Les bateries i l'hidrogen són el futur per la mobilitat pesada.

El fabricant de camions i autobusos més gran del món proposa un ambiciós futur  de zero emissions el qual no està tan lluny, malgrat els costos més alts i l’actual manca d’infraestructura de suport.

La divisió de camions de Daimler AG diu que planeja canviar la major part dels seus recursos de desenvolupament de vehicles a vehicles d’emissions nul·les pel 2025 i prediu que els camions amb bateria i hidrogen podrien ser competitius amb el cost dels gasoils a finals d’aquesta dècada.

La companyia te grans plans en matèria d’hidrogen, tot i que la tecnologia no s’acosta a l’ús pràctic ja que les despeses de les bateries i els vehicles continuen sent elevades.

Daimler Truck, amb marques com Freightliner i Mercedes-Benz, disposa de la seva estratègia per a una àmplia transició allunyada dels vehicles de combustió interna després que es retirés com a empresa independent a finals d’aquest any de Daimler AG. La reestructuració crearia empreses separades per al negoci de camions i la divisió de cotxes de luxe Mercedes-Benz de Daimler.

La companyia preveu invertir diners per al desenvolupament de vehicles amb bateria i hidrogen per al 2025. Es preveu que el cost d'aquests vehicles es reduirà a la paritat amb els dièsel a partir del 2025 per als vehicles amb bateria i després del 2027 per a camions amb piles de combustible d’hidrogen.

Un obstacle clau continua sent la infraestructura per alimentar i carregar, que està en els seus inicis i es desenvolupa a diferents velocitats a tot el món. Tot i això, el full de ruta de la companyia preveu fins al 60% de les vendes en vehicles de bateria o d’hidrogen per al 2030.

L’empresa va presentar un pla per associar-se amb la companyia energètica Shell per establir un corredor d’alimentació d’hidrogen de 1.200 km que connectaria Rotterdam als Països Baixos i Hamburg i Colònia a Alemanya pel 2025. Shell construiria 150 estacions d’hidrogen al llarg del 2030 Rotterdam i Hamburg són els principals ports comercials.

Posar a la carretera més vehicles de zero emissions, forma part del pla europeu per reduir dràsticament les emissions de diòxid de carboni, que és el principal gas d’efecte hivernacle culpable de l’escalfament global i del canvi climàtic. La Unió Europea pretén reduir dràsticament les seves emissions de gasos d’efecte hivernacle pel 2050 a un nivell que es pugui absorbir per mitjans artificials o naturals, com ara oceans, sòls i boscos.

Com a empresa pública, Daimler Truck s’enfrontarà a un control per part d’inversors i analistes, ja que s’esforça tant per millorar els beneficis de les seves ofertes actuals com per invertir en noves tecnologies que s’espera que dominin el futur.

Tot i que els cotxes i els camions amb bateria ja són a la carretera, l’aplicació de piles de combustible d’hidrogen per alimentar un gran nombre de vehicles encara queda més lluny. A les piles de combustible, l’hidrogen reacciona amb l’oxigen per produir electricitat i aigua.

Tot i això, la companyia aposta fortament per l’hidrogen malgrat els reptes. Es preveu que les xarxes elèctriques no podran suportar una flota de camions amb bateries a mesura que els cotxes i els camions d’emissió zero esdevinguin més nombrosos. Per això, es necessitaran les dues tecnologies.

Es preveu l’ús d’hidrogen per a rutes de llarg recorregut, tot argumentant que els camions amb bateria són més eficients per a recorreguts de menor abast. Daimler Truck està provant un camió de llarg recorregut propulsat per hidrogen, el GenH2, i compta amb camions amb bateries que operen en programes de proves de clients, amb una producció massiva prevista per al 2022.

La derivació consistiria en distribuir la majoria de les accions de Daimler Truck als accionistes existents de Daimler AG. La reestructuració com a dos negocis separats té com a objectiu donar a cada una més flexibilitat per reaccionar als desenvolupaments dels mercats de clients, així com seguir camins divergents en el desenvolupament tecnològic, amb cotxes de luxe Mercedes-Benz més centrats en les bateries i el negoci de camions que treballa en el desenvolupament de combustible d’hidrogen cèl·lules mitjançant una empresa conjunta amb Volvo.

Les empreses afirmen que es necessitaran incentius governamentals per promoure l'adopció de transports amb menys emissions, ja que actualment els costos són més elevats que els vehicles convencionals.

Font: Daimler Truck

Innovadora generació hidroelèctrica.

L’energia hidroelèctrica proporciona una alternativa als combustibles fòssils, però no tots els mètodes de generació són igualment ecològics o econòmicament viables.

La solució clàssica consisteix en construir una presa de formigó i ubicar-hi una central hidroelèctrica, però hi ha tota mena de problemes associats. Hi ha un elevat cost per construir una presa, però també hi ha un enorme impacte ambiental. Limita la migració dels peixos, canvia la topologia del riu i afecta tot el sistema ecològic que l'envolta.

Sestà investigant una solució diferent de les energies renovables: aprofitar la potència dels cabals naturals dels rius i convertir-la en electricitat mitjançant l’ús de la tecnologia de turbines bio-inspirades d’aliscafo. El innovador plantejament té el potencial d’ampliar l’accés a fonts d’energia més netes i rendibles, especialment per a les comunitats rurals

Els hidroalis,  són fulles submarines que es mouen amunt i avall amb el flux d’aigua. El moviment imita l’acció de l’aleta de cua dels peixos i cetacis (balenes, dofins, etc.) o les aletes d’un submarinista. Per això, s'està dissenyant un sistema que converteix mecànicament aquesta oscil·lació en un moviment rotatiu que alimenta un generador convertint el flux del riu en electricitat.

Hi ha una gran quantitat de recursos disponibles a partir del cabal constant del riu. Els rius són gairebé a prop de totes les ciutats dels països  de tot el món. Cal un sistema amb una petjada ecològica molt menor i una petjada de costos molt menor que les tecnologies més antigues.

L' energia hidrocinètica és un recurs renovable abundant que pot augmentar la resistència de la xarxa i reduir la vulnerabilitat d'aquesta infraestructura, però actualment és una opció prohibitiva pel que fa als costos en comparació amb altres fonts generadores d'energia. Per això, s'abordarà aquesta barrera dissenyant sistemes nous i eficients que utilitzin els recursos de les marees, els rius i oceans  per desenvolupar oportunitats de generació d'energia econòmicament viables.

Per això i durant tres anys, es dissenyaran components individuals que, si tenen èxit, es combinaran per crear una turbina econòmica fluvial oscil·lant i respectuosa amb el medi ambient. El repte serà assegurar-se que tots els components estiguin integrats correctament.

S'espera minimitzar les alteracions de l’ecosistema del riu creant una turbina de riu oscil·lant que es mogui verticalment a un ritme més lent en comparació amb les actuals turbines de rotatives. Els sensors del sistema, permetran adaptar-se als canvis naturals de la profunditat del riu i mantenir una producció d’energia constant que esdevé un avantatges que té l’energia hidro-cinètica respecte a altres tipus de renovables, com l’eòlica o la solar, pel que fa a la fiabilitat i l’accessibilitat.

