Flexibilitat de la demanda.

La transició a les fonts d'energia sostenibles com serien l'eòlica i la solar conjuntament  amb el vehicles elèctrics i les bombes de calor, estan fent una pressió creixent a les xarxes de distribució elèctriques.

Per evitar congestions i reforç de la xarxa el qual, és car i requereix  de temps, els reguladors busquen noves maneres flexibles per controlar la demanda.

La transició energètica  requereix de les fonts sostenibles com serien els aerogeneradors i les plaques solars que  dia a dia es van connectant a les xarxes de distribució. Simultàniament, la introducció dels vehicles elèctrics i les bombes de calor, suposen una càrrega extra a les xarxes de distribució.

Tradicionalment, les xarxes de distribució  van ser dissenyades en funció de la càrrega màxima esperada, per evitar sobrecàrregues o congestió. Alternativament, els operadors dels sistemes de distribució (DSO) podrien utilitzar la flexibilitat de la demanda per evitar reforços costosos

Si s'analitza i proven diversos mecanismes (per exemple, esquemes basats en preus, canvis de tarifes, mercats de flexibilitat) per controlar la demanda dels clients, demostraria que la flexibilitat de la demanda pot resoldre problemes de congestió de forma totalment o parcial.

No obstant això, integrar els diferents aspectes i dotar als distribuïdors de les eines necessàries per utilitzar la flexibilitat per a la gestió de la congestió, cal una investigació més amplia. 

Per fer possible la flexibilitat, cal implementar:

1.- Adquisició de dades,

2.- Previsió de la càrrega,

3.- Presa de decisions

4.- Mecanismes de flexibilitat.

Aquests quatre passos requereixen de la previsió de la demanda conjuntament amb un algorisme de presa de decisions que considera el cost de la vida útil  que impacta en un estrès  provocat per les sobreccàrregues. Per tant, un distribuïdor podria decidir si compra flexibilitat o accepta una sobrecàrrega. Un cop el distribuïdor ha obtingut flexibilitat que li hauria ofert el mercat, aquesta flexibilitat necessita d'una compensació econòmica. 

Font: Universitat de Tecnologia d'Eindhoven

Energia solar tèrmica.

El subministrament  d'energia solar arreu del Món està creixent ràpidament. Avui,  gairebé te 10 vegades més la capacitat solar instal·lada  que hi havia fa una dècada. Al capdavant d'aquest boom hi ha els panells fotovoltaics (PV), que converteix la llum solar en electricitat mitjançant semiconductors.

Però tot i que les plaques elèctriques PV van guanyant presencia gràcies a que cada cop són més competitives,  la tecnologia fotovoltaica solar per si sola, no pot resoldre  què fer quan no hi ha Sol.  A mesura que es cerquen solucions per emmagatzemar i distribuir energia sota demanda, l'energia solar tèrmica (CSP) és una opció a tenir en compte.

Els sistemes solars tèrmics utilitzen miralls de seguiment per reflectir la llum solar en un receptor, que conté un fluid a alta temperatura el qual, emmagatzema calor. Aquesta calor, pot fer girar turbines les quals, estan connectades en un circuit tancat i així  generar electricitat durant tot el dia, o també, l'energia solar tèrmica pot proporcionar calor directament als processos industrials o altres sectors  industrials que consumeixen energia. Això és vàlid  per qualsevol política d'un país que adopti mesures per frenar les emissions de gasos d'efecte hivernacle.

Les primeres plantes solars tèrmiques que van ser dissenyades per les empreses de generació elèctrica, van ser construïdes a la dècada del 1980. Avui, prop hi han 120 projectes que funcionen a tot el món.  Espanya, reclama més d'un terç de la capacitat total instal·lada. En els darrers anys, però, el desenvolupament d'aquesta tecnologia solar es va aturar provocat per la sobtada caiguda del cost de la fotovoltaica solar. 

Les tèrmiques solars, requereixen d'una forta inversió inicial. A diferència de la fotovoltaica solar, els miralls, els intercanviadors de calor i altres components clau encara no són competitius en preu, cosa que acaba endarrerint al desenvolupament dels projectes. Tot i així, els projectes solars tèrmics continuen desenvolupant-se a les superfícies més assolellades del planeta, impulsats per la creixent demanda d'energia procedents de les fonts més netes. 

Ramon Gallart

Molècules i electrons

Els governs i les empreses arreu del món cada cop fan més inversions en investigació i desenvolupament per obtenir hidrogen, cosa que indica un creixent reconeixement que aquest podria jugar un paper important en l’assoliment dels objectius globals de descarbonització del sistema energètic. 

Sovint, l'hidrogen ha estat considerat una opció en el context de l’emmagatzematge d’energia, pel què ha generat un interès a causa de les expectatives perquè la futura xarxa elèctrica estigui dominada per fonts variables d’energia renovable (VRE) com són l’eòlica i la solar, així com la reducció dels costos per fabricar als electrolitzadors d’aigua, que podrien fer que l’hidrogen fos net i “verd” i així, esdevenir més competitiu respecte la producció basada en combustibles fòssils. Però la versatilitat de l’hidrogen com a combustible d’energia neta, també el converteix en una opció atractiva per satisfer la demanda d’energia i obrir altres vies de descarbonització.

S'han vist molts avenços i s'han fet molts anàlisis al voltant de les vies per descarbonitzar l'electricitat, però potser no serà possible per electrificar tots els usos finals. Això vol dir que només descarbonitzar el subministrament d'electricitat no és suficient per tant, també cal desenvolupar altres estratègies de descarbonització. L'hidrogen, és un portador d'energia interessant per explorar, però per entendre el paper de l'hidrogen cal  estudiar les interaccions entre el sistema elèctric i una futura cadena de subministrament d'hidrogen.

