El valor de l'energia eòlica.

Dos equips d'investigadors del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) han demostrat que l'energia eòlica ofereix un valor logístic, econòmic i ambiental als consumidors i les empreses elèctriques des de la costa d'Oregon fins a pobles remots d'Alaska.

En el primer estudi sobre els impactes de l'energia eòlica marina de la xarxa a Oregon, un equip del PNNL va emparellar el potencial de recursos eòlics marí de la costa d'Oregon amb altres fonts d'energia renovables variables, com ara l'eòlica terrestre i la solar. L'estudi va ajudar l'equip a entendre com l'eòlica marina podria servir la demanda d'electricitat a la xarxa de transport d'Oregon i al nord-oest del Pacífic.

En el segon estudi, un altre equip del PNNL va analitzar el valor de les turbines eòliques distribuïdes instal·lades a prop d'on es consumeix l'energia, com ara les llars, empreses i comunitats, per a la petita i allunyada comunitat de St. Mary's, Alaska. Els resultats de l'estudi podrien ajudar a les empreses elèctriques de la viabilitat econòmica per instal·lar generació eòlica en sistemes de microxarxes aïllats similars en altres pobles com St. Mary's. A més, l'estudi va mostrar possibles beneficis econòmics i ambientals per als consumidors d'electricitat del poble.

Energia eòlica a la costa d'Oregon

Els forts vents de la costa d'Oregon  tenen el potencial de produir més de 84 MWh d'energia, suficient per subministrar una part important de l'energia d'aquest estat.

L'estat d'Oregon també ha fomentat noves polítiques d'energia neta,  per reduir i regular les emissions de gasos d'efecte hivernacle;  que també exigeix ​​que les empreses elèctriques reduir les emissions al 100 % a l'any 2040. Per això, s'ha iniciat la planificació de fins a 3 GW de potencia eòlica marina flotant a les aigües federals d'Oregon per al 2030.

També cal afegir l'aturada de les plantes de carbó a la interconnexió que va  des de Oregon, Washington fins  Califòrnia, durant els propers 20 anys. L'augment de l'electrificació dels vehicles i dels edificis, així com el canvi climàtic, que afecta l'estacionalitat de l'energia hidroelèctrica, la eòlica es una font d'energia predominant  que completa les oportunitats per a l'eòlica marina.

En aquest estudi, s'ha utilitzat un marc de valoració desenvolupat per PNNL, com a mètode per avaluar el valor de l'eòlica marina. El marc estava format per una combinació d'atributs històrics eòlics, una comparació de compatibilitat d'altres recursos renovables variables a la regió i els models de costos de producció d'electricitat per crear simulacions amb la finalitat de distribuir recursos de generació elèctrica per a tota la regió.

L'estudi sobre els fluxos de les xarxes de transport elèctriques costaneres i regionals van demostrar que no només el vent marí pot augmentar la fiabilitat de l'electricitat a les zones costaneres d'Oregon, sinó que el desplegament eòlic marí obre la capacitat de transportar energia  a més zones.

Aquesta estratègia podria permetre que la xarxa de transport d'aquest corredor proporcioni més generació a partir de les zones equipades amb forts recursos d'energia renovable.

També es va descobrir que l'eòlica marina coincideix naturalment amb les tendències de les càrrega  horàries a Oregon millor que la generació eòlica a terra, durant les quatre estacions.

També es va demostrar que l'eòlica marina complementa els recursos solars  durant els mesos d'hivern, quan les càrregues augmenten a causa de les calefaccions.

No obstant això, de tots els recursos energètics variables i en totes les estacions de l'any, es va trobar que la millor relació complementària entre els recursos d'energia renovable és als mesos d'estiu.

Vent distribuït en microxarxes per a un servei resilient

El poble remot de St. Mary's, Alaska, acull una població de prop de 700 habitants. El poble es troba a l'oest d'Alaska al llarg del riu Andreafsky, prop de la cruïlla del riu Yukon.

Una font d'electricitat per a aquesta petita comunitat és el gasoil, que és costós per fer arribar als pobles allunyats com St. Mary's. A més, el seu lliurament sovint es  veu afectat pel clima o altres perills.

La central elèctrica amb un motor dièsel, dóna servei no només a St. Mary's, sinó a altres dues comunitats remotes: Pitka's Point i Mountain Village. Les tres microxarxes d'aquest pobles allunyats, tot i que estan connectades conjuntament, estan aïllades de qualsevol xarxa de transport. A una zona propera de Pitka's Point, una turbina d'energia eòlica autònoma amb un generador de 900 kW està connectada a la microxarxa de St. Mary's i reforça el servei als tres pobles. 

