Reactor nuclear amb impressió 3D.

La impressió 3D amb metalls i compostos d'alta tecnologia han arribat a l' àmbit aeroespacial i mèdic. La fabricació additiva també es veu com una tecnologia per produir petits reactors nuclears i segurs de nova generació.

Una nova tecnologia d'impressió 3D del Laboratori Nacional d'Oak Ridge, gràcies al seu mètode, permetrà fabricar components dels reactors nuclears ceràmiques tècniques molt més resistents a la radiació i a les extremes temperatures de manera què,  permetrà accelerar el desenvolupament de reactors de nova generació segurs i assequibles.

Els reactors micromodulars haurien de costar unes cent vegades menys què als grans reactors actuals. Està previst desplegar el primer reactor pel 2026. També s'està desenvolupant reactors compactes per a coets propulsats amb energia nuclear, el seu disseny és segur i es basa en un combustible robust fet de partícules  d'urani recobertes de ceràmica microscòpica que es troben en una matriu de carbur de silici.

El carbur de silici és un tipus de ceràmica que actualment s'utilitza en blindatges de tancs, electrònica molt  especialitzada i aplicacions aeroespacials. Però per forjar les complicades formes dels components del reactor amb aquestes ceràmiques és extremadament difícil utilitzant mètodes convencionals com el mecanitzat o la fosa.

La tècnica d'impressió 3D, combina la impressió amb un procés especial de producció de ceràmica que permetrà imprimir geometries complexes a partir del carbur de silici. Aquesta tecnologia, no només permetrà una producció més ràpida i econòmica dels components del reactor, sinó que també hauria de permetre el disseny de noves geometries complexes per a determinades peces que abans eren impossibles de fer.

Aquesta tecnologia d'impressió 3D, es convertirà en una part clau del procés per fabricar les cobertures de carbur de silici per al combustible nuclear i també per produir components estructurals no combustibles per als reactors. Els sistemes avançats de reactors basats en la ceràmica, haurien de ser més segurs que els tradicionals que utilitzen principalment components metàl·lics.

També, la impressió 3D de carbur de silici és una nova tecnologia que ofereix noves possibilitats, però també requerirà una investigació exhaustiva per garantir que els materials resultants i el seu rendiment compleixin els estrictes requisits reglamentaris i legals que requereix l'energia nuclear.

Font: IEEE Spectrum

Gestió de les xarxes de distribució amb electrònica de potencia com un element IoT.

Actualment, el Internet de les coses (IoT) té aplicacions omnipresents per tant, serà un nou actiu  que serà integrat en les xarxes de telecomunicacions per l’explotació de la distribució d’energia elèctrica. Llavors,  el IoT adquireix un important paper donat què ofereix molts avantatges en la mesura i control dels paràmetres de la quantitat d’elements físics que aniran conformant  les xarxes elèctriques, entre ells, els equips d’electrònica de potencia com un actiu clau pels distribuïdors.

Per tal de millorar la gestió de la xarxa elèctrica, sense dubte, cal l’adopció d’aquest nous actius basats en l’electrònica de potència però que comptin  amb el suport de la connectivitat per fer possible l’intercanvi de dades sota el concepte IoT i així,  fer possible desplegar diversos equips i sensors IoT que estaran estratègicament instal·lats en la infraestructura del distribuïdor.

Basant-se en el intercanvi de la informació de tots els sensors,  que  inclouen els elements de maniobra, gràcies a la IoT,  es poden prendre les accions adequades gràcies a la informació dels sensors IoT, que s’envia als servidors centrals dels distribuïdors per fer un seguiment del rendiment de tots els actius connectat a la xarxa de distribució incloent els equips d’electrònica de potència.

També hi ha altres usos del IoT que són possible gràcies a la connexió dels equips de electrònica de potència, aquests inclouen la supervisió de paràmetres crítics com són la temperatura, el corrent, el voltatge i la freqüència en diferents trams clau de la xarxa elèctrica.

El actius basats en l’electrònica de potència, acabaran essent una part important de les xarxes elèctriques de distribució en base a que tenen funcions importants que passen pel control, la supervisió i la protecció que permet realitzar diverses tasques de suport en els sistemes elèctrics.

La xarxa elèctrica mitjançant la configuració dels interruptors, faran possible una millor explotació i donaran solució als reptes que estan començant a sorgir pel previst creixement de la mobilitat elèctrica i les fonts de generació distribuïda connectades a la xarxa de distribució de manera que els equips d’electrònica de potencia esdevenen de gran importància per a la modernització de la xarxa. En general, les xarxes modernes de distribució elèctrica no podran ser explotades sense l’electrònica de potència. És evident que aquests actius, son cabdals per fer possible una modernització de les xarxes elèctriques per fer front a la transició energètica.

