principi bàsic: aixecar una massa i deixar-la caure, tot creant una instal·lació d’emmagatzematge d’energia que es pugi fer  gairebé a qualsevol lloc. Al mateix temps, mentre s'espera obtenir les millors bateries, què és el repte de l’emmagatzematge d’energia renovable, aquesta proposta, podria oferint costos a llarg termini més baixos i menys problemes ambientals.

En acció, les torres de Energy Vault apilen i desapilen constantment maons de 35 Tm disposades en anells concèntrics. Els maons d’un anell interior, per exemple, es poden apilar per emmagatzemar 35 MWh d’energia. Aleshores els sis braços del sistema de forma sistemàticament fan possible que baixin els maons per construir un anell exterior i lliurar energia eléctrica a la xarxa durant aquest procés.

No obstant, per fer-ho possible, no és fàcil ja què, per mantenir una sortida constant, un bloc ha d’accelerar-se mentre un altre desaccelera; per això calen  sis braços. A més, el sistema de control ha de compensar les ràfegues de vent, la desviació de la grua a mesura que cull i deixa els maons, l’allargament del cable, els efectes del pèndol i altres coses.

Es veuen diversos avantatges respecte a les bateries. el primer avantatge, és l'ambiental. En lloc de bateries de liti-ió què són químicament reactives i difícils de reciclar, Energy Vault té com a principal despesa els maons, que es poden fer in situ utilitzant brutícia i residus disponibles barrejats amb un nou polímer de la cimentera  Cemex. 

Un altre avantatge, és la menor despesa operativa, que l’empresa calcula que és aproximadament la meitat que la d’una instal·lació de bateries amb una capacitat d’emmagatzematge equivalent. Les instal·lacions amb bateries d’emmagatzematge han de substituir contínuament les cel·les a mesura que es degraden. Però aquest no és el cas de la infraestructura d’Energy Vault.

En comparació l’esquema d’emmagatzematge d’energia de Gravitricity sembla senzill per ’Energy Vault. En lloc de fer caure pesos amb una grua de sis braços, Gravitricity planeja tirar un pes a uns quilòmetres de profunditat.

Aquestes grans masses, cadascuna d’entre 500 i 5.000 Tm, només necessiten moure’s a pocs centímetres per segon per produir valors de MW. L’ús d’un sol pes, es presta per aplicacions que necessiten  alta potència, ràpida i de curta durada, com ara fer front a les fluctuacions segon a segon de la xarxa i mantenir la freqüència. Els sistemes de múltiple pes, serien més adequats per emmagatzemar més energia i generar durant períodes més llargs. 

Demostrar la resposta  segon a segon és el principal  objectiu del concepte de 250 kW que Gravitricity està construint a Escòcia. El seu pes de 50 Tm, es mantindrà suspès a 7 metres sobre una torre de gelosia. 

Gravity Power i el seu competidor New Energy Let's Go, que va en busca de la tecnología de la fallida  Heindl Energy, también busca emmagatzemar energia sota terra, pero s'inspiren més amb les les bombes hidràuliques. En lloc d’emmagatzemar energia mitjançant dipòsits a different elevacions, bomben aigua sota terra per aixecar un pistó extremadament pesat per acabar permetent que el pistó  al caure, empeny l’aigua a través de una turbina  i així generi electricidad.

Els embassaments són el taló d'Aquil·les de les centrals hidràuliques reversibles. El propòsit d’una central elèctrica de gravetat és eliminando la necesidad d'embassaments de manera que aquestes plantes, permeten situar la capacidad de emmagatzematge de le centrals hidroelèctriques reversibles en només una o dues hectàrees de terreny pla.

Una planta de 400 MW amb 16 horas de emmagatzematge (o 6,4 GWh d'energía) necesitaría un pistó de més de 8.000.000 Tm, valor habitual en les capacitats elevadores de les bombes reversibles actuals i de les limitacions dels processos de construcció.

Tot i que s'espera que aquestes  instal·lacions d’emmagatzematge subterrani siguin més econòmics que les instal·lacions de bateries, la veritat es que avui, encara són molt cares. No obstant, les nacions preocupades pel canvi climatic podrien estar disposades a pagar per aquestes opcions d’emmagatzematge.

Font: IEEE Spectrum

Els pobles rurals de l'Àfrica, amb o sense connexió a la xarxa de distribució?

El sud d'Àsia, ha fet grans progressos en la connexió de zones rurals a la xarxa elèctrica, però el nombre de persones a l'Àfrica sense accés a la electricitat,  amb prou feines ha canviat des del 2010. Més de mig milió de persones a l'Àfrica no tenen accés a l'electricitat, el que significa que el continent acull El 72% de la població mundial no electrificada. Els Objectius de Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides, han establert un objectiu universal per garantir l’accés a una energia assequible, fiable, sostenible i moderna per a tothom en el 2030. Per aconseguir-ho, el continent requerirà de grans inversions en l'electrificació.