Hi ha dies en què no fa Sol ni vent. Els rius, generalment flueixen. Aquesta tecnologia proporcionarà energia a les comunitats més rurals que d'una altra manera no poden aprofitar altres energies solars i eòliques a causa de la manca d'infraestructures o de les diferents condicions climàtiques.

Font: PC Rossin College of Engineering and Applied Science de Lehigh

Programaris per millorar el hosting capacity.

L’acceleració de les taxes d’adopció de les DER, cal de tecnologies avançades per mantenir la fiabilitat del sistema sense sobrecarregar els actius de la xarxa ni superar els límits de la tensió. Per a això, els DSO, disposen de diferents maneres per fer-hi front com serien les actualitzacions dels sistemes tradicionals, reforç de la xarxa, emmagatzematge d’energia i solucions de programari analític. Tot i que les inversions tradicionals són l’opció més provada per a la fiabilitat i la capacitat del sistema, altres  enfocaments  tenen el potencial de donar suport a casos d’ús alternatius amb formes noves.

Els enfocaments basats en programari per a la gestió de recursos energètics distribuïts (DER) són potencialment una opció convincent per donar suport a la integració de les energies renovables distribuïdes. ComEd, la companyia de distribució que dóna servei a 4 milions de clients al nord d’Illinois, inclosa la ciutat de Chicago, ha encarregat un projecte de demostració titulat “sistema de gestió de recursos energètics distribuïts” (DERMS) per gestionar la producció de generadors de fonts renovable.

La solució tradicional a una hosting capacity  de renovable limitada, podria implicar una actualització de línies elèctriques addicionals i un la instal·lació nou transformador de potencia a la subestació. Però, si es determina implementar una solució DERMS, es podrien reduir els costos, ajudant a fer viables projectes d’energia renovable per donar suport als objectius de les parts interessades de reduir les emissions de carboni del sector energètic.

Una solució de programari analític, també busca demostrar noves capacitats com augmentar la fiabilitat, l’eficiència operativa i la utilització del sistema, mantenint la qualitat de l’energia dins dels límits prescrits per als circuits de distribució. En el full de ruta d’innovació a llarg termini, DERMS es pot convertir en un mòdul d’un futur sistema de gestió de distribució avançat (ADMS) que pot proporcionar nivells de servei encara més alts, inclosa una millor fiabilitat i resistència.

A l'àrea on s'està demostrant aquesta tecnologia, ja hi ha una adopció significativa de generació eòlica a gran escala i un interès creixent pel desplegament de més generadors de fonts renovables. Aquesta implementació del DERMS, supervisarà les entrades com la càrrega del transformador de subestació, les sortides del DER i les condicions del sistema. Un algoritme de control es basa en aquestes entrades per determinar quan cal gestionar la sortida abans que els transformadors de les subestacions es pugui sobrecarrega durant les condicions de flux invers de potència.

L’algorisme que utilitza un òptim flux d’energia, està basat en les prioritats per gestionar la sortida de les DER renovable. La metodologia considera els límits de la capacitat dels actius de distribució, els límits de generació de les DER i les restriccions del flux de potència per avaluar la funció objectiva i minimitzar la pèrdua del sistema. Tot i que aquesta metodologia és computacionalment intensa, també proporciona resultats precisos per reduir la necessitat de gestionar la producció i, per tant, proporcionar un nivell de servei més alt.

Després de desenvolupar aquesta metodologia i l'algorisme, ComEd  ho va provar en un entorn  gairebé real al seu Laboratori de Tecnologia i Integració de Grid. Utilitzant les capacitats del simulador digital en temps real (RTDS) i les proves de control de maquinari al bucle (CHIL), ComEd va considerar l’eficàcia de la tecnologia en una àmplia gamma de condicions. Al llarg de més de quaranta escenaris, incloses diferents topologies de xarxa i diferents perfils solars, eòlics i de càrrega, el banc de proves CHIL va confirmar la funcionalitat de connectivitat, comunicacions i gestió de DER per comprendre i avaluar millor la precisió i el rendiment de la solució DERMS. La demostració de camp que va començar l'abril del 2021 és el següent pas per confirmar l'eficàcia, l'eficiència i la fiabilitat d'aquesta solució.

L’estratègia de gestió de les DER, es basa en observacions mitjanes. Les regles de prioritat s’implementen assignant factors de contribució i guanys a cada grup prioritari. Aquest procés permet emetre setpoints de gestió de manera què, quan la mitjana variable baixa per sota de l'objectiu, es poden començar a alliberar les restriccions de gestió. A més del procés de gestió activa, les dades històriques del sistema s’utilitzen per donar suport als esforços de mesura i verificació (M&V), per comparar el rendiment del sistema i per afinar les configuracions de paràmetres del sistema. 

Per maximitzar l'eficiència de les dades que es recopilen per al DERMS, ComEd està implementant sensors avançats. La ubicació d’aquests sensors és un aspecte clau de l’eficàcia del seu desplegament. Per determinar la ubicació òptima per a les unitats de mesura de fasors de distribució (PMU), ComEd va desenvolupar i provar una metodologia que considerava diferents escenaris topològics, així com les limitacions físiques de les instal·lacions, tot maximitzant l’observabilitat de la petjada DERMS. Aquesta capacitat donarà suport a l'eventual desplegament de control ràpid en temps real de DER que podria augmentar encara més la hosting capacity.

Per demostrar capacitats com aquestes, cal una infraestructura de comunicacions avançada, equips de mesura fiables, subministrament d’energia sensible i una potència de càlcul suficient per gestionar l’esquema d’optimització utilitzat per determinar les necessitats de la xarxa. Les solucions informàtiques analítiques com DERMS requereixen no només sensors per recopilar les dades, sinó la infraestructura per retransmetre-les i analitzar-les a temps. Si la demostració d’aquest sistema té èxit, un desplegament més ampli pot augmentar la capacitat d’allotjament DER i proporcionar nivells més alts de resistència i sostenibilitat a les comunitats que hi confien.

Font: IEEE Smart Grid

Ecoenergia sense límits.

La Terra té els seus límits, tal com demostra la crisi climàtica. Amb la creixent extinció d’espècies i l’escombratge dels oceans (i fins i tot de l’espai) com a resultat de l’activitat humana, els governs i les institucions de tot el món defensen el concepte d’economia circular. 

Tancant els cicles de materials, s’eviten els impactes ambientals associats a l’extracció de matèries primeres i es resol el problema dels residus. Aquest enfocament, però, no és suficient per construir una societat sostenible per si mateixa, ja que deixa obertes les preguntes sobre la quantitat i la rapidesa amb què es poden circular els materials i quina energia s’utilitza per alimentar aquests cicles. Al cap i a la fi, en una societat realment sostenible, no només els fluxos de materials sinó també els fluxos d’energia han de romandre dins dels límits establerts pel planeta.

Una pregunta clau és si hi ha prou energia renovable disponible a nivell mundial per gestionar de manera sostenible els fluxos de materials sense violar les fronteres planetàries. Aquesta qüestió està sent investigada per un equip dirigit per Harald Desing.