Actualment, hi ha disponibles diverses eines avançades que poden millorar el rendiment dels equips d'electrònica de potència connectats a les xarxes. Per exemple, un d’ells, és l'IoT ja què, pot ajudar a una millor explotació per les necessitats de la connectivitat que cal. De la mateixa manera, les iniciatives basades en intel·ligència artificial (IA) i aprenentatge automàtic (ML) s’estan començant a aplicar en els sistemes que inclouen equips d’electrònica de potència. Aquestes avançades tecnologies,  preparen els camins per una nova evolució dels equips d’electrònica de potencia de manera què, s’espera que el IoT sigui una de les principals tecnologies de connectivitat per aquest actius.

Llavors, com  el IoT és una tecnologia sense fils dissenyada per a comunicacions massives, cal aplicar els principis de les xarxes sense fils i per això, té els seus propis estàndards que permeten el  desplegament en una amplia àrea amb petites inversions. Les cel·les de transmissió/recepció IoT  es poden desplegar a les mateixes xarxes de comunicació cel·lulars existents ja que són comparativament més barates. Per tant, el seu desplegament  és molt més senzill.

L’electrònica de potència connectada a la xarxa elèctrica, requereix de capacitat per la detecció, la mesura, el control, la supervisió i la protecció dels diferents actius i  components de la xarxa.

El IoT, és una tecnologia versàtil i es pot aplicar en diverses situacions dels sistemes de distribució elèctrica. Pel que fa a l’electrònica de potència, el IoT permet el control del rendiment dels seus components  i fer així operacions sostenibles, sense incidents.

En totes les xarxes elèctriques, hi ha diversos paràmetres crítics que cal d’una supervisió continuada de fet, els propis equips d’electrònica de potencia, en són un.

Per obtenir una millor qualitat de servei elèctric, el  IoT comunicant amb diferents  actius   permet, per exemple, l'excitació de camp dels alternadors de les centrals hidroelèctriques les quals, la proporcionen els rectificadors que prenen una fracció de la CA generada de la sortida de l'alternador. El corrent de camp s’ha de controlar amb precisió. Mitjançant el  IoT, es poden controlar fluctuacions amb més precisió i també, el corrent, i els canvis de la tensió.

Molts sistemes de control , com ara el sistema de control de supervisió i acusació de dades (SCADA), necessitaran molt suport del IoT. També, els equips d'electrònica de potencia,  es poden controlar mitjançant un SCADA basat en telecomunicacions IoT. 

La seguretat i la protecció són essencials per a la sostenibilitat a llarg termini dels sistemes de la xarxa de distribució elèctrica per això,  s’adopten diverses formes de seguretat i protecció per protegir tots els seus components incloent els importants equips d’electrònica de potència. Mitjançant l’ús basats en el IoT, es pot millorar significativament la protecció i la seguretat. Per exemple,  les altes temperatures la vida útil i la precisió dels components d’electrònica de potència. No obstant això, el IoT permet fer un seguiment  per limitar aquests paràmetres dins d’un rang de seguretat.

Gràcies a la programabilitat i la implementació de la IA i el ML, els equips d’electrònica de potencia han de ser  programables i reconfigurables en els escenaris que canvien dinàmicament, com són les xarxes elèctriques. Per això, el  IoT proporciona configuracions lògiques adequades per a la programabilitat dels equips d’electrònica de potència. La IA i el ML són bones tecnologies que permeten operacions intel·ligents però, necessiten de xarxes de telecomunicacions intel·ligents i avançades per a l’efectiva implementació.

Per tant i per acabar, el IoT proporciona aquests intel·ligents arranjaments a través dels seus sensors i actuadors que no són possibles sota una visió tradicional. En general, l’electrònica de potència comunicada i assistida per el IoT, serà molt més eficient a les xarxes elèctriques modernes amb equips d’electrònica de potència.

Ramon Gallart

Decidir entre els pros i els contres de l'energia nuclear.

El president francès, Emmanuel Macron, fa poc va anunciar que França invertirà 1.000 milions d'euros en energia nuclear i construirà més reactors per ajudar a evitar la crisi energètica d'Europa.