S'han fet sistemàticament diferents estudis sobre el paper i l’impacte de les vies tecnològiques basades en l’hidrogen per un futur sistema d’energia integrat i baix en carboni, tenint en compte les interaccions amb la xarxa elèctrica, l’espai-temporal i les variacions de la demanda energètica. El marc desenvolupat co-optimitza la inversió en infraestructures i el funcionament de tota la cadena de subministrament d’electricitat i l'hidrogen considerant diferents escenaris de preus de les emissions.

Modelització transversal

Cal un marc intersectorial per analitzar l'economia i el paper de cada vector energètic en diversos sistemes si realment es volen conèixer els costos / beneficis de l'electrificació directa o altres estratègies de descarbonització.

El model el Decision Optimization of Low-carbon Power-HYdrogen Network (DOLPHYN), permet a l’usuari estudiar el paper de l’hidrogen en els sistemes d’energia baixos en carboni, els efectes de l’acoblament dels sectors de l’energia i l’hidrogen i les compensacions entre diverses opcions tecnològiques de les dues cadenes de subministrament, l'ús final i el seu impacte en els objectius de descarbonització.

Es manifesta un gran interès per part de la indústria i els governs, en saber on invertir els seus diners i com prioritzar les seves estratègies de descarbonització. Ser capaç d'avaluar les interaccions a nivell de sistema elèctric amb l'economia emergent de l'hidrogen, esdevé de gran importància per impulsar el desenvolupament de la tecnologia i així, donar suport a les decisions estratègiques.

Per a un conjunt  d’escenaris de demanda d’electricitat i hidrogen predefinits, el model determina la combinació tecnològica de menor cost entre els sectors de l’energia i de l’hidrogen, tot i que s’adhereix a una sèrie de restriccions de funcionament i polítiques. El model pot incorporar una gamma d’opcions tecnològiques, des de la generació de VRE fins a la captura i emmagatzematge de carboni (CCS) que s’utilitzen amb la generació  i el hidrogen fins a camions i oleoductes utilitzats per al transport d’hidrogen. Amb una estructura flexible, el model es pot adaptar fàcilment per representar les opcions tecnològiques emergents i avaluar el seu valor a llarg termini per al sistema energètic.

El model té en compte les emissions de carboni a nivell de procés, ja que permet a l’usuari afegir una penalització de cost per les emissions en ambdós sectors. Si es te un  limitat pressupost d'emissions, es podria explorar la qüestió d'on prioritzar les limitacions d'emissions per obtenir el millor impcte en termes de descarbonització.

Font:  Massachusetts Institute of Technology

Energia fotovoltaica integrada.

Un nou model ha demostrat que els edificis de la ciutat de Melbourne podrien proporcionar el 74% de les seves pròpies necessitats d'electricitat si la tecnologia solar s'integra plenament als sostres, parets i finestres.

El model fruit d'una recerca dirigida per membres del Centre d'Excel·lència en Ciència de l'Exciton de l'ARC amb seu a la Universitat de Monash, juntament amb col·laboradors de la Universitat de Lisboa, és la primera d'aquest tipus a tot el món que modela la viabilitat. i l'impacte de la fotovoltaica integrada en finestres, juntament amb altres tecnologies solars.  

Els resultats indiquen que l'adopció integral de la tecnologia fotovoltaica existent només a les cobertes a tota la ciutat podria transformar radicalment la petjada de carboni de Melbourne, reduint significativament la seva dependència de l'electricitat de la xarxa generada per la combustió de combustibles fòssils.

Es podrien obtenir més guanys mitjançant el desplegament generalitzat de les finestres solars altament eficients i la tecnologia fotovoltaica integrada a les façanes dels edificis.

S'espera que utilitzant el model desenvolupat, els responsables polítics, els proveïdors d'energia, les empreses constructores i els propietaris d'edificis, es pugui optimitzar el potencial fotovoltaic de les estructures noves i existents.

S'ha comparat el consum d'electricitat de Melbourne de l'any 2018 amb la producció d'electricitat que es podria aconseguir mitjançant l'energia solar integrada en l'edifici. Les dades de consum del CBD de Melbourne es van obtenir de les empreses de distribució de Jemena, CitiPower i Powercor i es va accedir a través de l'organisme de recerca independent de Victoria, el Centre de Noves Tecnologies Energètiques (C4NET). 

En el modelatge a escala de ciutat, es va trobar que la fotovoltaica podria proporcionar el 74% de les necessitats de consum dels edificis de Melbourne. L'energia solar de les cobertes constituiria el 88% d'aquest subministrament, amb la solar integrada a la paret i la solar integrada a les finestres proporcionant el 8% i el 4% respectivament.

Es va demostrar que la tecnologia solar integrada a les parets i finestres, pateix una reducció menor de l'eficiència durant els mesos d'hivern en comparació amb l'energia solar als teulats, proporcionant beneficis i valor durant tot l'any més consistents.

La potencial contribució  de l'energia solar integrada en les finestres, va augmentar fins al 18% a escala de barri, gràcies a les altes alçades dels edificis i les proporcions de les finestres a les parets.

Els investigadors van determinar la radiació solar anual a les superfícies dels edificis de Melbourne per identificar les àrees més adequades per a la instal·lació de les plaques fotovoltaiques, tenint en compte les limitacions tècniques i els factors de cost.