La central elèctrica dièsel i la turbina eòlica són propietat i són operats per Alaska Village Electric Cooperative (AVEC).

S'ha trobat que el major benefici per a AVEC és el estalviar el cost del combustible del motor dièsel, que es tradueix en un estalvi de 5,3 milions de US$ durant la vida útil de la turbina. També es va observar  que el valor més gran,  corresponen als beneficis econòmics per a l'estat d'Alaska, sobre la construcció i l'operació i el manteniment de les turbines durant la seva vida útil, estimats en uns 8 milions d' US$.

Un important altre benefici, és la reducció de les emissions de diòxid de carboni derivat de l'ús dels generadors amb un motor dièsel, per un valor de 2 milions d'US$.

No s'ha inclòs el valor d'altres contaminants que s'han evitat, per tant, és probable que hi hagi un valor addicional que no s'ha tingut en compte.

No obstant això,  s'ha trobat que els incentius i les subvencions poden ajudar a reduir els elevats costos inicials que les cooperatives elèctriques com AVEC podrien no tenir muscle financer per fer-hi front. El finançament públic podria ajudar a superar els costos, amb beneficis socials per un total de 9,8 milions d'US$ en comparació dels 5,4 milions d'US$ en ajuts federals i estatals que van estar per finançar el projecte de St. Mary.

Futurs treballs per la valoració eòlica distribuïda, podria ampliar altres aspectes, com ara la resiliència; impactes amb el medi ambient dels sistemes eòlics distribuïts; i l'economia dels sistemes híbrids que utilitzen eòlica, solar i emmagatzematge d'energia .

Font: Més informació: Travis C. Douville et al, Exploring the Grid Value of Offshore Wind Energy in Oregon, Energies (2021). DOI: 10.3390/en14154435

Sarah Barrows et al, Valuation of Distributed Wind in an Isolated System, Energies (2021). DOI: 10.3390/en14216956

Nou catalitzador per obtenir hidrogen.

La crisi climàtica requereix augmentar l'ús de fonts d'energia renovables com és la solar i l'eòlica, però donada la seva naturalesa de disponibilitat variable, l'emmagatzematge d'energia esdevé necessari.  

L'hidrogen, especialment l'hidrogen verd aconseguit des de font de generació  sense carboni, s'ha convertit en una prometedora opció per fer possible el transport amb energia neta i també una alternativa per l'emmagatzematge d'energies renovables com la solar i l'eòlica. Si be és cert  que la seva combustió no provoca emissions de carboni a l'atmosfera, actualment és costós i complex per obtenir-lo. 

Una manera de produir hidrogen verd és mitjançant la divisió electroquímica de l'aigua. Aquest procés consisteix a fer passar l'electricitat a través de l'aigua en presència de catalitzadors (substàncies que milloren la reacció) per produir hidrogen i oxigen. 

Els investigadors de l'Institut de Tecnologia de Geòrgia i l'Institut d'Investigació Tecnològica de Geòrgia (GTRI) han desenvolupat un nou procés que maximitza l'eficiència de la producció d'hidrogen verd, convertint-lo en una opció assequible i accessible per al sector industrial que vol passar-se al consum de hidrogen verd. per fer possible l'emmagatzematge d'energia renovable en lloc de la producció convencional d'hidrogen que emet carboni a partir del gas natural.

Recentment, experts climàtics acorden que l'hidrogen serà fonamental perquè els principals sectors industrials del món assoleixin els seus objectius de zero emissions.  S'espera substituir el gas natural i el carbó, que actualment s'utilitzen per emmagatzemar energia elèctrica a  la xarxa, per hidrogen verd perquè no contribueix a les emissions de carboni, cosa que el converteix en un mitjà més respectuós amb el medi ambient per emmagatzemar electricitat renovable. El focus de la seva investigació és l'electròlisi, o el procés d'utilitzar l'electricitat per dividir l'aigua en hidrogen i oxigen.

Materials menys costosos i més duradors

També es preveu, que l'hidrogen verd sigui menys costós i més durador mitjançant materials híbrids per a l'electro-catalitzador. Avui, el procés es basa en components de metalls nobles cars com el platí i l'iridi, els catalitzadors preferits per produir hidrogen mitjançant electròlisi a gran escala. Aquests elements són cars, cosa que no ajuda a fer possible substituir el gas per energia basada en hidrogen. De fet, l'hidrogen verd va representar menys de l'1% de la producció anual d'hidrogen del 2020, en gran part a causa d'aquesta despesa, segons la firma d'investigació de mercat Wood Mackenzie. 