Però fins i tot a França, on la nuclear aporta més del 70% del mix energètic del país,  és una temàtica controvertida. El debat està especialment polaritzat entre els qui viuen a prop de les centrals nuclears, pels beneficis que tenen d'aquesta proximitat. També hi ha una constant tensió entre la premsa i el sector nuclear.

Des de que la primera central amb un reactor nuclear va ser construïda, el debat segueix sent obstaculitzats pels malentesos sobre els avantatges i desavantatges d'aquesta tecnologia.

Principalment i des de la perspectiva de la física s'està d'acord en els fonaments científics i tecnològics del debat, i en tots els arguments basats en fets verificables. Però les diferents sensibilitats com a ciutadans porten a ponderar cada argument de manera diferent i a arribar a diferents conclusions sobre l'energia nuclear.

Hi han posicionaments que estimen els avantatges d'aquesta tecnologia com una opció viable per al futur, mentre que altres posicionaments, creuen que els esforços haurien de centrar-se en una important disminució del consum energètic.

A partir dels  dos punts de vista basats en una compartida entesa de l'evidència científica, cal ajudar a formar una opinió enumerant els pros i els contres de l'energia nuclear utilitzant els mètodes rigorosos de la comunitat científica.

Per fer-ho, cal comparant amb experts de tot l'espectre d'opinions, inclosos físics, economistes, politòlegs, antropòlegs, historiadors, periodistes i voluntaris d'ONG per contribuir en una revisió de les principals qüestions relacionades amb l'energia nuclear. 

Prendre decisions sobre el futur

La física subjacent a la producció nuclear d'electricitat és ben coneguda. El que planteja preguntes, més aviat és la industrialització del procés.

Les organitzacions de recerca científica i tecnològica intenten anticipar les futures necessitats energètiques i desenvolupar nous tipus de reactors nuclears per substituir els existents. Aquesta investigació no hauria de predir les futures decisions que prendran els polítics i la societat. No obstant això, és un procés a llarg termini que sovint requereix diverses dècades d'investigació, disseny, desenvolupament i experimentació abans de l'aprovació, i per tant, escollir les actuals vies de recerca  podrien ser una mica vinculants per al futur.

Per exemple, l'estudi del disseny i optimització de reactors ràpids generadors de neutrons, és un camp de recerca  molt interessant ja que això permetria reciclar el combustible nuclear , la qual cosa preservaria els recursos naturals d'urani i reduiria els residus nuclears.

A França, dos manifestants successius, Phenix i Super-Phenix , es van construir i operar el segle passat i un tercer, Astrid , es va planificar els darrers anys. Tot i això, tots aquests projectes han estat objecte de successives decisions governamentals per tirar endavant, aturar, reprendre i, recentment, en el cas d'Astrid, tornar a aturar-se, o almenys ajornar. Aquestes decisions es van prendre en funció de criteris econòmics, ambientals, polítics i estratègics.

Quant costa?

L'urani natural, que s'utilitza com a combustible a les centrals elèctriques, és encara un recurs relativament abundant i encara no contribueix gaire al cost total de l'energia nuclear.

El Tribunal de Comptes francès va estimar el cost mitjà actual de generació d'energia nuclear per a una vida útil de 50 anys en 60 euros per MWh, equivalent a sis cèntims per kWh. Tot i que les comparacions amb altres fonts d'electricitat són difícils de fer, el preu de venda altament variable de l'electricitat és d'uns 15 cèntims per kWh.

Les estimacions de costos depenen en gran mesura de les hipòtesis sobre el futur, inclosa la prolongació de la durada de la central elèctrica, les opcions de residus i la clausura dels reactors. Tot i que sovint les decisions es prenen dins de la visió a curt termini d'un mandat electoral, la política de residus ha de tenir en compte les implicacions a llarg termini.

Mentrestant, la viabilitat tècnica pel desmantellament encara és difícil de predir a causa dels diferents  tipus de reactors. Mantenir o desmantellar una central nuclear requereix anticipació en termes de diners, coneixements i energia, i per tant implica en gran mesura les properes generacions. Per tant, l'energia nuclear requereix estabilitat política, financera i geològica a llarg termini.

És segur?

En els debats públics sobre seguretat, que és un tema purament tècnic, s'ha transformat en un de polític.

La radioactivitat s'ha de controlar en totes les etapes de la cadena del combustible nuclear per evitar qualsevol efecte nociu sobre els humans o el medi ambient. El risc d' accidents nuclears, ja sigui relacionat amb catàstrofes naturals, errors humans, residus, malícia o guerra, s'ha abordat al llarg de les dècades mitjançant millores significatives i la retroalimentació de l'experiència dels dos principals accidents de Txernòbil i Fukushima. No obstant això, continua sent una important preocupació per a la societat.