Com a sistema, la Terra només intercanvia energia amb l’espai. Amb gran diferència, la major part de l'energia aportada al sistema de la Terra és la radiació solar, complementada per aportacions menors del moviment planetari i l'energia geotèrmica. Aquests fluxos d’energia sempre havien estat utilitzats íntegrament per la mateixa Terra. Han alimentat els seus nombrosos subsistemes, com ara els oceans, l'atmosfera i els boscos, però també les superfícies reflectants de gel.

La majoria d’aquests subsistemes converteixen l’energia entrant en altres fluxos d’energia renovable, per exemple, corrents eòlics i d’aigua o producció de biomassa. En aquestes conversions, l’energia lliure, anomenada "exèrgia", s’extreu dels fluxos d’energia entrants. Independentment de si es produeixen conversions d’energia al sistema natural de la Terra o a la tecnosfera creada pels humans, tota l’energia es radia de nou a l’espai.

Els parcs solars també poden canviar el clima, és una qüestió d’escala

A mesura que la humanitat desvia cada cop més els fluxos d'energia renovable a les seves activitats, les parts disponibles per al sistema terrestre es redueixen. El sistema terrestre pot compensar aquestes interrupcions fins a cert punt. No obstant això, si són massa grans, augmenta el risc de superar els anomenats "punts d'inflexió". Això comportaria canvis ràpids i irreversibles en el sistema terrestre, com la fusió dels casquets polars, que al seu torn acceleraria el canvi climàtic. Per tal de no superar aquests punts d'inflexió, la mida de la superfície ocupada no ha de superar el límit planetari. Més enllà de l’escala, la forma d’utilitzar la terra també és crucial: les plantes solars en lloc dels boscos, alteren la biodiversitat, l’evaporació i, per tant, el cicle de l’aigua, la radiació de calor cap a l’espai i molt més.

Els mateixos límits superiors per a l’ocupació de la terra no només s’apliquen per a l’ús directe de l’energia solar, sinó també per a la collita de l’anomenada energia química, és a dir, a l’agricultura i la silvicultura, que produeixen aliments i farratges, materials per a la calefacció, combustibles i materials de construcció. La producció d’energia tècnica competeix amb la producció d’aliments en moltes superfícies.

L'electricitat com a "moneda universal"

Per tal de poder comparar o sumar els diferents potencials de l’energia renovable, els investigadors de l’Empa els han convertit en equivalents d’energia elèctrica. Per fer aquesta conversió, s’utilitzen en els càlculs les eficiències de les tecnologies de centrals elèctriques disponibles avui en dia. Es diferencia si l’electricitat es genera a partir de l’energia solar, la fusta o l’energia hidràulica. Aquestes pèrdues de conversió redueixen encara més la possible collita d'alguns potencials.

El resultat de l’estudi és sorprenent: el 99,96 % de l’energia que arriba a la Terra des de l’espai es necessita per alimentar el sistema terrestre i la producció d’aliments, per tant només es pot utilitzar tècnicament el 0,04 %. Tot i això, aquest potencial encara és deu vegades superior a la demanda energètica mundial actual.

Un altre resultat, en canvi, resulta poc sorprenent a l’hora d’analitzar les pèrdues de conversió: és preferible collir i utilitzar l’energia disponible mitjançant la conversió directa d’energia solar. Al cap i a la fi, gairebé tots els recursos energètics renovables, inclosa la producció eòlica, hidroelèctrica i de biomassa, són alimentats finalment pel sol. L’ús directe de l’energia solar significa menys passos de conversió i, per tant, menys pèrdues.

Fotovoltaica a totes les superfícies segellades

Gran part de l’energia del sol es podria recollir d’una petita porció dels deserts de la Terra, però això és un  repte tècnic i logístic. Per tant, l’equip de recerca del Technology and Society Lab considera que l’energia solar recollida a les zones desèrtiques és una reserva d’energia global en cas que s’esgotin totes les altres possibilitats.

Com a conseqüència, les societats haurien de començar a utilitzar superfícies ja segellades a tot el món, per exemple, sostres i façanes d'edificis, carreteres, ferrocarrils i aparcaments. Aquesta àrea seria suficient per alimentar una societat global de 2.000 W.

Tot i això, per elevar la demanda energètica mundial al nivell de la demanda per càpita actual a Suïssa, també caldria utilitzar zones desèrtiques. La resta de fonts d’energia (per exemple, eòlica o biomassa) són ordres de magnitud menors que l’ús directe de l’energia solar, i alguns recursos ja estan en excés. Tot i això, poden jugar un paper significatiu a nivell local, sobretot perquè poden reduir la necessitat de capacitat d’emmagatzematge, un problema que no s’ha considerat a l’estudi.

La simple construcció de plantes solars en massa soluciona el problema energètic? Per descomptat, no és tan senzill. En el seu estudi, l'equip d'Empa només va examinar el primer pas: calcular el potencial energètic disponible. La quantitat real d’energia disponible serà menor: els factors limitants inclouen la disponibilitat de matèries primeres, però també capital financer i humà, els impactes ambientals durant l’extracció o producció de matèries primeres, l’explotació i l’eliminació de les plantes i la necessitat d’infraestructures addicionals per a l’energia distribució i emmagatzematge.

Actualment, l’equip d’investigació està explorant com podria ser aquesta via d’un fòssil a una societat solar. El sistema d’ energia solar no només ha de ser prou gran per satisfer la demanda mundial, sinó que també ha de ser capaç de substituir el sistema de combustibles fòssils amb la suficient rapidesa per evitar la catàstrofe climàtica a temps.

Font: Laboratoris Federals Suïssos de Ciència i Tecnologia de Materials

Fiabilitat de la xarxa elèctrica.

La xarxa elèctrica de qualsevol país, continua sent vulnerable a la qualitat de servei, prioncipalment com a conserqüencia de greus fenòmens naturals com serien: incendis forestals, tempestes severes i també, els ciberatacs. Els recursos de generació variable i la volatilitat de la càrrega també presenten reptes operatius a l'estabilitat de la xarxa. Per mitigar les interrupcions abans que es produeixin afectacions en cascada, els planificadors de xarxes i els operadors han de ser capaços de veure venir aquests esdeveniments i comprendre els seus possibles impactes sobre la fiabilitat de la xarxa.

Tot i això, les actuals eines no estan a l’alçada de modelar amb precisió tots els escenaris i interdependències amb la precisió, l’escala i la velocitat necessàries. Es necessita un enfocament millor que al seu torn requereix de més potència informàtica.

ExaGO, és una plataforma de modelització i optimització per resoldre problemes d’optimització de la xarxa elèctrica a gran escala i de forma no lineal. És un programari de codi obert que pot aprofitar la computació d’altes prestacions i les plataformes de computació heterogènies emergents per modelar i predir l’impacte d’esdeveniments extrems i complexitats operatives sobre la fiabilitat de la xarxa elèctrica.