El detallat model, permet simular la radiació solar incident i el també, el potencial fotovoltaic de les zones urbanes. Cal tenir en compte una àmplia gamma de factors, inclòs l'impacte de les ombres projectades per les ombres, així com les característiques del rendiment de les diferents tecnologies solars .

Entre altres tècniques, es van realitzar diferents anàlisis de correlació i regressió lineal per identificar la interdependència entre els indicadors de forma urbana i el potencial de les PV anual.

L'àrea total que apareix en l'estudi és el 37,4 km2, dels quals 35,1 km2 van ser construïts en el 2019, els quals són principalment edificis residencials i comercials.

Els resultats van mostrar que el potencial fotovoltaic d'aquesta àrea està impulsat principalment per la possibilitat d'afegir més solar al terrat.

Tot i que els blocs de pisos amb un alt potencial solar de sostres i parets es troben a tota la ciutat, els que tenen més potencial són el sistemes solars integrats en finestres els quals, es troben als centres urbans d'alta densitat de la ciutat.

En un futur proper, la penetració del mercat i el desplegament de finestres solars d'alta eficiència poden fer una substancial contribució a la mitigació de la petjada de carboni dels edificis de gran alçada.

Font:  Maria Panagiotidou et al, Prospects of photovoltaic rooftops, walls and windows at a city to building scale, Solar Energy (2021). DOI: 10.1016/j.solener.2021.10.060

L'edge-computing, solució per l'explotació de les xarxes elèctriques.

En un sistema elèctric que cada com està més distribuït i amb un constant creixement de sensors i els respectius dispositius distribuïts, va que l’electricitat esdevingui cada vegada com una producte/servei més crític per les necessitats de la societat. 

Cada dia hi ha més dependència de l'electricitat per tat una apagada, és cada vegada més molesta i podria ser el desencadenant d'un col·lapse de les infraestructures elèctriques que en el seu conjunt estan interconnectades.

Per això, cal innovació per fer possible una continuïtat del subministrament elèctric amb un cost inferior. En conseqüència, hi ha una creixent consciència que els recursos energètics i les tecnologies de la informació del edge-comptung, a la xarxa elèctrica poden jugar un paper cada vegada més important per mitigar els impactes sobre les certes zones i millorar la resiliència de la infraestructura d’energia elèctrica.

Detecció de la consciència de la situació

El Build Back Smarter és un mantra per a moltes indústries i països. Tot i que hi ha maneres de fer-ho, el compromís per els distribuïdors elèctrics (DSO)  amb una xarxa intel·ligent, és un repte no actualitzar les seves infraestructures de manera més intel·ligent per fer front a les necessitats que requereixen dona la complexitat e la gestió de les faltes elèctriques. 

Un cop s'ha produït una falta elèctrica cal una resposta adequada per la seva resolució de la forma més segura i breu possible. És aquí, quan  comença el procés de minimitzar la possibilitat de propagar la falla. Per exemple, per reduir el risc als  incendis forestals, la solució millor, és la construcció de xarxa elèctrica soterrada en comptes de línies aèries, un enfocament que fa dècades. Si be es cert que tradicionalment, no s'ha optat per les xarxes soterrades en entorns rurals,  ha estat el seu cost, no pas la tecnologia. A mesura que el el risc dels incendis forestals es van convertint en amenaces més crítiques, la enginyeria va treballar en desenvolupar un sistema localitzats en les capçaleres de les línies elèctriques amb la finalitat de detectar amb anticipació l'inici d'un incendi forestal.  Aquesta tecnologia, ha estat bona, però no ha estat suficient. Per això, hi han diversos projectes d'innovació per fer el desenvolupament del que és probablement el sensor en línia més intel·ligent amb la tecnologia més nova. Es poden instal·lar en qualsevol línia que pugi generar preocupació  i són prou assequibles perquè es puguin aplicar de manera redundant i així, garantir la fiabilitat. 

Control de flexibilitat

Els DSO, també inverteixen equipaments i en noves solucions per millorar la controlabilitat dels sistemes elèctrics. Els feeders de distribució ja poden respondre de manera proactiva a una falta elèctrica, configurant activament la topologia i la connectivitat de la xarxa i els seus recursos energètics què estiguin connectats en ella. Els clients residencials podran fer el mateix a les seves llars en coordinació amb els actors que tinguin relació amb els DSO.

Gràcies a reconfiguracions flexibles de la topologia del feeder mitjançant la coordinació dels dispositius de seccionalització distribuïts, esdevenen una tecnologia clau per el futur la xarxa elèctrica. Una de les lliçons apreses de l’apagada de Texas del 2021 va ser que el nivell de descàrrega  que cal demanar als operadors de transport (TSO)  no tenia precedents donada la necessitat de reduir un consum molt elevat. Per evitar que el DSO i TSO puguin gestionar congestions en les seves infraestructures cal una relació entre els operadors elèctrics i  clients particulars per donar suport a la xarxa i desviament del mercat elèctrica gràcies a les avançades tecnologies dels edificis intel·ligents i les llars intel·ligents ja què, no només permeten un funcionament estable i normal de la xarxa, com la regulació de freqüència / tensió, sinó que també poden potenciar certes funcionalitats per a situacions d’emergència. Si estan dissenyats per a oferir serveis d’emergència, poden desconnectar-se automàticament els usos no essencials elèctrics donada una restricció d’electricitat en àrees àmplies.

Avui, la distribució de les càrregues d'un DSO es d'acord a una capacitat determina amb un coeficient de simultaneïtat estimat per assegurar la qualitat de servei. Tanmateix, en base al camí cap  a la transició energètica requerirà assignar una flexibilitat als clients. 