La prevenció d'accidents implica molts factors, entre ells el humà; el saber fer i la motivació dels treballadors depenen d'una sòlida col·laboració entre l'operador i els subcontractistes.

Altres impactes ambientals durant les operacions normals inclouen l'exposició nuclear dels treballadors  i de la societat per les emissions químiques o tèrmiques: aquestes últimes esdevenen problemàtiques amb l' escalfament global, ja que l'aigua dels rius que cal per fer funcionar els reactors es fa escassa i més calenta.

Té un paper en la lluita contra el canvi climàtic?

Quin és el futur de l'energia nuclear? Els científics no poden fer prediccions. En canvi, els escenaris són eines útils per examinar les possibles conseqüències i els costos d'hipòtesis o opcions, per exemple, disminuint les emissions de gasos d'efecte hivernacle o fins i tot disminuint la demanda d'energia.

El fet que les centrals nuclears no emeten carboni, almenys durant la fase de producció d'electricitat (en contraposició a tot el cicle de vida del combustible i de les plantes), és un argument a considerar en el context de la reducció de les emissions globals.

Les centrals nuclears també proporcionen una potència constant, la qual cosa és un inconvenient pel que fa a l'adaptació a la demanda, però un avantatge pel que fa a la regularitat: el desenvolupament d'energies renovables intermitents com la solar i l'eòlica exerceixen pressió sobre les xarxes de distribució, ja que aquestes energies  necessàriament no sempre estan disponible a les hores punta.

El paper de la política

A la pràctica, sovint s'utilitzen escenaris de transició energètica global per establir i aprovar decisions que ja s'han pres.

A nivell mundial, les decisions que realment s'han pres depenen en gran mesura de la geopolítica, per exemple, els intents de reduir la dependència de les importacions de petroli, i també les decisions per desenvolupar l'energia nuclear militar juntament amb la política energètica.

El sistema dual de finançament de la investigació civil i militar al costat de l'altre només es justifica si es desenvolupen armes nuclears, cosa que torna a ser una decisió política.

Per què és tan difícil decidir

A l'hora de decidir sobre l'energia nuclear, la llista d'arguments a tenir en compte és frustrantment gran. Per exemple, alguns reactors, carregats amb l'anomenat combustible mixt d'urani i òxid de plutoni, contribueixen en part a reciclar alguns productes nuclears. Tancar-los podria tenir l'efecte secundari d'omplir les instal·lacions d'emmagatzematge de residus actuals més ràpidament del que s'esperava.

Encara pitjor, les decisions sovint es basen en hipòtesis especulatives a causa de la dificultat de predicció. El que està fora de dubte és que qualsevol decisió presa o no presa avui afectarà més les generacions futures que la nostra.

Això vol dir que la societat no han de deixar que les decisions es prenguin només sobre la base d'arguments científics o tècnics, sinó que han de decidir-se, tenint en compte l'horitzó polític i social que volen per a ells i els seus fills.

Font: The Convesation

Línies elèctriques i la convivència amb l'entorn.

Alemanya està ampliant la seva xarxa elèctrica per ajudar a la transició cap a les energies renovables, però hi ha dificultat sobre el seu desplegament ja que hi ha part de la societat local que els preocupa l'impacte amb la fauna.

Hi ha que fa campanya contra una línia elèctrica d'alta tensió prevista a la reserva natural de Schorfheide-Chorin, a pocs quilòmetres de Berlín, per fer una nova xarxa d'uns 115 km entre les ciutats de Bertikow i Neuenhagen, en substitució d'una xarxa existent amb suports més petits. La nova xarxa està destinada a distribuir per la regió l'energia eòlica produïda al nord d'Alemanya.

Això, podria suposar una amenaça per a milers d'espècies d'ocells, algunes d'elles en perill d'extinció que hi han a la reserva natural.  

Després d'anys de consultes i debats públics, hi ha descontent per la manca de resposta de l'empresa propietària d'aquesta infraestructura la qual,  no accepta canviar el traçat de la línia  amb les obres en curs.

12.000 km

Aquest tipus d'oposició que lluiten contra la construcció de xarxa d'alta tensió, podrien frenar la transició cap a les renovables.

Gradualment, durant el propers anys, el país té previst eliminar el carbó i l'energia nuclear per generar electricitat  gràcies a les fonts renovables com és l'eòlica la qual,   cada cop juga un paper més important per mantenir els subministrament elèctric.