El Projecte d'Informàtica Exascale del DOE buscava aplicacions específiques que fossin adequades per a aquest enfocament de la informàtica.  ExaGO està sent desenvolupat per la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en el marc del projecte ExaSGD, el qual,  involucra cinc laboratoris nacionals i la Universitat de Stanford. Està finançat pel Projecte de Computació Exascale del Departament d’Energia dels EUA. ExaSGD se centra en el desenvolupament d’algoritmes i tècniques per abordar aquests nous reptes i optimitzar la resposta de la xarxa devant molts incidents potencialment greus i disruptius en diferents condicons o escenaris meteorològics.

El programari ja està disponible

Després de només 18 mesos d'investigació i desenvolupament, l'equip PNNL va llançar la primera versió estable del programari ExaGO de maenra què, pot funcionar en un maquinari que va des d'ordinadors portàtils fins a supercomputadors com l'Exascale, cosa que permet desplegar models de xarxa d'alta fidelitat en arquitectures informàtiques basades en nous acceleradors.

ExaGO és un salt significatiu en el modelatge de xarxes elèctriques. La capacitat de modelar ràpidament escenaris molt complexos a escala i avaluar el seu potencial impacte sobre la fiabilitat de la xarxa elèctrica és fonamental per implementar mesures correctores de manera oportuna. 

Arquitectures heterogènies

L’arquitectura heterogènia fa referència al maquinari que, a més de les unitats de processament tradicionals, també té acceleradors de maquinari, com ara les unitats de processament gràfic (GPU). Aquesta arquitectura proporciona una potència de càlcul addicional per a la  intensiva tasca en computació necessària per modelar dinàmiques de xarxa "estocàstiques", que tenen distribucions o patrons de probabilitat aleatoris que cal analitzar estadísticament. ExaGO consisteix en aplicacions dissenyades per resoldre l'optimització estocàstica a gran escala (problemes no lineals), l'optimització de la limitada seguretat (programació de recursos) i els problemes d'optimització de diversos períodes (interdependències de la infraestructura de xarxa).

Modelar l’impacte dels recursos energètics de la generació variable sobre la fiabilitat de la xarxa, seria un exemple de dinàmica estocàstica d'una xarxa. Aquesta arquitectura de GPU, té l'avantatge de poder processar moltes dades simultàniament, augmentant significativament el rendiment informàtic per modelar el comportament de sistemes complexos. La plataforma ja ha demostrat els nivells sense precedents de rendiment i escalabilitat. 

Durant le proves, ExaGO va resoldre simultàniament més de 3.000 casos de flux de potència òptima de corrent altern (ACOPF) —un càlcul crític de gestió de xarxa a nivell de sistema per equilibrar la potència activa i reactiva— per a una xarxa de Texas simulada de 2.000 bussos en menys de 10 minuts. Aquest rendiment, supera significativament el de les eines de planificació de la generació actual i permet als operadors de xarxa identificar respostes òptimes a múltiples fallades simultànies dels components de la xarxa (conegudes com a contingències Nk), com les que es produeixen en condicions meteorològiques extremes.

Posar en funcionament la tecnologia

Llavors, què poden fer els operadors de xarxa amb una plataforma de modelatge com ExaGO? Molt més del que podrien fer amb les eines de generació actual.

ExaGO es pot utilitzar per ajudar a gestionar les incerteses operatives des dels recursos distribuïts i amb propietats intermitents d’energia. El programari també es pot utilitzar per avaluar amb precisió multitud de condicions de funcionament de la xarxa per mantenir la seguretat i la fiabilitat o per mitigar la desviació de freqüència durant incidències elèctricques i altres esdeveniments  inesperats de gran abast. ExaGO també es pot aplicar per optimitzar les operacions del mercat elèctric en temps real i en els dies previs.

Com que ExaGO proporciona una solució completa de modelatge de xarxa de transport, els operadors de sistemes de transport poden optimitzar la seva planificació mitjançant estimacions del cicle de vida dels seus actius més precises, que representen milers de milions de diners d’inversió anual. Els operadors de xarxes també es poden preparar millor per a fenòmens meteorològics extrems, desastres naturals i possibles ciberatacs, pronosticant amb més precisió els impactes d’aquestes incidències sobre la fiabilitat de la xarxa. Aquests passos també inclouen la formulació de les opcions de resposta d'emergència més efectives i la identificació dels millors recursos per al control de la freqüència per evitar fallades més àmplies i en cascada del sistema elèctric.

Amb una plataforma amb aquestes funcions de càlcul i funcions de modelatge, les possibles aplicacions i els nous casos d'ús són extensos. El més important, la capacitat d'executar  modelatge de la xarxa  i anàlisi de flux de potència, de manera ràpida i a escala. 

Font: Divisió d'Infraestructures i Edificis Elèctrics del Pacific Northwest National Laboratory

Paradoxa de reduir la capacitat de generació de les PV.

En base a la previsió de les creixents fonts d'energia renovable variable (VRE) en els sistemes d'energia,  augmentin la reducció de l'energia renovable subministrada a causa de l'oferta excessiva o la manca de flexibilitat del sistema. 

Tot i que,  es reconeix la manca de flexibilitat del sistema, no s’ha entès bé com les opcions de flexibilitat afecten una elevada VRE. Els van fer diferents estudis del sistema per veure com podrien afectar una retallada en la penetració de les VRE (principalment solars). Les opcions de flexibilitat inclouen l’emmagatzematge de bateries, la flexibilitat del generador tèrmic, el transport i així,  permetre que el conjunt VRE i l’ emmagatzematge proporcionin reserves de funcionament, entre d’altres.

Els resultats, publicats en un article de Joule, van mostrar dos opcions claus que col·lectivament comprenen  una "paradoxa de reducció" que sorgeix a mesura que el sistema evoluciona cap a nivells de penetració solar més alts. En primer lloc, la flexibilitat del generador tèrmic té el major impacte en la reducció dels VRE en rangs mitjans de penetració solar fotovoltaica (PV), però no en rangs baixos o alts. En segon lloc, quan es permet que les VRE i l’emmagatzematge proporcionin reserves d’explotació, disminueixen els costos operatius a tot el sistema i els nivells de reducció, cosa que, al seu torn, redueix l’incentiu econòmic perquè les PV proporcionin aquestes reserves amb una reducció de l'energia un entorn de mercat majorista.

Plantejament del model

L'anàlisi de NREL va utilitzar un sistema que es basa aproximadament en el sistema de generació i transport del Departament d'Aigua i Energia de Los Angeles (LADWP), aprofitant conjunts de dades desenvolupats per al recentment publicat estudi d'energia 100% renovable de Los Angeles (LA100).

NREL va utilitzar el modelatge d’ampliació de capacitat per establir futurs escenaris de sistemes d’energia amb un cost més baix amb nivells de penetració creixents dels recursos VRE. A continuació, es va emprar una base de dades de modelització de costos de la producció de les utilities per optimitzar la generació i els recursos de transport de menys cost per avaluar el funcionament detallat de cada futur escenari.

Aquesta és la primera vegada que s’utilitza per complerts aquest conjunt de models per a un sistema realista i amb una alta previsió de PV per identificar quins factors operatius contribueixen més a la reducció i el valor potencial de les PV per proporcionar les reserves operatives amb una reduccuó de l'energia.