Recursos i tecnologies emergents

El camí cap a la descarbonització exigeix ​​l’electrificació de múltiples sectors, el transport, la industria, l’agricultura i la producció d’aliments, entre d'altres. Possiblement, la infraestructura elèctrica podria acollir aquests requeriments d’electrificació com a recursos addicionals per a la planificació d’emergències. Però, els vehicles elèctrics podrien actuar com a emmagatzematge mòbil quan la xarxa elèctrica ho requereixi? Les bateries químiques distribuïdes i connectades a les xarxes dels DSO  podrien alimentar una petita comunitat utilitzant els recursos instal·lats?

Avui dia, tot i que el concepte funciona, els estudis  demostren que encara és una de les solucions més cares a més, l’electrificació del transport pot perjudicar aquest concepte.

Diverses investigacions i demostracions, han demostrat que els vehicles elèctrics i híbrids poden alimentar una llar o un negoci durant una interrupció. La situació ha madurat de manera que per exemple, s’anuncia un Ford F150 elèctric que podria proporcionar electricitat a una llar entre tres i deu dies, segons la els hàbits de consum i estat de càrrega de la bateria del Ford. Per tant, el transport electrificat mostra un camí cap a la resistència sense ser necessari invertir en plaques solars o bateries dedicades. Un repte intel·ligent, seria tenir aquesta flexibilitat perquè sigui alhora segura i beneficiosa per a l'estabilitat de la xarxa quan milions de persones tenen una capacitat reserva fàcilment accessible. No obstant això, caldrà treballar amb les formes de telecomunicar tots aquest dispositius.

Una possibilitat, pot estar en la millor connectivitat que permet la pròxima tecnologia sense fils 5G / 6G per potenciar encara més, la participació activa dels clients. És hora que les empreses elèctriques aprofitin aquestes oportunitats emergents per preparar els seus sistemes per al futur paradigma operatiu. 

Finalment, no es pot oblidar un sistema intel·ligent mitjançant l’hidrogen ja que una part important de la població mundial viu a ciutats sense accés directe a l'energia eòlica o solar. 

L’evolució cap a una xarxa més intel·ligent i resilient a costos més baixos sembla estar en el camí de ser possible tècnicament. El major risc és que lleis, regulacions i / o subvencions inadequades puguin limitar a la tecnologia del segle XXI.

Ramon Gallart

125 anys del descobriment del electró.

JJ Thomson va fer els seus experiments amb raigs catòdics per verificar l'existència d'aquests corpuscles subatòmics. Aquest model de l'àtom es va conèixer com el model de plum pudding, anomenat així per les populars postres angleses. En l'analogia de Thomson, els corpuscles carregats negativament eren com panses suspeses en un pastís carregat positivament, donant lloc a un àtom neutre. El model també es va conèixer com el model de Thomson, encara que el seu principal defensor va ser William Thomson (Lord Kelvin), no JJ Thomson, que només va avalar la idea.

JJ Thomson, durant una conferència a la Royal Institution de Londres, el 30 d'abril de 1897 va dir:

 "Els àtoms dels elements ordinaris estan formats per corpuscles i forats, els forats són els predominants" 

Els corpuscles i el pudding no són com pensem avui sobre l'estructura d'un àtom. Els corpuscles són electrons, i el model de plum pudding va donar pas al model nuclear d'Ernest Rutherford el 1911. No obstant això, JJ Thomson sovint és reconegut com el descobridor de l'electró basant-se en aquella conferència de fa 125 anys.

Gràcies, al tub de buit de Braun  inventat per Karl Ferdinand Braun  per estudiar els feixos d'electrons, JJ Thomson va utilitzar un instrument similar per fer els seus experiments.

Aquest fet fa entreveure que  aquestes dues històries paral·leles tenien  resultats comuns de fet, ambdós van guanyar un Premi Nobel de Física, però,  tenien poc en comú. 

Naixement de la teoria atòmica

A mesura que s'acabava el segle XIX, molts destacats pensadors creien que tots els grans descobriments de la ciència ja s'havien fet. L'electricitat s'estava domesticant i les teories de la termodinàmica s'unien per explicar el funcionament de les màquines de vapor. Els científics no sabien que la teoria atòmica estava a punt de capgirar la ciència i canviar la comprensió fonamental de la matèria. JJ Thomson va ser un actor clau per establir aquesta nova direcció en la física.

El 1876, Thomson havia rebut una beca per estudiar al Trinity College de la Universitat de Cambridge, i quatre anys més tard es va graduar en matemàtiques. El 1884, va ser nomenat professor Cavendish de Física Experimental i va començar el seu estudi de tota la vida sobre l'electromagnetisme. Gran part de la investigació de Thomson es va dedicar a entendre la naturalesa dels raigs catòdics. Ara es sap que aquests raigs són corrents d'electrons que surten del càtode (o elèctrode negatiu) d'un tub de buit. 

Però. què són els raigs catòdics?  Molts físics alemanys creien que els raigs catòdics visibles resultaven d'una interacció amb l'èter, una substància incolora i sense pes que estava per tot l'espai. L'èter forma part del que els historiadors anomenen la cosmovisió clàssica, una síntesi de la física del segle XIX que té les seves arrels a Aristòtil i Newton. Mentrestant, científics francesos i britànics començaven a argumentar que els raigs catòdics eren partícules subatòmiques electrificades. Això no encaixava perfectament amb la visió del món clàssica, que sostenia que tot estava compost d'àtoms immutables i indivisibles.