Aquesta nova proposta, disminuirà l'ús d'aquests metalls nobles, augmentant la seva activitat i les opcions d'utilització.  En una investigació publicada a les revistes  Applied Catalysis B: Environmental and Energy & Environmental Science, es van destacar les interaccions entre les nanopartícules metàl·liques i l'òxid metàl·lic per donar suport al disseny de catalitzadors híbrids d'alt rendiment.  

Es van dissenyar una nova classe de catalitzador on es va trobar un millor substrat d'òxid que utilitza menys elements nobles. Aquests catalitzadors híbrids van mostrar un rendiment superior tant per a l'oxigen com per a l'hidrogen (divisió).

Anàlisi a escala nanomètrica

Si s'utilitzen els raigs X, es pot controlar els canvis estructurals del catalitzador durant el procés de divisió de l'aigua, a escala nanomètrica. Això permet investigar el seu estat d'oxidació o configuracions atòmiques en condicions de funcionament.

Per tant es podria reduir la barrera del cost de l'equip utilitzat en la producció d'hidrogen verd. A més de desenvolupar catalitzadors híbrids, s'ha perfeccionat la capacitat de controlar la forma dels catalitzadors així com la interacció dels metalls. Les prioritats clau van ser reduir l'ús del catalitzador al sistema i, al mateix temps, augmentar la seva durabilitat, ja que el catalitzador representa una part important del cost de l'equip.

Es vol utilitzar aquest catalitzador durant molt de temps sense degradar-ne el rendiment, per això, cal entendre la mecànica de la reacció que hi ha darrere. Es preveu que aquest nou desenvolupament  ajudarà a donar suport a la comprensió fonamental de la reacció de divisió de l'aigua en els catalitzadors.

La forma del catalitzador importa

La forma del catalitzador en la producció d'hidrogen basat en l'estructura superficial del catalitzador és molt important per determinar si és òptim per a la producció d'hidrogen. És per això que s'intenta controlar la forma del catalitzador així com la interacció entre els metalls i el material del substrat.

Algunes de les aplicacions que primer es poden beneficiar serien les estacions d'hidrogen per a vehicles elèctrics de pila de combustible, que avui només operen a l'estat de Califòrnia, i les microxarxes, un nou enfocament comunitari per dissenyar i operar xarxes elèctriques que depenen de garantia del subministrament.

Font: Myeongjin Kim et al, Comprensió de les interaccions sinèrgiques metall-òxid de nanopartícules metàl·liques dissoltes in situ sobre un suport d'òxid de piroclor per millorar la divisió de l'aigua, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/d0ee02935a

Myeongjin Kim et al, El paper dels passos superficials en l'activació dels llocs d'oxigen superficial en nanocristalls d'Ir per a la reacció d'evolució d'oxigen en medis àcids, catàlisi aplicada B: ambiental (2021). DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120834

Informació de la revista: Applied Catalysis B: Environmental , Energy and Environmental Science  

Nou programari per desenvolupar noves cel·les solars.

Nova eina de modelatge per fer cel·les solars i puguin extreure tota l'energia de la llum solar. Aquests simuladors  permeten avaluar com els petits ajustaments de paràmetres com seria l'estructura del dispositiu, els materials utilitzats i el gruix de les diferents capes de material, poden afectar en la potència obtinguda final.

Hi han disponibles diversos simuladors gratuïts de cel·les solars. No obstant, aquestes eines segueixen sent lentes i no permeten optimitzar simultàniament diferents paràmetres de disseny. El nou programari d'un equip d'investigadors del MIT i Google Brain, podria racionalitzar la millora i  fer possible nous dissenys de cel·les solars.

Les tradicionals eines computacionals prenen  com a entrada variables per fer un disseny concret de cel·les solars  i s'obté la potència nominal. Però amb el nou programari, a part d'obtenir resultats, també mostren com canviaria l'eficiència si es  modifiquen algun dels paràmetres d'entrada de manera que, es possible canviar contínuament els paràmetres d'entrada  i veure un gradient de com canvia la sortida.

Això redueix el nombre de vegades que cal executar aquestes simulacions que requereixen molt de temps. Només fent una simulació,  automàticament s'obté tota la informació que cal. Aquest nou programari, s'ha anomenat simulador de cel·les diferenciables solars el qual ha estat  publicat en un article a la revista Computer Physics Communications.