Paradoxa 1: la flexibilitat del generador tèrmic té el major impacte en la reducció només a nivell mitjà de penetració de la PV

La flexibilitat de la planta tèrmica (velocitat de rampa, nivells mínims de generació i temps mínim de pujada i baixada) permet al sistema d’energia respondre segons les necessitats a les fluctuacions de la xarxa i mantenir l’equilibri oferta-demanda.

En l'estudi, es va fer una observació contra-intuïtiva en base a la flexibilitat que les plantes tèrmiques tinguin un impacte molt més gran per la reducció de les VRE en una "zona de transició" a nivells mitjans PV (aproximadament entre un 25% i un 40% en el sistema d'estudi) que en nivells inferiors o superiors. Dels diversos aspectes de la flexibilitat del generador tèrmic, els nivells mínims de generació tenen un major impacte en la reducció d’aquesta zona.

No obstant això, quan les penetracions de les PV són baixes (al voltant del 20%), no hi ha prou VRE perquè els canvis de flexibilitat tèrmica tinguin un impacte significatiu sobre el sistema. Quan les penetracions fotovoltaiques són més elevades (aproximadament el 45%), no hi ha prou incentius per utilitzar la capacitat tèrmica restant per ajustar les operacions i produir impactes significatius de reducció.

S'anomena la zona de transició, com la zona Goldilocks , que és la combinació adequada de generadors fotovoltaics i tèrmics per produir impactes de flexibilitat tèrmica.

Aquest aspecte de la paradoxa de la reducció, revela la importància de l’evolució i la interacció de les fons solars amb la resta del sistema, especialment quan es tracta de la flexibilitat de les plantes tèrmiques en sistemes d’energia. També, deixa entreveure que es pot necessitar un plantejament per fases per donar suport a l'actual transformació del sistema d'energia.

Paradoxa 2: utilitzar les VRE i l'emmagatzematge per a reserves d’explotació significa costos d’explotació i reducció més baixos, però redueix els ingressos

La retallada de l’energia renovable i emmagatzemada s’ha vist cada vegada més com una font potencial de reserves d’explotació o la capacitat disponible per a l’operador del sistema en un curt període de temps per satisfer la demanda durant incidències a la xarxa.

Tal com es modelitza a l’estudi, els escenaris simulats d’alta penetració fotovoltaica en què els recursos d’emmagatzematge no poden proporcionar reserves operatives, produeixen augments de la reducció i per tant, dels costos operatius, cosa que apunta al valor global de permetre que aquests recursos proporcionin reserves operatives.

Tot i això, aquest valor no es tradueix necessàriament en un augment dels ingressos en un entorn de mercat majorista, que representa el segon aspecte de la paradoxa.

Permetre que les VRE i l'emmagatzematge proporcionin reserves d'explotació significa que han de ser a  baixos preus, cosa que redueix els incentius per a les PV per proporcionar reserves d'explotació amb retall de la seva capacitat de generar energia. Aquest aspecte de la paradoxa, revela la importància d'un alineament adequat del valor i la compensació del sistema de la xarxa.

L’emmagatzematge construït per a serveis de capacitat i de canvi d’energia sovint té a la capacitat de reserva per a reserves, especialment durant els períodes d'excessiva generació. Com que l’emmagatzematge té un cost gairebé nul, es tradueix en preus de reserva d’explotació més baixos, especialment durant la reducció de la generació de les  PV. Permetre que l’emmagatzematge proporcioni reserves d’explotació també redueix la quantitat i les hores de retall, cosa que limita els temps en què les PV podrien generar per sota de la seva capacitat per proporcionar reserves d’explotació.

Al afegir les VRE a sobre de l’emmagatzematge,  els preus encara disminueixen més. En general, hi ha pocs incentius perquè les PV aportin energies a les reserves operatives. No es pot compensar la reducció dels ingressos per majors nivells de reducció i la disminució dels preus de l'energia amb nivells elevats de VRE.

S'ha trobat que les PV proporciona un valor al sistema sense suficients oportunitats per a una compensació monetària. És possible que els dissenyadors de mercats hagin de revisar les normes d'elegibilitat de les reserves operatives i les estructures de compensació a mesura que augmentin les penetracions de les PV.

Següents passes

En general, l’estudi posa de manifest la naturalesa molt matisada de la flexibilitat i el seu paper en la paradoxa de la reducció de la capacitat solar i indica que l’emmagatzematge i els generadors tèrmics són motors importants per les necessitats de flexibilitat d’un sistema amb alts nivells de penetració solar.

Es podria explorar altres factors de sensibilitat amb nivells de penetració d’emmagatzematge addicionals i diverses configuracions del sistema. A més, una anàlisi total de cost-benefici de les actualitzacions de flexibilitat del generador tèrmic podria avaluar la competitivitat del cost global amb l’emmagatzematge i altres opcions de flexibilitat a mesura que els sistemes d’energia evolucionen cap a una major penetració de VRE.

Font: Laboratori Nacional d’Energies Renovables (NREL).

Centralitzar l'emmagatzematge en les xarxes de distribució pels clients residencials.

Els recursos energètics tenen un paper vital en el desenvolupament de la civilització humana. El consum d'energia s'utilitza com a índex de desenvolupament. No obstant això, els recursos energètics convencionals s’esgoten ràpidament i no es poden reposar fàcilment, cosa que podria provocar una indisponiblitat per a les generacions futures. 

Es pot observar que el procés de producció d’electricitat mitjançant els combustibles fòssils produeix emissions nocives que causen contaminació ambiental. A més, les centrals tèrmiques requereixen quantitats significatives de combustible per produir una quantitat d’electricitat respectivament menor, cosa que provoca un malbaratament de combustible. A més, els costos d’explotació i manteniment de la planta tèrmica també són més elevats que altres plantes convencionals. En canvi, les centrals hidroelèctriques emeten menys gasos d’efecte hivernacle, però requereixen una gran inversió en infraestructures i preses. Una altra opció, és l'ús de les fonts d'energia nuclear com a substitut de combustibles fòssils, ja que alliberen grans quantitats d'energia. No obstant això, s'està davant d'un repte pel que fa al tractament dels residus nuclears. Si no es tracten adequadament, aquests residus poden provocar danys irreparables als éssers vius i al medi ambient. Les fonts renovables, per exemple, la hidràulica, l'eòlica, la biomassa, la mareomotriu i la solar, són accessibles a un nivell de contaminació zero. Les fonts d’energia renovables (RES) ofereixen solucions als diferents reptes de l’ús de fonts convencionals establint sistemes energètics fiables i rendibles. Per entendre l’efecte de l’augment de les RES a la xarxa existent, cal entendre la naturalesa de la generació d’electricitat tant a partir de les convencionals, com de les RES.