Però, quin tipus d’ electricitat té sentit a l’Àfrica rural per aprofitar al màxim els pressupostos disponibles?  Durant l’última dècada més o menys, han sorgit una gamma de diferents nous productes solars per subministrar energia sense estar connectats a la  xarxa de distribució. Aquesta energia no subministra al sector industrial, però és suficient per a la il·luminació, estacions de radio i telefonia, televisió i càrrega de les tauletes i mòbils. Aquest nous productes, substancialment  són més econòmics que fer una extensió de la xarxa elèctrica de distribució.

Sovint es diu que l’electricitat de la xarxa de distribució, és fonamental per al desenvolupament humà a llarg termini, ja que proporciona suficient energia  per als electrodomèstics i el sector comercial i industrial. Però, aquest costos substancialment més alts d'inversió,  es justifiquen per l'impacte econòmic?

Els estudis empírics sobre l’impacte de l’electricitat de la xarxa de distribució en el desenvolupament econòmic,  mostren resultats mixtos. Però cada cop,  sembla que l'evidència d'Àsia i Amèrica Llatina no s'aplica a l'Àfrica rural, ja que s'han trobat patrons de baix consum a les zones recentment electrificades on l’electricitat s’utilitza principalment per a la il·luminació i l’entreteniment. 

Disposició a pagar

Però, realment què vol la societat de les zones rurals?. Quant es preferible  la xarxa de distribució respecte un sistema aïllat? Per respondre això, s'han utilitzat dues tècniques diferents sobre la disoció a  pagar a les zones rurals de Burkina Faso, Senegal i Rwanda per així, estimar quant la societat estaria disposada a pagar per l’electricitat.

Es van fer preguntes a la gent dels tres països sobre quant estarien disposats a pagar per una làmpada solar, un sistema solar domèstic i una connexió a la xarxa. Per descomptat, aquestes hipòtesis no es poden prendre únicament al valor nominal.

En el cas de Rwanda, què utilitza una oferta de compra real, es va convidar a la gent a licitar tres kits solars de diferents mides. En realitat, podrien comprar-los, només si la seva oferta superava el preu extret a l'atzar. Això se'ls va explicar abans de fer l'oferta, creant així incentius per presentar una oferta que reflectís quant estaven disposats a pagar.

Es va trobar que l'electricitat era una clara prioritat per a les llars: tots dos estudis van demostrar que les llars estaven disposades a pagar una gran part dels seus ingressos mensuals per l'electricitat. En l’estudi dels tres països, per a una hipotètica quota de connexió mensual, les llars estaven disposades a gastar entre el 16% i el 23% dels seus ingressos mensuals per l'electricitat de la xarxa de distribució i entre el 6% i el 15% per a les opcions de desconnectat de la xarxa de distribució.

L'estudi a Rwanda, va revelar que les llars estaven disposades a invertir el 20% dels seus ingressos mensuals per comprar una làmpada solar molt petita, una quota que puja fins a gairebé el 70% un cop el kit solar també permet carregar els telèfons. Augmenta a més del 300% per a un gran dispositiu de 20 watts que ofereix serveis d’il·luminació, càrrega i petits entreteniment.

Certament, això és molt relatiu als baixos nivells d’ingressos de les llars, però és massa poc per cobrir el cost dels dispositius solars o els costos de desplegament d’una connexió a la xarxa de distribució. La bretxa entre el que la gent està disposada a pagar i els costos és substancial. Per als tres productes solars a Rwanda, les llars estaven disposades a pagar entre el 30% i el 40% del preu de mercat.

Les estimacions sobre els costos per a la connexió a la xarxa de distribució, varien segons el context, però solen ser de diversos milers de dòlars dels EUA. Prenent les hipotètiques tarifes mensuals de connexió establertes a Rwanda, Senegal i Burkina Faso, es trigarien entre 5 i 18 anys per recuperar els costos d’inversió a la xarxa dels usuaris.

Reduir la distància

Què significa aquesta voluntat de pagament i la bretxa respecte als costos d'inversió? Molts economistes l’utilitzen per guiar les decisions polítiques perquè s’interpreta com una valoració. Així, doncs, un funcionari governamental que maximitzi el benestar, preferiria una política per a la qual la seva circumscripció electoral tingui una gran voluntat de pagament. Això és convincent, però conduiria intrínsecament a decisions molt desiguals a favor de les persones amb un al poder adquisitiu.

Més aviat, els resultats confirmen que l'electricitat és molt apreciada pels pobres rurals, però l'accés universal no s'arribarà aviat sense subvencions, fins i tot per a l'energia solar sense estar connectada a la xarxa de distribució..

Aquests subsidis per a l'energia solar fora de la xarxa de distribució podrien estar justificats, tot i que, si els importants beneficis socials  cobreixen la bretxa, com una millor educació per als nens o per els beneficis ambientals derivats d'un menor ús de residus electrònics o de querosè. De fet, en un anterior estudi a Rwanda, es va trobar una sèrie d’aquests avantatges derivats dels petits equips solars.

Els patrons de consum de les llars que utilitzen energia solar també eren similars als dels pobles connectats a la xarxa de distribució. Cal fer més estudis en altres entorns, però, per ara, la subvenció de l'energia solar fora de la xarxa de distribució, sembla ser un camí raonable per arribar a la massiva electrificació, recordant també els modestos impactes i els alts costos de l' electrificació a la xarxa.

Font: The conversation