Les cel·les solars comercials tenen eficiències de llum a electricitat que queden per sota dels valors teòrics màxims dels dispositius. Els simuladors de cel·les solars permeten entendre com els factors físics per exemple conseqüència dels defectes de materials, afecten el rendiment final de les cel·les solars. Els simuladors ja han ajudat a millorar les tecnologies fotovoltaiques comunes, com ara les cel·les de pel·lícula prima a base de cadmi i les cel·les de perovskita.

Hi ha dues maneres en què la nova eina hauria d'ajudar al desenvolupament de cel·les solars. El primer és l'optimització. Per exemple, suposar un fabricant vol fer una cel·la solar d'alt rendiment però no coneix l'efecte del material que absorbeix la llum sobre l'eficiència general, llavors, normalment hi ha un òptim gruix per a aquesta capa de material  que es la que crearà la majoria de portadors de càrrega a partir de la llum que absorbeix. El programari ajuda a definir el paràmetre òptim que maximitzi l'eficiència.

De manera similar, el programari es podria utilitzar per avaluar valors òptims per a altres variables, com ara la quantitat de dopatge de les capes de material, el bandgap o la constant dielèctrica de les capes aïllants.

Aquest programari , també ajuda a l'enginyeria inversa d'una determinada cel·la solar. En aquest escenari, es possible mesurar la corba IV, la funció que dóna corrent per a cada voltatge, d'una cel·la solar i emparellar aquestes mesures experimentals mitjançant el simulador. A partir de les dades, el programari pot ajudar a calcular els valors de paràmetres específics del material que fins ara, es desconeixen.

Aquest és el primer simulador de codi obert que combina xarxes neuronals. El paquet de programari es troba a GitHub, cosa que hauria de facilitar que qualsevol pugui utilitzar-lo i fer millores.

Es possible combinar-ho amb algorismes propis d'optimització o un sistema de deep learning. Això hauria d'accelerar el desenvolupament de cel·les solars més eficients permetent una ràpida avaluació d'una gran varietat de possibles materials i estructures de dispositius.

Font:  Prachi Patel

Energia geotèrmica per transformar el sector de la calefacció.

Es preveu que la meitat dels sistemes de calefacció, a l'any 2030 provindrà de fonts climàticament neutres. L'energia geotèrmica pot contribuir per assolir aquest objectiu, ja que garanteix un subministrament energètic estable i independent de la climatologia i necessita poc espai en zones poblades. 

Un full de ruta realitzat per l'Associació Helmholtz, Institut Tecnològic de Karlsruhe (KIT) i la Societat Fraunhofer, mostra que l'energia geotèrmica té un potencial mercat a Alemanya i que el seu ús podria cobrir més d'una quarta part del consum anual de calor d'Alemanya. (més de 300 TWh). 

Per assolir l'objectiu de més de 300 TWh, cal més desenvolupament tecnològic. El desenvolupament de les últimes eines de monitorització i anàlisi, proporcionaran coneixements que tindran una importància crucial per a l'ús segur i ecològicament sostenible de l' energia geotèrmica i altres recursos subsuperficials.

Sense l'energia geotèrmica, la descarbonització del sector de la calefacció d'Alemanya serà impossible. El potencial natural de calor subterrani, està disponibles a la majoria de les zones urbanes. El desenvolupament sostenible per l'ús de l'energia geotèrmica, és una inversió per a les ciutats. 

Els laboratoris de recerca com GeoLaB, són importants per millorar la comprensió física, química i biològica bàsica de llocs amb propietats geològiques similars. Hi ha fonts locals  de calor subterrània i potencials sistemes d'emmagatzematge a àmplies zones d'Alemanya. En els espais urbans, caldria equilibrar la demanda i l'oferta local. Per això, s'està desenvolupant  la tecnologia d'emmagatzematge requerida a les instal·lacions de DeepStor. Un element essencial és el concepte de calefacció regional desenvolupat en cooperació amb els ciutadans.

És fonamental la digitalització i els anàlisis de sistemes geotèrmics. Entre d'altres, s'està estudiant conceptes com el digital twin  i la virtualització per replicar digitalment sistemes naturals i tècnics de la manera més realista possible. D'aquesta manera, els sistemes geotèrmics es poden optimitzar tècnicament, la seva eficient integració, per això, cal  informació necessària sobre els subministraments de calor geotèrmic, sobre la diversitat del mercat de la calefacció i sobre la implementació tècnica d'una transformació del sector de la calefacció. A més, calen accions per promoure l'ús de l'energia geotèrmica per al subministrament de calor climàticament neutre.