El problema és que l'energia eòlica es produeix majoritàriament al nord, mentre que la major part del consum, sobretot industrial, es troben al sud. Per tant, aquesta electricitat cal ser transportada mitjançant noves xarxes.

Per satisfer aquestes necessitats, el govern alemany ha posat en marxa més d'un centenar de nous projectes de línies elèctriques durant els darrers anys que abasten 12.000 km, segons dades oficials del ministeri d'Economia.

Sembla que la tendència continuarà, amb la nova coalició governant d'Alemanya dels socialdemòcrates, els verds i els demòcrates lliures amb l'objectiu que les renovables representin el 80 % de la combinació energètica el 2030.

Massa lent

Però les obres per la construcció de noves línies elèctriques sembla ser que han estat massa lentes a causa dels  procediments i de l'oposició a aquests projectes. Segons un estudi, la xarxa alemanya s'ha ampliat només 120 km en el 2021, un terç menys que en el 2020.

Segons un estudi de l'empresa de comparació de preus energètics Check24, la xarxa alemanya s'ampliarà només 120 quilòmetres el 2021, un terç menys que el 2020.

Si no es fa res per accelerar el procés, Alemanya podria faltar els seus objectius en termes de transició ecològica.

Per intentar solucionar el problema, Berlín va introduir noves normes que simplifiquen els tràmits burocràtics necessaris per a l'aprovació de línies elèctriques i limiten les possibilitats de que es facin recursos.

To i així, hi han denuncies que provoquen la suspensió temporal de la construcció de trams de la línia. De fet, un tribunal decidirà si es pot continuar amb la construcció tal com estava prevista o si ha de fer cessions a les demandes dels activistes que passen per un nou traçat o es soterri per protegir la biodiversitat de la regió. Aquestes solucions han estat descartades fins ara pel titular de la xarxa elèctrica ja que són considerades massa cares.

.

Preveure el final de la vida operativa de les bateries.

Milions de persones arreu del món, no tenen accés a l'electricitat. Els sistemes de generació solar descentralitzats amb bateries, són clau per  resoldre l'accés a a l'electricitat a més que eviten emissions de carboni.

Actualment, encara hi han uns elevats costos per fer la inversió que cal sumar el poc manteniment que en algunes zones rural, fan de manera que quan hi ha alguna incidència amb les bateries, la seva substitució és difícil.

Per tant, és crucial saber quan hi ha probabilitat que fallin les bateries per planificar la logística  per la seva reparació i minimitzar així, el temps de la manca del subministrament d'energia elèctrica.  Un nou sistema basat en la modelització multiescala de la Faraday Intitution, fa prediccions que són un 15-20% més precises que altres que utilitzin en el mateix conjunt de dades. 

Aquest model, s'ha comprovat a Bboxx, que és una utility de nova generació orientada a proporcionar energia neta als països en desenvolupament  que vol proporcionar i compartir dades operatives reals D'aquesta manera, es pretén evitar la limitació d'anterior estudis sobre el modelatge del estat de les bateries.

Durant un període de 2 anys, es van recollir dades sobre la tensió, el corrent i la temperatura de més de 1000 bateries que estan operatives per Àfrica mitjançant Bboxx. Per fer-ho amb aquest mètode, no cal cap sensor ni cap altre requisits addicionals, cosa que permet que els sistemes d'energia es mantinguin contínuament en servei.

Aquesta proposta, es única per mostrar com el deep learning basat en la física, pot funcionar en les aplicacions amb bateries del món real. Per això, s'utilitzen avançades tècniques probabilístiques del deep learning per inferir la resistència interna de la bateria en funció del corrent, la temperatura, l'estat de càrrega i el temps, permetent el calibratge en condicions estàndard.

L'èxit, es deu a la combinació d'un model sobre la salut per a tota les bateries i un indicador del seu estat específic de la bateria que esdevé important per saber quan s'arriba al final de la vida útil de la bateria.

Aquestes tècniques proporcionen informació sobre els factors que provoquen l'envelliment de la bateria, com ara els llindars de la tensió i de la temperatura i també, sobre el mètode què és aplicable a qualsevol bateria que es pugui representar amb un senzill model de circuit elèctric.

Aquests resultats són d'interès per a un ampli públic que des del potencials operadors fins als clients de les bateries de manera que, poden ser d'ajut per accelerar la innovació en la comprensió del rendiment de la bateria, especialment si és possible  disposar de dades operatives.