Els experiments de JJ Thomson es van basar en un tub de buit conegut com a tub de Crookes , en el qual es va observar i fotografiar diversos fenòmens, inclòs l'efecte d'una força magnètica sobre la descàrrega elèctrica a altes temperatures i pressió. També va comparar experiments sobre les càrregues transportades pels raigs catòdics tant dins com fora del tub.

La incursió de Thomson en els raigs catòdics va ser precedida per més de 200 anys de demostració i experimentació amb globus i tubs de baix buit. Els primers experimentadors com va ser Francis Hauksbee, simplement intentaven esbrinar què passava dins dels tubs i es van quedar hipnotitzats per les diferents llums de colors que podien produir. A la dècada de 1850, les coses es van posar més serioses, quan Julius Plücker, físic i matemàtic de la Universitat de Bonn, i el seu col·lega Heinrich Geissler (un bufador de vidre) van observar que la fosforescència verda del vidre d'un tub d'alt buit era magnètica. Quan van col·locar un imant a prop del càtode, la llum es va estendre en un patró similar a les llimades de ferro al voltant d'un imant.

En els anys previs a la conferència de Thomson, els tubs Geissler, els tubs Plücker, els tubs Hittorf i els tubs Crookes van omplir laboratoris i aules. Majoritàriament es van utilitzar per mostrar els efectes colorits de la descàrrega elèctrica dels raigs catòdics sobre diferents superfícies fosforescents, sense cap clara aplicació pràctica.

Aleshores Wilhelm Röntgen va notar alguna cosa diferent i inusual. Tot i que el tub de Crookes que feia servir estava tancat amb cartró negre, una pantalla fosforescent a través de l'habitació va començar a brillar. Això va fer que el 1895 anunciés que havia descobert els raigs X. El descobriment va iniciar una nova onada d'experiments amb raigs catòdics.

Un científic inspirat en el treball de Röntgen va ser Karl Ferdinand Braun. Braun havia rebut el seu doctorat de la Universitat de Berlín el 1872, estudiant les oscil·lacions de les cordes i les varetes elàstiques, i va passar els següents 20 anys en diferents llocs a les universitats de Marburg, Karlsruhe i Tübingen. En el moment del descobriment de Röntgen, Braun era director de l'Institut de Física d'Estrasburg. Segons l'historiador George Shiers,  Braun es diferenciava de molts entusiastes de Röntgen perquè estava més interessat en la font dels raigs X que en les aplicacions del radiació.

Braun va buscar un nou tipus d'instrument, un que pogués captar visualment els fenòmens oscil·latoris i transitoris dels circuits elèctrics. En definitiva, volia cartografiar el corrent altern, en el que resultaria ser un precursor de l'oscil·loscopi. Per això, va dir al seu fabricant d'instruments, Franz Müller, que modifiqués un tub de Crookes afegint-hi un diafragma restrictiu al mig. El diafragma va enfocar el feix prim de raigs catòdics. Un tros de mica recobert de fòsfor servia com a pantalla de visualització. Una bobina fora del tub va desviar el feix de raigs catòdics en angle recte amb el camp magnètic. Com que el feix va respondre gairebé immediatament als canvis de tensió o corrent, es podria utilitzar per rastrejar aquests patrons a la pantalla. Braun va publicar una descripció del seu tub, inclòs un diagrama, a Annalen der Physikel febrer de 1897, 10 setmanes abans de la conferència de Thomson.

L'estudiant de Plücker Johann Wilhelm Hittorf va demostrar que un objecte col·locat davant del càtode projectava una ombra a la paret oposada del tub. Els "raigs brillants" de Hittorf van iniciar una línia d'investigació sobre la direccionalitat, que Eugen Goldstein va recollir a la dècada de 1870, en experiments que van demostrar que els raigs catòdics es podien enfocar mitjançant un càtode còncau.

Semblava com si cada un fes petites modificacions als tubs. Després va venir William Crookes. Va dissenyar una àmplia gamma de tubs de buit per estudiar els raigs catòdics i va fer belles demostracions amb els seus tubs, popularitzant-ne l'ús als laboratoris i fent conèixer al públic la investigació. Quan Thomson va començar les investigacions que van portar a la seva conferència del 30 d'abril, va utilitzar un tub de Crookes.

Si Thomson sabia sobre el treball de Braun quan va donar la seva conferència del 30 d'abril, no en va fer cap menció. Tampoc Thomson va optar per anomenar les seves partícules subatòmiques amb un nom que ja estava en ús: l'electró. El 1874, el físic irlandès George Johnstone Stoney va proposar el nom electrina, per a la partícula subatòmica desconeguda, canviant-la per electró el 1891. Stoney també va estimar la càrrega de l'electró (que va resultar ser molt propera al valor modern).

D'altra banda, Thomson va fer un bon treball per rastrejar la història dels experiments amb raigs catòdics i nomenar científics i fabricants d'instruments que havien proporcionat les bases del seu treball. Només a la part final de la seva conferència va plantejar la seva hipòtesi del corpuscle i va descriure els experiments en què va mesurar la relació entre la massa dels corpuscles i la seva carregar. Però no va concloure amb una declaració definitiva sobre el descobriment de l'electró. 

Zeeman va descobrir que quan un element es crema en presència d'un fort camp magnètic, les línies espectrals es divideixen en patrons regulars. Avui entenem que l'efecte Zeeman és el resultat de l'espín de l'electró, però l'electró encara no s'havia descobert. Tanmateix, el supervisor de Zeeman, Hendrik Lorentz, ja havia teoritzat que els àtoms podrien consistir en partícules carregades. Zeeman i Lorentz van guanyar un premi Nobel l'any 1902 per aquest treball.