Les xarxes intel·ligents, són una forma eficient d’integrar els dispositius de la tecnologia de comunicacions intel·ligents, emmagatzematge i xarxes intel·ligents a l’estació de generació i a la xarxa de distribució, tal com es mostra a la figura 1. És una opció que proporciona una plataforma per als operadors de sistemes, proveïdors de serveis i els consumidors què interactuen entre ells i s’anomena mercat de l’energia. El concepte d'un mercat energètic centralitzat dóna suport als prosumidors (consumidors que es converteixen en productors) a participar en el mercat energètic. Això es pot aconseguir compartint la quantitat d'excedent d'energia produïda de la xarxa. No obstant això, en l’actual estructura de xarxes intel·ligents, el cost per unitat de l’energia de les RES, a part de l’energia hidràulica i eòlica, és moderadament superior a les fonts convencionals. En el futur, les innovacions tecnològiques i les economies d’escala reduiran el cost de la generació. Les xarxes intel·ligents, són una solució per mitigar els reptes convencionals d’energia, però encara s’enfronta a alguns obstacles. La integració de les RES i la coordinació corresponent són un problema difícil per a una xarxa centralitzada intel·ligent a causa de la naturalesa intermitent de les renovables. 

Un altre repte, de l'energia solar, és que si els consumidors no tenen panells fotovoltaics, no es poden beneficiar d'aquest sistema energètic. A més, actualment, els prosumidors no participen en el mercats d’equilibri, ja que no hi ha cap facilitat per vendre l’excedent d’energia directament a la comunitat local entre els prosumidors. Per tant, el preu no reflecteix la disponibilitat d’energies renovables al mercat majorista centralitzat. 

Les micro-xarxes residencials, són una solució als reptes anteriors. Una micro-xarxa, consisteix en el subministrament a la xarxa de: PV, càrrega controlable, emmagatzematge distribuït i centralitzat.

La programació del consum d'electricitat per la càrrega variable i no variable, la reducció de l'electricitat per preu unitari i l'increment en la utilització dels recursos energètics distribuïts són l'objectiu principal d'aquesta xarxa. A més, la coordinació entre usuaris de la comunitat intel·ligent, pot convertir-se en una nova línia de recerca a les xarxes residencials. També és interessant el concepte de compartir energia entre més de dos usuaris, que forma part de l’economia de la comunitat intel·ligent. A la xarxa residencial, els sistemes d’emmagatzematge d’energia (ESS) són una solució pràctica per mitigar les fluctuacions d’energia en la generació d’energia i la millora de la fiabilitat. A més, el sistema d’emmagatzematge d’energia distribuïda (DESS) és un tipus d’emmagatzematge d’energia comú que s’utilitza a les micro-xarxes residencials. Cada usuari desplega el seu propi emmagatzematge amb un sistema fotovoltaic (PV). No obstant això, la naturalesa del consum elèctric dels consumidors és  arbitrari. Per tant, l’emmagatzematge de capacitat fixa no s’adapta al patró de consum dels consumidors. A més, no admet l’ús de la generació de PV excedent a causa de les limitacions d’espai i el costós del procés d’instal·lació, que paga totalment l’usuari, de manera que no resulta econòmicament atractiu. Per tant, el disseny descentralitzat de les DESS augmenta les dificultats en la comunicació entre els usuaris i els operadors del sistema. A més, a mesura que augmenta el nombre de DES, el sistema tindrà més dificultats operatives en la presa de decisions i en la coordinació entre usuaris.

Per aquest motiu, és essencial proporcionar una solució alternativa als problemes integrant les restriccions associades als costos i avantatges de la inversió per als consumidors / prosumidors residencials per donar suport al comercialitzador. Un nou concepte anomenat sistema centralitzat d’emmagatzematge d’energia (CESS), que es controla de manera centralitzada per satisfer els requisits del consumidor o prosumidor individual mentre s’utilitza eficaçment la limitada capacitat de DESS.

Per als prosumidors, és motivador participar en el mercat energètic local i interactuar entre ells. Aquí, el CESS es pot comunicar directament amb el mercat elèctric local. Per tant, l’arquitectura general dels futurs sistemes d’energia és la que es mostra a la figura 2. La principal diferència entre la figura 1 i la figura 2 és que en la figura 1, no hi ha emmagatzematge centralitzat a la comunitat residencial local i el consumidor, els prosumidors i la xarxa elèctrica no interactuen entre ells. Hi ha tres seccions principals per al CESS: (1) Usuaris, (2) Operador comunitari d’emmagatzematge d’energia i (3) Utilitats fotovoltaics o prosumidors. La principal condició d’aquesta arquitectura és que els prosumidors no tinguin instal·lat cap emmagatzematge local. 

Els usuaris es subscriuen al servei prestat per l'operador CES, el que significa que els usuaris prenen un espai especificat d'emmagatzematge centralitzat segons la seva demanda i paguen una tarifa de servei a l'operador. Una altra característica d’aquest sistema és que el consumidor te disposicions per compartir el seu espai llogat amb altres usuaris per augmentar els seus beneficis econòmics. No obstant això, l'estructura actual també pot afrontar alguns reptes, ja que la taxa inicial de cost d'inversió és molt elevada.

Font: IEEE Smart Grids

Smart grids més intel·ligents gràcies al 5G.

La indústria energètica és un recurs inevitable de la nostra societat. El consum d’energia primària mundial va créixer un 45% durant els darrers 20 anys i s’espera que creixi un 39% durant els propers 20 anys. Hi ha una forta correlació entre el consum d’energia i el benestar econòmic de l’economia mundial que es tradueix cap a perspectives empresarials significatives. 

En una xarxa tradicional, per fer coincidir la demanda dinàmica elèctrica, es necessiten més xarxes elèctriques interconnectades al transport, subestacions, transformadors i tots els components més essencials. La xarxa elèctrica subministra electricitat dels productors als consumidors. Per fer que la xarxa tradicional heretada sigui intel·ligent, es necessita:

Comunicacions bidireccional: Per fer més ràpid el temps de reacció;

Sistemes equipats digitalment: Per fer el procés més eficient, cosa que fa que la xarxa sigui intel·ligent. 

Els requisits previs de la comunicació bidireccional són l’amplada de banda de la transmissió de dades, la latència, la disponibilitat, la fiabilitat, la densitat o l’escalabilitat de la connexió, la cobertura. Aquestes entitats de comunicació són essencials per una moderna xarxa intel·ligent, on el flux i la generació d'energia provenen de diverses fonts, on els paràmetres operatius dels dispositius de camp es poden mesurar, controlar, determinar, ajustar i controlar automàticament i remotament. També, hi han nombrosos nodes dispersos presents a la xarxa intel·ligent on flueix una enorme quantitat de dades i informació. Per tant, per supervisar aquests actius, generalment s’utilitzen les xarxes per cable com  és la comunicació de fibra òptica, PLC de banda ampla o tècniques de comunicació sense fils com són: 2G (GSM), 3G (WCDMA), 4G (LTE).