S'espera que això sigui un recurs clau per a la comunitat i es comenci a dedicar recursos per analitzar les dades de camp per obtenir nous coneixements sobre el rendiment de la bateria.

Font: Universitat d'Oxford i la Faraday Institution.

Eina que millora el desenvolupament de les PV.

En la cursa per desenvolupar millors materials i dissenys per a les cel·les solars, sorgeixen moltes variables que permetrien millorar el rendiment, com seria el tipus de material, el gruix i la disposició geomètrica. El desenvolupament de noves cel·les solars, generalment ha estat un procés tediós que ha consistit en fer petits canvis. Tot i que els simuladors computacionals han permès avaluar aquests canvis sense haver de construir cap prototipus, el procés continua sent lent.

Investigadors del MIT, han desenvolupat un sistema que no només permet avaluar un sol disseny, sinó proporcionar informació sobre quins canvis aportaran les millores desitjades.  El nou sistema, anomenat simulador de cel·les solars diferenciables, es va presentar en un article de la revista Computer Physics Communications.

Els simuladors tradicionals de cel·les solars, aporten quin percentatge de l'energia de la llum solar entrant es converteix realment en un corrent elèctric. El nou simulador, prediu l'eficiència i mostra quin punts  es veuran afectats per qualsevol dels paràmetres d'entrada. Per tant, directament mostra què passa amb l'eficiència si es fa una capa una mica més gruixuda, o què passa amb l'eficiència si es canvien les propietats dels materials.

De fet, no s'ha descobert un dispositiu nou, però s'ha desenvolupat una eina que permetrà als altres descobrir més ràpidament altres dispositius de més rendiment. Amb aquest sistema, s'està disminuint el nombre de vegades que cal executar un simulador per donar accés més ràpid a un espai més ampli d'estructures optimitzades. A més, aquesta  eina pot identificar un únic conjunt de paràmetres dels materials que no es podien tenir en compte,  perquè és molt complex executar aquestes simulacions.

Mentre que els enfocaments tradicionals utilitzen essencialment una cerca aleatòria de possibles variacions, diu Mann, amb la seva eina "podem seguir una trajectòria de canvi perquè el simulador us indica en quina direcció voleu canviar el vostre dispositiu. Això fa que el procés sigui molt més ràpid perquè en lloc de explorant tot l'espai d'oportunitats, només podeu seguir un únic camí" que condueix directament a un rendiment millorat.

Com que sovint les avançades cel·les solars es componen de múltiples capes entrellaçades amb materials conductors per transportar càrrega elèctrica d'una a l'altra, aquesta eina computacional revela com el canvi dels gruixos relatius d'aquestes diferents capes afectarà la sortida del dispositiu. Això és molt important perquè el gruix és crític donat que hi ha una forta interacció entre la propagació de la llum i el gruix de cada capa i l'absorció de cada capa.

Altres variables que es poden avaluar, inclouen la quantitat de dopatge (la introducció d'àtoms d'un altre element) que rep cada capa, o la constant dielèctrica de les capes aïllants, o el bandgap, una mesura dels nivells d'energia dels fotons de llum que poden ser capturat pels diferents materials utilitzats en les capes.

Aquest simulador ja està disponible com a eina de codi obert que es pot utilitzar immediatament per ajudar a guiar la investigació en aquest camp.  Per fer-ne ús, els investigadors combinarien els càlculs d'aquest dispositiu amb un algorisme d'optimització, o fins i tot un sistema de machine learning, per avaluar ràpidament una gran varietat de possibles canvis i trobar ràpidament les alternatives més interessants.

Actualment,  el simulador es basa en una versió unidimensional de la cèl·lula solar, de manera que el següent pas serà ampliar les seves capacitats per incloure configuracions bidimensionals i tridimensionals. Però fins i tot aquesta versió 1D pot cobrir la majoria de les cel·les que actualment estan en producció. Algunes variacions, com les anomenades cel·les en tàndem que utilitzen diferents materials, encara no es poden simular directament amb aquesta eina, però hi ha maneres d'aproximar una cel·la solar en tàndem simulant cadascuna de les cèl·lules individuals.

Font:  Sean Mann et al, ∂PV: An end-to-end diferenciable solar-cell simulator, Computer Physics Communications (2021). DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108232

Xarxes elèctriques mitjançant electrònica de potencia.