Diferents teories del descobriment

Qui va descobrir llavors l'electró? La invenció de Braun i el descobriment de Thomson es van basar en dècades de treball de nombrosos científics i fabricants d'instruments, per la qual cosa sembla injust donar la titularitat a un sol individu. És cert, però, que Braun mai va patentar el seu invent, ni va fer gran cosa per promocionar-lo. A finals de 1897, havia abandonat la seva investigació amb raigs catòdics i va passar a la telegrafia sense fil, per la qual va compartir el Premi Nobel de Física amb Guglielmo Marconi, el 1909. Els tub de raigs catòdics de Braun no van tenir gaire acció durant la seva vida, però les versions modificades van dominar els televisors i els monitors d'ordinador durant la segona meitat del segle XX, i Braun és aclamat com el seu inventor original.

Mentrestant, Thomson va segjuir treballant en la seva teoria dels corpuscles, guanyant el seu premi Nobel el 1906. I, tot i que el model plum pudding  va desaparèixer  després d'uns anys, Thomson és  reconegut com el descobridor de l'electró 125 anys després.

La qüestió del descobriment i de qui hauria d'obtenir el reconeixement és molt debatuda entre historiadors, filòsofs, científics i escriptors de llibres de text, que sovint tenen idees diferents sobre la qüestió, sobretot quan hi ha un llarg camí cap al resultat final amb molts actors diferents. En el seu llibre JJ Thomson and the Discovery of the Electron, la historiadora de les matemàtiques i la ciència Isobel Falconer argumenta en contra del debat nacionalista tradicional sobre la naturalesa dels raigs catòdics. Assenyala que Thomson ni tan sols es va interessar per ells fins al 1896, i fins i tot aleshores, els seus corpuscles tenien poc en comú amb el que en aquell moment s'anomenava electró. En el seu article " Repensar el 'descobriment' de l'electró ", el historiador Theodore Arabatzis, proposa una taxonomia del que significa descobrir una entitat no observable. El filòsof Ian Hacking suggereix al seu llibre de 1983, Representing and Intervening, que s'ha descobert alguna cosa una vegada que un científic troba la manera de manipular l'entitat. Però potser el descobriment s'hauria de comptar a partir de quan es demostra alguna cosa, es publica o s'anomena. O potser el reconeixement del descobriment hauria de produir-se només retrospectivament, un cop establert el concepte modern de les diverses característiques de l'entitat: en el cas de l'electró, aquesta seria la seva massa, càrrega, espín i naturalesa d'ona de partícules.

Font: Allison Marsh és professor a la Universitat de Carolina del Sud i codirector de l'Institut Ann Johnson de Ciència, Tecnologia i Societat de la universitat. Combina els seus interessos en enginyeria, història i objectes de museu per escriure la columna Past Forward , que explica la història de la tecnologia a través d'artefactes històrics.

Les xarxes intel·ligents i les averies per mal temps.

Els fenòmens meteorològics acostumen a posar a prova la qualitat de servei de la xarxa elèctrica.

Els històrics patrons meteorològics sobre precipitacions i nevades, han canviat en els darrers anys pel que fa a la seva intensitat, mida i durada. Les prolongades sequeres i les temperatures estiuenques superiors a la mitjana, han debilitat els boscos, convertint-los vulnerables als incendis. Per mitigar aquest impacte, cal que els distribuïdors elèctrics, donin resposta a aquests reptes invertint en  les tecnologies de les xarxes intel·ligents.

Detecció de falles homopolars d’alta impedància.

El contacte amb la vegetació pot provocar incendis forestals. A més, durant períodes de sequeres, empitjora la vulnerabilitat dels boscos. Per això calen tecnologies avançades amb la capacitat de detectar faltes elèctriques molt ràpidament de naturalesa  d’alta impedància i evitar una possible situació d’incendi. Els algoritmes d'aquest sistemes de protecció, tenen l'objectiu de detectar i aïllar la zona de l'averia en menys de 20 mil·lisegons (un cicle a 50 Hz).

Per a això, els equips capaços de monitoritzar contínuament les línies elèctriques des dels seus orígens o alimentadors sobre tot, en les zones d’alt risc d'incendi, han de fer possible un ajustament dinàmic dels relés de protecció en temps real. Aquests dispositius són fàcils de desplegar però, són molt més sofisticats que els sistemes tradicionals basats en fusibles. El gran canvi, és que  es poden comunicar sense fils per intercanviar la informació actual a un relé de control en qüestió de pocs mil·lisegons, reduint així les probabilitats que una falta provoqui un incendi.

El paper de les microxarxes

És probable que la tecnologia que s'aplica en les microxarxes tindran un paper més rellevant a mesura que la xarxa elèctrica evolucioni per adaptar-se als diferents reptes que la societat demandi. Per exemple, les microxarxes basades en el sistema d’emmagatzematge d’energia distribuït (DESS) poden:

1.- Donar suport a petites operacions aïllades en cas d’una falta de llarga durada en la xarxa de transport i/o distribució.

2.-  Podrien fomentar els compromisos amb les fonts renovables.

3.-  Poden ajudar a resoldre una falla global del servei elèctric.

Existeixen debats sobre com una microxarxa podria ajudar a una comunitat local donada una important interrupció. Tanmateix, s’ha de tenir en compte que existeixen potencials riscos amb els sistemes d’emmagatzematge d’energia des del punt de vista de risc d'incendi i seguretat pel que les instal·lacions haurien de complir  amb les normes d'instal·lació de sistemes estacionaris d’emmagatzematge d’energia.