A continuació, venen cinc recomanacions per ampliar l'ús de l'energia geotèrmica per al mercat de  calefacció a Alemanya:

Clars objectius d'expansió: les administracions haurien de definir clars objectius d'expansió, acompanyats de la legislació i els estatuts corresponent.

Compensació de riscos per a empreses i municipis: Les petites i mitjanes empreses, com ara les empreses de serveis municipals, participen al mercat de la calefacció. Poden suportar riscos econòmics, com ara l'exploració de fonts d'energia geotèrmica d'una manera limitada. En conseqüència, es necessiten eines financeres per compensar el risc, com podrien ser les assegurances.

Inversions en tecnologies clau: per augmentar el nombre de plantes d'energia geotèrmica, cal invertir en tecnologies que inclouen mètodes de perforació, gestió de dipòsits, bombes d'aigua de forat, bombes de calor d'alta temperatura, sistemes d'emmagatzematge de calor a gran escala, xarxes de calor transmunicipals i integració de sistemes intersectorials.

Educació i formació de treballadors qualificats: la creixent indústria de l'energia geotèrmica crea llocs de treball en el desenvolupament tecnològic, la planificació i la producció, així com en la construcció i operació de plantes per una quantitat d'entre cinc i deu llocs de treball equivalents a temps complet per megawatt de potència instal·lada. 

Diàleg amb els ciutadans: Gestionar els reptes de la societat requereix l'acceptació de la societat. Per tant, els agents municipals necessitaran més que estratègies de gestió empresarial i enginyeria. Es requeriran models ciutadans energètics, estratègies de comunicació municipals i projectes transparents per portar a tots els agents locals en el camí cap a la transformació del sector de la calefacció regional.

El sector de la calefacció representa el 56% de la demanda nacional d'energia. Només un 15 % de la calor es basa en fonts regeneratives. L'atenció se centra en els embassaments hidrotermals, és a dir, roques termals que contenen aigua a una profunditat d'entre 400 i 5000 metres. Dels pous tan profunds es poden extreure aigües geotèrmiques amb temperatures que oscil·len entre els 15ºC i els 180 ºC. Estan disponibles independentment de l'estacionalitat i l'hora del dia. Es poden utilitzar especialment per a la calefacció local i urbana i fins i tot per a processos de baixa temperatura a la indústria. La tecnologia és madura i s'ha utilitzat durant dècades a moltes ciutats europees, com París i Munic.

L'energia geotèrmica hidrotèrmica —combinada amb bombes de calor— com a font de calor per a les xarxes de calefacció urbana podria cobrir al voltant d'una quarta part de la demanda total de calor d'Alemanya, teòricament al voltant de 300 TWh anual amb una capacitat de 70 GW instal·lada. Per comparació: en el 2020, 42 plantes van subministrar 359 MW de capacitat tèrmica instal·lada i 45 MW de capacitat elèctrica a Alemanya.

Font: Institut de Tecnologia de Karlsruhe 

Micromobilitat i clima.

Els patinets i bicicletes elèctriques, cada dia és veuen més en les ciutats i pobles, alhora són una font d'esperança i un repte.

La micromobilitat compartida que permet als usuaris llogar i compartir aquests patinets i bicicletes elèctriques es considera generalment solucions de mobilitat respectuoses amb el clima que alleugen el trànsit urbà i contribueixen als objectius de reducció de CO2 . Tanmateix, les ciutats s'enfronten cada cop més al repte d'integrar adequadament aquestes flotes de microvehicles que estan experimentant un ràpid creixement.

Possiblement fins ara, ha mancat una visió. Es sap poc sobre com la gent utilitza aquests serveis, fins ara no estava clar com aquestes bicicletes i patinets elèctrics de moda contribueixen realment a reduir les emissions urbanes de CO2.

Anàlisi de cicles de vida i comportament dels usuaris.

Un recent estudi, ha analitzat per primera vegada quin impacte tenen aquests nous mitjans de transport sobre el clima. Un aspecte especialment notable de l'estudi és que els investigadors no només van considerar les emissions de CO2 al llarg del cicle de vida de la producció, l'operació i el manteniment, sinó també els patrons de substitució.

Fer servir scooters i bicicletes elèctriques, a primera vista sembla respectuós amb el clima perquè no s'utilitzen motors de combustió interna. Però pel que fa a la seva petjada de carboni, el mitjà de transport que solen substituir és, en última instància, el que importa.