Les grans centrals elèctriques amb els seus grans generadors síncrons són els encarregats de proporcionar estabilitat a la xarxa elèctrica, però a  mida que vagin desacoblant-se per aturar-se successivament en el transcurs de la transició energètica, cal fer front per com resoldre l'estabilitat de la xarxa que ofereixen aquestes centrals. Una manera es veure com els convertidors basats en electrònica de potencia que formaran la xarxa, podran garantir un subministrament de corrent altern sinusoïdal i amb freqüència de xarxa estable.

Qualsevol electrodomèstic o dispositiu que s'utilitza a les llars es dona per suposat que les preses de corrent són una font d'energia fiable. Tanmateix, la xarxa elèctrica té un disseny molt complex i el seu nivell d'equilibri és una qüestió delicada. La forma ideal per què l'energia es transporti a través de les línies elèctriques a Europa és un corrent altern sinusoïdal amb una freqüència gairebé constant de 50 Hz. Això és possible gràcies a l'estabilitat de les propietats físiques dels generadors síncrons a les grans centrals elèctriques. Aquestes grans centrals elèctriques utilitzen la seva massa giratòria per aportar inèrcia al sistema i, per tant, reaccionar amb una resposta inercial a les pertorbacions de la xarxa. Llavors una potencial deficiència en la generació d'energia, es pot compensar utilitzant l'energia cinètica de curta durada que te emmagatzemada gràcies a la seva massa giratòria. D'aquesta manera, no hi ha pèrdues sobtades i de gran abast de potència en situacions crítiques com ara la interrupció no planificada de grans capacitats de generació o les anomenades divisions del sistema.

Llavors, com per fer possible la transició energètica cal desconnectar  les centrals nuclears, de carbó i de gas  per ser substituïdes per formes de generació renovable com una tendència què s'intensificarà en els propers anys. Això significa que els generadors síncrons, que tenen un paper central en el control de la xarxa, desapareixeran per ser substituïts  per convertidors basats en electrònica de potència per poder formar la xarxa elèctrica.

Aquest convertidors són dispositius electrònics de potència, amb la principal funció és convertir el corrent continu en corrent altern. Depenent de la classe de potència, poden variar en el seu aspecte des d'un equip molt petit, fins a una gran central elèctrica de MW. El seu comportament elèctric no està determinat físicament, sinó que primer s'ha de configurar mitjançant determinats algorismes de control. Actualment, els convertidors estan programats de manera que alimenten la quantitat d'energia desitjada a una xarxa elèctrica rígida, proporcionada per grans centrals elèctriques i fortes. Els convertidors que han de crear la xarxa, d'altra banda, estan programats per comportar-se com una font de tensió. De manera similar a la de les centrals elèctriques convencionals, de manera que responen a la demanda a curt termini de la xarxa i proporcionen resposta inercial.

Per exemple, és important que aquest dispositius, en casos especials com serien les situacions de sobrecàrrega, línies amb una falla o pèrdues de zones de consum o generació, responguin de manera que sigui possible mantenir la xarxa estable. Per aquest motiu, s'està investigant sobre el desenvolupament de dispositius i algorismes que permeten provar diversos escenaris d'aplicacions amb l'ajuda de simulacions.

Sembla que hi ha consens entre els gestors de la xarxa de transport en què els convertidors de xarxa són necessaris per a una gran part de les noves plantes que s'incorporen a la xarxa. Per això es treballa amb diferents operadors de xarxes elèctriques amb la finalitat d'aconseguir reunir una disposició única d'habilitats per els equips d'electrònica de potència i control, així com de la dinàmica de la xarxa i la integració de la xarxa, per obtenir una completa visió de l'ús i els requisits precisos per  formar aquesta xarxa amb convertidors a més gran escala. Inicialment,  cal definir els requisits de les futures xarxes elèctriques i també quines situacions crítiques.

Diferents treballs de recerca, mostren  que el canvi de generadors síncrons a convertidors electrònics són una solució viable. Per això, també cal establir  de forma clara el què requerirà la xarxa del futur.

Ramon Gallart

Microxarxes per la resiliència

Les averies provocades per les extremes condicions meteorològiques costen molts diners. De fet, hi han zones allunyades de la xarxa de distribució elèctrica que a avui dia encara funcionen amb generadors elèctrics. Llavors, una expansió de la xarxa no sempre és una opció ja que en la majoria dels casos, el seu cost no té sentit.