Avanços en la tecnologia de drons

L'analisi d'una post-tempesta basada en drons i la detecció avançada d’incendis forestals, són dues àrees amb un gran potencial. Per exemple, les imatges captades després de tempestes poden ajudar les a identificar i avaluar els danys dels seus actius en un període molt curt de temps i així poder fer accions de planificació per una reparació eficient.

D'altra banda, la detecció anticipada dels incendis forestals, sovint és la clau per a un extinció eficaç. Els drons que incorporen l'adequat maquinari informàtic, poden emprar el processament d’imatges i xarxes neuronals convolucionals (CNN) entrenades per a capturar petits incendis que sovint són l’origen dels incendis forestals més grans. Amb els avanços en visió per computador, existeixen diverses arquitectures sofisticades de la CNN d’última generació. Des del punt de vista de les operacions, sovint la detecció anticipada dels incendis pot permetre a les empreses de distribució elèctrica reconfigurar la topologia de la xarxa, permetent així un servei ininterromput per a la majoria dels seus usuaris.

Conclusió

Amb els fenòmens climàtics que van incrementat el seu impacte, amenacen la seguretat pública i les infraestructures,  per això, hi ha un gran interès cap a una xarxa elèctrica més resistent. Les actuals tecnologies de les xarxes intel·ligents, continuaran evolucionant amb els diferents operadors del sistema elèctric i també amb les diferents administracions per invertir en la investigació i desenvolupament com a resposta als efectes i conseqüències provocats per les condicions climàtiques.

Ramon Gallart.

L'energia renovable augmentarà la seguretat i reduirà el risc geopolític.

La transició a les energies renovables farà que el subministrament energètic sigui significativament més segur de manera què,  permetrà disminuir el consum de combustibles fòssils evitant els riscos polítics que amenacen les cadenes de subministrament dels combustibles fòssils.

A més transicions energètiques, menys riscos ja que les energies renovables redueixen els riscos derivats de la mineria, el comerç i la dependència política. Al contrari del que es pensa, una transició del carbó al vent  disminuiria dràsticament la necessitat de materials extrets.

Atès que les tecnologies de transició, amb els seus atributs comercials i de beneficis menors, suplanten les grans indústries de combustibles fòssils, l'augment de l'alarmisme sobre la seguretat energètica, pot derivar-se del desig de mantenir un statu quo més rendible.

Sense dubte, les energies renovables reduiran les emissions dels gasos d’efecte hivernacle, però cal que els analistes i els responsables polítics prestin més atenció als altres beneficis de la transició. A mida que es va deixant a banda el vell sistema energètic, no serà necessari costosos militars per protegir els països productors de petroli ni el transport dels combustibles fòssils. En canvi, la infraestructura d’energies renovables només requereix inicialment per la construcció de la mineria i el comerç.

Donat un hipotètic canvi de les centrals de carbó als parcs amb aerogeneradors en base a trobar la mineria necessària per construir i instal·lar capacitat eòlica suficient per generar una mitjana d’1 GWh durant 20 anys, és igual a la quantitat de carbó necessària per generar la mateixa quantitat d’electricitat durant menys de quatre anys. Això inclou l'extracció de minerals i el moviment de terra en el procés de mineria i refinació.

Al llarg de dues dècades, es produiria cinc vegades més energia mitjançant l'extracció d'una quantitat equivalent per als parcs eòlics respecte  el carbó. Com que els requeriments de materials per la  transició són relativament petits, els intercanvis de grans volums de matèries primeres internacionals signifiquen un gran risc polític. Les actuals pràctiques per assegurar sistemes energètics que requereixen subministraments constants de combustible ofereixen, doncs, poca rellevància per a les energies renovables.

La mineria i la producció de materials necessaris per a la infraestructura eòlica requereixen molt menys treball. Fins i tot si el món es multipliqués per dotze, la producció anual mundial de tots els anomenats "metalls de transició" com serien el liti, el cobalt, les terres rares i el coure, els materials que fan possible la construcció d' infraestructures eòliques, els metalls produïts es compararien amb només 3 % de la producció mundial de carbó del 2020. I els sistemes renovables només depenen del comerç per adquirir components fabricats i matèries primeres per fabricar-los.

Un cop el sistema estigui en funcionament, no es requereix cap portar combustible per la seva explotació. Per tant, la producció d'energia renovable no està exposada als riscos polítics ni altres problemes que afecten la producció i els transport de combustibles fòssils, com podria ser la prohibició, els embargaments, una guerra civil, o altres alteracions. La disminució de la dependència del comerç mundial de combustibles fòssils redueix les amenaces a la continuïtat del subministrament d'energia, un benefici substancial per als països importadors.

Els requisits de seguretat per als sistemes energètics intensius en combustible basats en el subministrament constant de mercaderies combustibles són molt més pesats, costosos i propensos al risc que la protecció per als sistemes renovables que són intensius en capital que estan basats en equips de llarga vida que aprofiten l'energia de la llum solar i els corrents d’aire i aigua.

Sota els sistemes renovables, els consumidors tampoc hauran de dependre dels combustibles enviats a través de les línies de subministrament que han de romandre ininterrompudament operatives.