Què és el 5G:

El 5G, és una xarxa cel·lular de 5ª generació que permet a la societat, les empreses i les persones en la nova era de la connectivitat,  nous casos d’ús per a qualsevol indústria. Si es mira enrere, la indústria de les comunicacions sense fils venen de diverses generacions sense fils: 1G per a trucades de veu i propòsits analògics, 2G per a trucades de veu i SMS per a mòbils, 3G per a navegació web per a mòbils, HSPA + (3.5G) per a una millor experiència , 4G Mobile per a experiència de vídeo i major rendiment de dades, LTE-A (4,5G) per a més capacitat. Com qualsevol xarxa de comunicacions, el 5G també es divideix en la part de ràdio, transport i xarxa principal. La xarxa d’accés a la ràdio 5G s’anomena NR (nova ràdio) on es connecta l’equip d’usuari, mentre que l’antena es pot instal·lar en una ubicació física factible per a la propagació d’ones de ràdio. El Core Network  o NGCN (xarxa de nova generació),  és la part central. La xarxa de transport connecta la xarxa d'accés radio i la xarxa Core. Diferents organitzacions d'estàndards com són: METIS, 3GPP, NGMN, IMT-2020 defineixen els valors obtims de rendiment del 5G en termes de latència (<1ms), trànsit de dades, velocitat de dades màxima (20 Gbps-DL, 10Gbps-UL), màxima eficiència espectral (30bps / HZ DL, 15bps / HZ UL), densitat de connexió (1 milió de connexions / km2) i mobilitat (500 kmph). El 5G té diversos avantatges respecte a altres tecnologies, que inclouen la velocitat, capacitat, nombre de dispositius, capacitat de processament per al edge computing, eficiència energètica i una millor virtualització mitjançant el tall de xarxa. Hi ha dues opcions per al desplegament de la xarxa 5G. El primer utilitza la actual xarxa 4G (LTE)  per al funcionament del pla de control i la xarxa 5G per al pla d’usuari, que s’anomena 5G NSA (accés no independent), i l’altra opció és una xarxa 5G dedicada per al control i el pla d’usuari connectats a la nova generació 5G Core que és el 5G SA (autònom).

Rol bàsic de la comunicació 5G  per les  smart grids

La indústria energètica ja impulsa la innovació per a les xarxes intel·ligents, però el veritable repte és el desplegament d’una xarxa de comunicació, segura i flexible on el sistema de gestió de l’energia aprofiti els sensors, els nodes d’accés, els actuadors i els subsistemes. La xarxa de comunicació no només ajuda a controlar els actius de les smart grids (SG), sinó que també amplia la participació de nous serveis flexibles. Si es considera la gestió del cicle de vida de la xarxa elèctrica, aquest comprèn la generació, transport, transformació, distribució i el consum d’energia. El 5G millora la connectivitat  amb els comptadors intel·ligents, el desplegament de la xarxa distribuïda gràcies al guany de cobertura de l’última milla a més, ofereix  suport pels sistemes de self-healing  per millora la qualitat de servei. L'automatització intel·ligent distribuïda, el control de càrrega, la protecció del sistema d'energia, la gestió de la informació per a la distribució de baixa tensió, els senyals de resposta a la demanda des dels centres dels DSO fins als comptadors intel·ligents són les aplicacions que requereixen un ample de banda diferent, una latència diferent i, una elevada densitat de connexió a la xarxa de comunicacions de les  xarxes intel·ligents. El 5G, compleix aquests requisits per a diferents comunicacions en una sola xarxa física. El backhaul d'accés integrat al 5G, també pot ajudar a reduir els costos substituint la fibra òptica.

El manteniment predictiu dels diferents components de la xarxa elèctrica, com podrien ser els aïlladors elèctrics, les línies de transport al llarg de xarxes elèctriques, emmagatzematges de GNL/GAS o el restabliments de servei proactiu en les situacions d’emergència, i la videovigilància en temps real són una important aplicació del 5G a les operacions de les  SG. A més, un dels majors avantatges que pot oferir el 5G, és la fiabilitat que està en el 99,9999%. Per a les comunicacions M2M, en concret per al desplegament de la telegestió, una sensata solució és el plug-play, que redueix el cost operatiu. La informàtica perifèrica i les funcions de xarxa virtual que fan servir el 5G fan que aquest sistema de comunicació sigui fàcilment escalable en termes d’autoconfiguració. Per a l’emmagatzematge distribuït d’energia i la gestió de recursos,  es converteix en la solució ideal i el 5G ho fa realment fàcil. 

Arquitectura de comunicació de xarxes intel·ligents:

Conceptualment, per a l’arquitectura de xarxes intel·ligents, hi ha tres blocs bàsics: a) Capa d’energia b) Capa de comunicació , i c) Capa de funció de xarxa virtual i capa d’aplicació . Aquestes capes es poden comunicar entre si mitjançant l'API oberta (interfície de programació d'aplicacions)

Distribució de xarxes 5G

Si un DSO utilitza la seva xarxa intel·ligent amb finalitats polivalents amb requisits diferents que permetin nous serveis pels clients mitjançant els seus comercialitzadors, pot esdevenir com una  nova oportunitat comercial. Per exemple es podria llogar la  xarxa a una altra organització energètica en funció de la zona geogràfica. Això serà factible gràcies a les funcions bàsiques del 5G, per tant, 5G Network Slicing. Network Slicing és un nou concepte que permet transformar un conjunt de xarxes lògiques a sobre d’una infraestructura física comuna compartida. Cada xarxa lògica pot complir diferents requisits de  diferents casos d'ús tenint en compte tots els recursos de la xarxa. Es pot utilitzar per a la personalització de funcions de xarxa, la virtualització, la gestió independent, l'orquestració dinàmica. Per tant,  permet als operadors energètics maximitzar el retorn de la inversió mitjançant una eficient utilització dels recursos de la xarxa. Dins del concepte de segmentació de xarxa, l’orquestració permet un subministrament de serveis ràpids amb diferents funcions de xarxa mitjançant la incorporació d’automatitzacions, que redefineix la personalització i la flexibilitat.

Per tant,  la xarxa 5G s’adapta exactament als casos d’ús de les  smart grids. En definitiva,  és la forma més econòmica d’aconseguir l’escalabilitat del servei, que es pot resumir de la següent manera. 

Distribució de xarxes = capa funcional dedicada + recursos físics compartits = benefici econòmic exponencial + retorn ràpid de la inversió (ROI) + escalabilitat del servei.

Xarxa 5G aplicat a les smart grids

Hi ha diversos casos d’ús ja provats i desplegats en col·laboració amb diferents organitzacions energètiques, proveïdors de serveis de comunicació i consorcis estandarditzats 5G a tot el món. Aquests són alguns exemples de casos d’ús:

Self-healing totalment descentralitzat basat en la comunicació de dispositiu a dispositiu. Desplegament de la gran quantitat de comptadors intel·ligents mitjançant el model  Plug-n-play i els serveis energètics intel·ligents basats en la supervisió basada en VNF (Virtual Network Function).

5G Network Slicing és una solució sense fils econòmica i eficient en comparació amb un sistema de comunicació tradicional basat en fibra. Una solució integrada de backhaul és una solució eficient per a la millora d’OPEX.

5G Network Slicing podria tenir un paper important en la identificació de la ubicació d'avareis elèctriques i l’aïllament de la falla mitjançant l’automatització intel·ligent dels feeders distribuïts.

Adquisició d'informació del sistema de distribució de baixa tensió en temps real o quasi-real.