En les comunitats aïllades de les xarxes de distribució  o en les zones que hi ha molt mala qualitat de servei per  fenòmens meteorològics, les microxarxes són una solució. Aquests centres d' energia descentralitzats i autosuficients poden funcionar de manera independent o connectar-se a una xarxa de distribució. No obstant això, un obstacle que cal resoldre, és el disseny de microxarxes. Aconseguir la combinació correcta de fonts d'energia implica compromisos complexos entre la tolerància al risc, el cost i l'ecologisme.

Una investigació d'un equip del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mostra que les microxarxes hiperlocals resistents proporcionen valor econòmic, si es dissenyen amb la combinació adequada de fonts d'energia. 

Lliçons de la microxarxa en una petita illa hawaiana

Impulsada per un mandat estatal, l'illa hawaiana de Moloka'i vol plantejar com passar al 100% d'energies renovables a l'any 2045. Sense accés a una xarxa de distribució més gran i amb la dependència del gasoil, els residents paguen gairebé tres vegades més que el cost mitjà dels EUA. Menys d'un terç d'aquesta potència prové de les energies renovables, mentre que la resta prové de generadors alimentats amb combustible.

Tot i això, les coses que fan que les illes hawaianes siguin especials són: la brisa de l'oceà, el sol i les onades, ja que esdevenen una prometedora oportunitat per fer possible deixar de cremar gas-oil aspecte, que pot ser una gran oportunitat  a moltes altres comunitats illenques o rurals.  El disseny de microxarxes és complicat. Moltes comunitats no estan dissenyades per desenvolupar alguna cosa així.

Les microxarxes solen ser alimentades per energia solar i/o eòlica, que utilitzen energia exedent per carregar bateries,  més, instal·len un generador com a (n-1). La substitució dels generadors per energia marina no només augmenta la resiliència, sinó que també redueix la dependència del combustible fòssil. Font: Vídeo de Sara Levine | Laboratori Nacional del Nord-oest del Pacífic

Igual que el risc es més reduït quan prové d'una cartera d'inversió diversificada, una varietat de fonts d'energia ajuda permet reduir el risc que una microxarxa no pugui cobrir la demanda d'energia.  Com que l'objectiu de Moloka'i era zero emissions, es va predir què passaria si els generadors dièsel existents, fossin substituïts amb energia marina. Quan s'afegeix a la combinació d'energia eòlica i solar, l'energia marina no només augmenta la resiliència, sinó que també redueix la dependència del combustible.

Per assolir l'objectiu de zero emissions, es va trobar que l'ús d'energia marina pot reduir la necessitat de construir solar i eòlica fins a un 50% en comparació amb no incloure l'energia marina a la cartera, a més de que es necessita menys emmagatzematge de la bateria. Això, és una bona notícia, ja que les bateries encara són cares. A més, menys èmfasi en l'energia solar significa una reducció de la petjada de l'ús del sòl. I l'espai és molt important en una illa petita.

Microxarxes resistents per recuperar-se més ràpidament

Quan l'huracà Sandy va colpejar la costa oriental el 2012, els danys van ser tan importants que algunes parts de Nova York i Nova Jersey van quedar sense electricitat durant mesos després de la tempesta. No obstant això, una microxarxa de la Universitat de Princeton a Nova Jersey va mantenir els llums encesos per als treballadors d'emergència i a les instal·lacions clau.

Hi ha un interès creixent en dissenyar microxarxes per alimentar coses com hospitals, refugis o comissaries de policia durant les emergències. No obstant això, el disseny de les microxarxes tendeix a centrar-se a minimitzar els costos en lloc de millorar la resiliència, però la solució més economia no sempre és la millor.

És difícil posar un preu a la resiliència, per exemple, un hospital donarà més valor a l'energia fiable, a diferència d'un particular que podria passar unes hores sense electricitat.

Les microxarxes solars solen funcionar amb energia solar combinada amb bateries, amb generadors alimentats amb gas-oil com a (n-1). Els generadors són fonamentals per resoldre situacions com quan les bateries no estan completament carregades, com ara els dies ennuvolats, o quan la demanda d'energia és alta i no es pot emmagatzemar l'excedent.

Modelització de microxarxes

El modelatge, pot ajudar la presa de decisions a sospesar els intercanvis i, finalment, dissenyar microxarxes que tinguin més probabilitats de mantenir el servei durant una emergència o zones d' alimentació sense accés a una xarxa de distribució. Com que s'espera que les condicions climàtiques, cada cop seran més severs com a conseqüència del canvi climàtic augmenti, el disseny de microxarxes resilients probablement  serà  més pertinent en el futur.

Font: Pacific Northwest National Laboratory