Les cadenes de subministrament de combustibles fòssils es poden estendre per milers de quilòmetres sobre terra i mar, enfrontant-se a riscos constants de fallades en sistemes tècnics, intervenció humana i fenòmens naturals. Aquestes cadenes de subministrament són enormes. El comerç de petroli, gas i carbó que s'envia des d'arreu del món en grans quantitats cada hora i cada dia— representen entre el 5% i el 10% del comerç internacional total per valor, mentre que el cru, el gas i els productes derivats del petroli van representar el 29% del total tonelatge comercial marítim el 2017. Fins i tot una petita falla pot tenir conseqüències extremes.

Les preocupacions sobre seguretat energètica no desapareixeran completament i les fonts d'energia renovables encara tenen el problemes de la seva naturalesa de generació intermitent, però els riscos per a la continuïtat del subministrament d'energia dels disminuiran a mesura que les energies renovables assumeixin una major part del mix energètic.

Font: Universitat de Rice.

El Regne Unit, per assolir els objectius climàtics ha de reduir la demanda d’energia.

La demanda d’energia al Regne Unit s’ha de reduir significativament si es volen assolir els objectius de zero emissions netes.

Segons l'informe del Centre de Recerca en Solucions de Demanda d’Energia (CREDS) la reducció d'emissions no seran suficients.

L'informe s'afegeix a la base d'evidències que està reunint l'equip de recerca CREDS sobre la importància del consum d'energia per assolir el netzero. Ja s'ha demostrat que les millores en l'eficiència energètica han generat més reducció de les emissions de carboni que qualsevol altra cosa, i que a nivell mundial són possibles millores massives d’eficiència. Aquest informe inclou una anàlisi detallada de com el Regne Unit pot reduir a la meitat el seu consum d’energia pel 2050.

Sense una reducció de la demanda d'energia no serà possible assolir l'objectiu de reduir el 78% les emissions del Regne Unit per sota dels nivells del 1990, ni assolir l'objectiu netzero pel 2050. No obstant, continua explicant com seria possible que el Regne Unit reduís a la meitat la demanda d’energia, amb mesures destinades a reduir l’ús en àrees com ara el transport, els aliments i la calefacció de la llar.

El CREDS, ha modelat quatre possibles escenaris d’energia:

Ignorar: Mantenir la demanda energètica existent,  

Dirigir: Mantenir la demanda existent, però intentar reduir les emissions a zero,

Shift: Seguir un ambiciós programa d’intervencions amb la tecnologia existent.

Transformar: Utilitzar les tecnologies transformadores per canviar l’estil de vida i les pràctiques.

Sota els escenaris tres i quatre, hi hauria un canvi radical en el model de vida quotidiana, tot i que cap dels  escenaris de baixa demanda energètica (LED) compromet la qualitat de vida actual.

La mobilitat

L'informe assenyala que tres quartes parts del consum d'energia provenen del transport rodat per carretera i el 24% del transport aeri. Les recomanacions de LED inclouen:

1.- Sense expansió de carreteres ni aeroports. 

2.- Sense desenvolupament ecològic. 

3.- Carreteres que es reutilitzaran per a una mobilitat compartida i activa.

Per això caldria duplicar la inversió en transport públic i augmentar les xarxes per anar en bicicleta a tota la zona urbana. L’ús del cotxe per una sola persona hauria de ser inacceptable i finalment aplicar una elevada fiscalitat en els casos que hi hagin més d’un cotxe per llar. També caldria reduir el parc nacional d'automòbils i aconseguir una menor demanda d’aviació, mitjançant la sensibilització del públic.

La nutrició

El  11% de les emissions de gasos d'efecte hivernacle del Regne Unit són atribuïbles a l'agricultura i l'ús del sòl, per això el CREDS recomana:

Segons l’escenari tres, la ingesta calorífica diària d’adults s’hauria de reduir un 15%. En l’escenari quart, s’hauria de reduir un 27%. En ambdós escenaris, el nombre d'omnívors s'hauria de reduir dràsticament, passant dels dos terços de la població a menys del 20%. Mentrestant, el nombre de vegetarians hauria de créixer fortament.  

La calefacció a les llars

Va ser el 15,2% del total de les emissions nacionals de gasos d’efecte hivernacle en el 2020, una quota que ha anat augmentant constantment des dels anys noranta. Segons els dos escenaris actius de CREDS, preveu una sèrie de moviments que inclouen:

1.- Extingir les calderes de gas i substituir-les gradualment per bombes de calor.

2.- Planteja una setmana de quatre dies i treballar més des de casa.

3.- No haurien d'haver en el 2035, calefacció  ni cuines ni forns de gas.

Si s'adopten les mesures més radicals, el Regne Unit podria reduir a la meitat la demanda d'energia i, seguint l'escenari tres, es podria reduir un 40%.

Les millores en l'eficiència energètica de les bombes de calor, els vehicles elèctrics i l'adequació de la llar, per exemple, no són les úniques opcions per reduir la demanda d'energia. De fet, l'anàlisi dels escenaris demostra que, només implementant l'eficiència energètica sense considerar canvis més amplis en els patrons de consum i la reducció de la demanda de serveis energètics, és molt difícil d’aconseguir el netzero.

Sense una reducció de la demanda d'energia no serà possible assolir l'objectiu de reducció d'emissions del Regne Unit en un 78% per sota dels nivells del 1990, ni l'objectiu  netzero del 2050. El govern del Regne Unit encara no ha definit com contribuirà la demanda d'energia per assolir les ambicions climàtiques. Tenint en compte les evidències presentades, és imprescindible que el govern del Regne Unit expliqui una estratègia detallada i polítiques de suport per permetre que la reducció de la demanda energètica compleixi el seu paper necessari per aconseguir ràpides reduccions d'emissions al Regne Unit.

Font: Universitat d'Oxford