Els mètodes de videovigilància basats en drons ajuden al manteniment predictiu aeri de la infraestructura de serveis públics i la definició de serveis analítics al centre de control de serveis públics i a entitats de computació de vora mòbil (XMEC) esteses.

Precís control de càrrega a nivell de mil·lisegons,  operació i manteniment automàtic a la xarxa elèctrica.

Gestió de l'eficiència energètica i l'estratègia de preus de l'energia basada en una oferta dinàmica de la demanda.

Les solucions AR (realitat augmentada) / VR (realitat virtual) / MR (realitat mixta) ajuden als treballadors de camp de la indústria de les xarxes elèctriques. Si qualsevol tècnic necessita ajuda per resoldre un problema tècnic sobre el terreny, es pot aprofitar el suport remot el qual, redueix el temps de la falla elèctrica.  

La xarxa autònoma 5G per al desplegament de la xarxa, és l'opció òptima perquè proporciona una latència molt bona respecte a l'opció no autònoma del 5G. Aquest model ajuda a l'eficient  comunicació bidireccional de les grans quantitats de dades que cal gestionar entre la interfície North Bound Power Grid i les xarxes dels consumidors o "Prosumers" 

Reducció de la petjada de carboni

L’energia elèctrica necessària per alimentar les xarxes de comunicació heretades, mostren les despeses generals de l’emissió de carboni, però a causa del disseny de planificació del 5G, hi ha una reducció en consum d'energia per tant,  permet reduir les emissions de carboni i així fer una societat sostenible.

Font: IEEE Smart Grids

La energia del sol, podria resoldre la crisi mundial del consum d'aigua neta.

Investigadors d'UniSA han desenvolupat una tècnica rendible que podria subministrar aigua potable a milions de persones vulnerables mitjançant materials sostenibles i llum solar.

Menys del 3 % de l’aigua mundial és dolça i, a causa de les pressions del canvi climàtic, la contaminació i els patrons canviants de la població, en moltes zones aquest recurs, ja és escàs i cada cop ho és més.

Actualment, 1.422 milions de persones, inclosos 450 milions de nens, viuen en zones amb una elevada o extremada alta vulnerabilitat com a conseqüència  de l'escassetat de l’aigua, i s’espera que creixi en les properes dècades.

Els investigadors de l’Institut d’Indústries Futures d’UniSA han desenvolupat un nou prometedor procés  que podria eliminar l’estrès hídric per a milions de persones, incloses aquelles que viuen en moltes de les comunitats més vulnerables i desfavorides del planeta.

Un equip dirigit pel professor associat Haolan Xu ha refinat una tècnica per derivar aigua dolça a partir d’aigua de mar, aigua salobre o aigua contaminada, mitjançant una evaporació solar altament eficient, que proporciona suficient aigua potable diària  per a una família de quatre persones en una font de solament 1 metre quadrat d’aigua.

En els darrers anys, hi ha hagut molta atenció sobre l'ús de l'evaporació solar per crear aigua potable fresca, però les tècniques anteriors han estat massa ineficients per ser pràcticament útils. S'han superat aquestes ineficiències i ara, aquesta tecnologia pot subministrar prou aigua dolça per donar suport a moltes necessitats pràctiques en una part del cost de les tecnologies existents, com és l'osmosi inversa.

Al centre del sistema hi ha una estructura fototèrmica d’alta eficiència que s’assenta a la superfície d’una font d’aigua i converteix la llum solar en calor, enfocant l’ energia precisament a la superfície per evaporar ràpidament la part més alta del líquid.

Mentre que altres investigadors han explorat tecnologies similars, els treballs anteriors han estat obstaculitzats per la pèrdua d’energia, ja que la calor passa a l’aigua de la font i es dissipa a l’aire superior.

Anteriorment, molts dels evaporadors fototèrmics experimentals eren bàsicament bidimensionals; només eren una superfície plana i podien perdre del 10 al 20 % d'energia solar per l'aigua a granel i el medi ambient circumdant.

S'ha desenvolupat una tècnica que no només evita cap pèrdua d'energia solar, sinó que realment extreu energia addicional de l'aigua i del medi ambient circumdant, cosa que significa que el sistema funciona amb una eficiència del 100 % per a l'entrada solar.

En contrast amb les estructures bidimensionals utilitzades per altres investigadors, s'ha desenvolupat un evaporador tridimensional, semblant a un dissipador de calor.

El seu disseny, allunya l’excés de calor de les superfícies superiors de l’evaporador (és a dir, la superfície d’evaporació solar), distribuint calor a la superfície per a l’evaporació de l’aigua, refredant així la superfície superior de l’evaporació i realitzant pèrdues d’energia durant l’evaporació solar.

Aquesta tècnica de dissipador de calor significa que totes les superfícies de l’evaporador es mantenen a una temperatura inferior a la de l’aigua i l’aire circumdants, de manera que l’energia addicional flueix des de l’entorn extern d’energia superior cap a l’evaporador d’energia inferior.

És el primer cas en extreure energia de l'aigua durant l'evaporació solar i a utilitzar-la, cosa que ha ajudat el procés a ser prou eficient per subministrar entre 10 i 20 litres d'aigua dolça per metre quadrat i dia. 

A més de la seva eficiència, la funcionalitat del sistema es veu reforçada pel fet que està construït completament a partir de materials senzills i quotidians de baix cost, sostenibles i fàcils d’obtenir. Un dels principals objectius de la investigació era oferir-lo per a aplicacions pràctiques.

L'única excepció són els materials fototèrmics, però fins i tot allà  s'utilitzava un procés molt senzill i rendible, i els avenços reals que s'han fet són el disseny del sistema i l'optimització del nexe energètic, no els materials.

A més de ser fàcil de construir i de desplegar, el sistema també és molt fàcil de mantenir, ja que el disseny de l’estructura fototèrmica evita que s’acumulin sals i altres contaminants a la superfície de l’evaporador.

En conjunt, el baix cost i el fàcil manteniment fan que el sistema , es pugui desplegar en situacions en què altres sistemes de dessalinització i purificació serien inviables financerament i operacionalment.

Per exemple, en remotes comunitats amb poblacions reduïdes, el cost de la infraestructura dels sistemes com l'osmosi inversa és simplement massa gran per justificar-ho però aquesta tècnica podria proporcionar una alterativa de cost molt més baix que seria fàcil de aplicar.

A més, com que és tan senzill i no requereix pràcticament cap manteniment, no cal de cap especialització tècnica per mantenir-lo en funcionament per tant,  els costos de manteniment són mínims. Realment, aquesta tecnologia té el potencial de proporcionar una solució d'aigua neta a llarg termini a persones i comunitats que no es poden permetre's altres opcions. Aquests són els llocs on més es necessiten aquestes solucions.

A més de les aplicacions d’aigua potable, també, s'està explorant una sèrie d’altres usos de la tecnologia, incloent el tractament d’aigües residuals en operacions industrials.

Hi ha moltes potencials maneres d'adaptar la mateixa tecnologia, de manera que realment s'està al començament.

Font: Institut d’Indústries Futures