La propietat és millor pel clima

La investigació, va demostrar que les scooters i les bicicletes elèctriques compartides a la ciutat de Zuric substitueixen principalment els modes de transport més sostenibles: caminar, transport públic i anar en bicicleta. Això vol dir que emeten més carboni que els mitjans de transport que substitueixen. En la forma en què s'utilitzen actualment, les scooters i bicicletes elèctriques compartides fan més mal que bé al clima.

Una imatge diferent sorgeix en el cas dels patinets i bicicletes elèctriques privades, que substitueixen els desplaçaments en cotxe amb molta més freqüència i produeixen, per tant, menys emissions de CO2 que els mitjans de transport que substitueixen. Per tant, la micromobilitat privada redueix les emissions de CO2 i, en definitiva, beneficia el clima.

Modelització de l'elecció del mode de transport

Per tal de determinar l'impacte en el clima de les opcions de micromobilitat elèctrica compartides i privades, cal entendre com els usuaris trien entre compartir serveis i modes de transport convencionals.

Per fer-ho, es van recollir dades de posició, reserves i dades d'enquesta de 540 participants voluntaris per l'estudi a la ciutat de Zuric durant un període de tres mesos i es van reconstruir uns 65.000 viatges amb vuit mitjans de transport. A continuació, es van afegir dades contextuals sobre el temps i les opcions de mobilitat disponibles. D'aquesta manera, es va desenvolupar el primer model d'aquest tipus per mostrar com la gent tria entre mitjans de transport, incloent micromobilitat compartida, transport públic i opcions de transport privat convencional.

Una base per a la planificació del transport

El coneixement de com la gent tria entre els diferents modes de transport és rellevant per als planificadors. La majoria dels anteriors estudis, es van basar únicament en enquestes d'usuaris i, de vegades, cal suposar taxes molt hipotètiques de substitució dels viatges en cotxe per calcular la possible reducció de CO2.

Aquest estudi, va examinar les preferències dels usuaris amb molta més precisió i va incloure els paràmetres necessaris per modelar de manera realista els patrons de micromobilitat en simulacions de trànsit. Per primera vegada, això va permetre una base tècnicament sòlida per a la previsió i discussió de l'impacte climàtic d'aquests nous modes de transport.

Així, la poca petjada de carboni dels vehicles de micromobilitat compartida va en contra de la saviesa convencional que “compartir és cuidar”, és a dir, que compartir protegeix el medi ambient. Això pot ser cert en molts àmbits; sens dubte compartir és un bon principi bàsic. Però en el cas de la micromobilitat i el seu impacte climàtic, sembla que és al revés. És poc probable que Zuric sigui una excepció aquí: els autors suggereixen que els resultats són aplicables a la majoria de ciutats europees amb una bona infraestructura de transport públic.

Valor afegit per a la mobilitat urbana

Els resultats són una crida als proveïdors d'aquest tipus de serveis perquè millorin els seus sistemes i operacions. Per a les ciutats, l'estudi també ofereix orientacions sobre com aquestes noves opcions de mobilitat es poden integrar i regular de manera eficaç. Les autoritats que vulguin reduir les emissions de CO2 relacionades amb el transport podrien integrar la micromobilitat compartida amb el transport públic de manera més eficaç i donar suport als desplaçaments per la micromobilitat privada.

A més, els planificadors del transport també podrien treballar amb els proveïdors per trobar maneres de mobilitzar millor el potencial de compartir serveis per reduir les emissions de CO2 i substituir els cotxes. Idealment, les scooters i bicicletes elèctriques compartides ampliarien l'àrea de captació del transport públic, permetent als viatgers als districtes perifèrics recórrer l'última milla i ajudar a reduir les càrregues punta durant les hores punta. 

Font: Daniel J. Reck et al, Mode choice, substitution patterns and environment impacts of shared and personal micro-mobility, Transportation Research Part D: Transport and Environment (2021). DOI: 10.1016/j.trd.2021.103134

Les reaccions químiques que milloren l'eficiència d'emmagatzematge d'energia.

Una  recent investigació proposa una manera de millorar l'eficiència d'un tipus d'emmagatzemament per la xarxa elèctrica de distribució per fer possible una transició global cap a les energies renovables.

Avançar cap a les emissions netes de CO2, significa tractar la naturalesa intermitent i impredictible de les fonts d'energia verda com són l'eòlica i la solar i també superar els desajustos entre l'oferta i la demanda. Aquests reptes, necessiten l' emmagatzematge d' energia a través de mitjans que van més enllà de les centrals de bombeig hidroelèctriques.

Un estudi basat en la modelització informàtica, ha permès trobar que les tecnologies d'emmagatzematge basat en aire comprimit,  podria millorar el seu rendiment mitjançant reaccions químiques.  Les reaccions reversibles poden absorbir energia en forma de calor i, posteriorment, conservar l'energia que es perdria. Aquest resultats han estat publicats al Energy Conversion and Management.

Les tècniques d'aire líquid i comprimit aprofiten l'energia a la qual es pot accedir quan sigui necessari permetent que l'aire emmagatzemat, ja sigui a pressió o refredat a una forma líquida, s'expandeixi i passi a través de turbines que tinguin acoblats generadores d'electricitat.

No obstant això, tant el CAES, que és com  s'expressa l'emmagatzematge d'energia d'aire comprimit i  LAES,  per l'aire líquid, no mostren  una bona eficiència d'anada i tornada ja que, aproximadament, només es pot extreure la meitat de l'energia introduïda.

Un avantatge de CAES és que permet emmagatzemar energia a gran escala, cosa que és una limitació  per a les tecnologies de bateries electroquímiques i també ha de millorar l'eficiència de les conversions 'anada i tornada.

En un procés convencional CAES, l'electricitat s'utilitza per comprimir l'aire i l'aire comprimit s'emmagatzema sota terra en una cavitat natural o en un recipient a pressió. Quan l'aire es comprimeix, la seva temperatura augmenta, però aquesta calor normalment es considera un residu i, per tant, no es recupera ni s'utilitza.

Per descarregar l'aire i produir energia, normalment s'escalfa amb gas natural per augmentar l'entalpia d'alimentació de la turbina. Tenint en compte la pèrdua de calor durant l'emmagatzematge, el resultat és que l'eficiència global d'anada i tornada (la relació entre el treball de sortida de la turbina i el treball consumit mitjançant la compressió) només està entre el 40 % i el 50 %.

Gràcies a la millora d'aquest esquema per optimitzar aquesta eficiència gràcies a recuperar la calor parduda termo-químicament, s'ha obtingut un avantatge de l'emmagatzematge d'energia termoquímica, o TCES, respecte d'altres mètodes, com és una densitat d'energia més gran gràcies a la captura de calor en forma d'enllaços químics.

Utilitzant aquest model es va analitzar el rendiment del TCES incorporat a l'emmagatzematge d'energia tèrmica mitjançant  recipients ( alumini, ceràmica o roca) plens, on l'energia arriba al sòlid mitjançant un fluid de transferència de calor com l'aire. Aquest recipients, es classifiquen en virtut del canvi de temperatura del material del recipient.

Els resultats dels recipients TCES amb roques i òxid de bari,  va mostrar una eficiència similar d'anada i tornada entre el dipòsits amb TCES i dipòsits sense a causa, de la relativa baixa capacitat de la reacció dels òxids de bari. Es va aconseguir al 60 % d'eficiència d'anada i tornada per als dos sistemes amb una durada de 20 hores que inclou el temps d'emmagatzematge després de la càrrega. Altres mitjans d'emmagatzematge tèrmic no poden emmagatzemar la calor durant llargs períodes de temps ja que es refreden.

És important, que amb el material TCES col·locat a sobre dels dipòsits, hi hagi una temperatura d'entrada d'aire de la turbina més estable, més alta durant més temps, que és clau per a una generació d'energia òptima. El model mostra que amb futurs materials avançats, l'eficiència d'anada i tornada i el temps d'emmagatzematge també podrien millorar.

Per il·lustrar millor el potencial del concepte, gràcies a un hipotètic material amb la mateixa capacitat calorífica que les roques però una capacitat d'emmagatzematge termoquímic tres vegades superior a la dels òxids de bari, els resultats van mostrar que es podria obtenir una potencial millora de l'eficiència d'anada i tornada de més d'un 5 %, així com terminis d'emmagatzematge més llargs. A més, caldria un 45 % menys del volum de recobriment per aconseguir una capacitat d'emmagatzematge similar als dipòsits de roques.

La química del bari en què es basava el model inicial era la més òbvia inicialment, però que té el inconvenient de la baixa capacitat de calor.

Hi ha químics no oxigenats com els hidrats i els carbonats que tenen les propietats hipotètiques (alta capacitat tèrmica, gran calor de reacció) que s'han estudiat, però ara mateix no s'han identificat cap per a un material redox que funcioni amb el canvi d'oxigen. Possiblement, el següent pas seria intentar descobrir nous materials.

Font:  Oregon State University College of Engineering.

Fuqiong Lei et al, Thermochemical heat recuperation for compressed air energy storage, Energy Conversion and Management (2021). DOI: 10.1016/j.enconman.2021.11488.

Una guia del Codi Nacional de Seguretat Elèctrica de 2023

Des de 1914, el Codi Nacional de Seguretat Elèctrica (CNSE) ha estat un estàndard de referència per a les empreses elèctriques i de telecomunicacions. Aquest,  s'actualitza cada cinc anys de manera que l'edició de 2023, de l'1 d'agost de 2022, entrarà en vigor l'1 de febrer de 2023.

Les actualitzacions del CNSE protegeixen millor els treballadors, el públic i les instal·lacions durant la instal·lació, l'operació i el manteniment dels subministraments d'energia i comunicacions. Les revisions estan dissenyades per ajudar el codi a seguir sent rellevant a mesura que es comencen a utilitzar noves tecnologies i es descobreixen maneres de treballar més segures.

Editat i publicat per l'IEEE Standards Association i aprovat per l' American National Standards Institute, el CNSE ha contribuït als principals codis de seguretat elèctrica a la majoria dels estats, territoris i bases militars dels EUA; el Carib; i altres entitats i països d'arreu del món.

No s'ha de confondre amb el Codi elèctric nacional , que aborda principalment el cablejat interior d'habitatges i empreses, el CNSE se centra en les línies exteriors que es connecten a habitatges i empreses, les estacions de subministrament elèctric i les plantes de telecomunicacions i les seves estructures aèries i subterrànies.

Font:  Associació d'estàndards IEEE

La intel·ligència distribuïda aplicada a les xarxes intel·ligents elèctriques.

La qualitat de servei, és l’única constant que es manté en el nou paradigma energètic que ja està en el sector elèctric per fer possible la transició energètica. La transformació de la xarxa elèctrica passa de ser gestionada de forma centralitzada a una explotació molt més horitzontal i distribuïda per resoldre aleatorietat dels fluxos elèctrics motivats per una forta penetració de les fonts energètiques distribuïdes (DER) i el vehicle elèctric (VE).

Tot això, fa que la transició de la xarxa adquireixi una velocitat mai imaginada. Per tant cal que el sector de la distribució elèctrica es repensi per posar en valor nous actius basats en electrònica de potència per enfortir el seu rol i la neutralitat en els mercats. Llavors, l’augment de la penetració de les DER i altres actius com són les bateries, els vehicles elèctrics  i els  milers de dispositius intel·ligents, posen de manifest la necessitat de traslladar la intel·ligència digital al gridedge  per connectar-se amb els dispositius intel·ligents que estaran emplaçats en aquesta part de la xarxa elèctrica. A mesura que el sector avança cap a una xarxa més intel·ligent, flexible i avançada, la intel·ligència del gridedge cada vegada esdevindrà més crítica.

El NetworkWorld, defineix al edgecomputing com allò què permet que les dades produïdes pels dispositius de la internet de les coses (IoT), es processin més a prop del lloc que es generen en lloc d'enviar-los a través de llargs recorreguts perquè arribin a centres de dades i núvols per la seva computació.

Certament, el que es necessita per la gestió elèctrica és complicat però, hi han dues coses clares.

1.- La constant que ha tingut el sector:

- La qualitat de servei, 

- El disseny d’una xarxa elèctrica centralitzada

- Amb fluxos direccional.

2.- Per molt complex que sigui el concepte d’intel·ligència al gridedge, no és impossible.

Els recursos energètics distribuïts (DER) estan penetrant amb força en el marc operatiu del sector industrial  i les fonts solar-fotovoltaica a les teulades de les llars. També,  les aplicacions avançades amb bateries juntament amb la proliferació dels dispositius intel·ligents i els vehicles elèctrics,  accentuen la realitat sobre que les distribuïdores tindran i de fet tenen, la responsabilitat de gestionar tots els aspectes de la xarxa des de qualsevol lloc i en qualsevol moment.

No és difícil entreveure que la necessitat de traslladar la intel·ligència digital al gridedge,  anirà a més. Però,  no només caldrà connectar-se amb dispositius intel·ligents, sinó què fins i tot caldrà identificar i comunicar-se amb els dispositius dels clients  que estan a l'altre costat del comptador.

El gridedge, te a veure amb la ubicació de la xarxa elèctrica en relació amb els seus clients, distribuïdors, agregadors, comercialitzadors, generadors. Llavors aquests punts de interacció, esdevenen com a variables que depenen de la demografia i la topografia del sistema, així com del perfil de càrrega i de l’adopció de tecnologia. Tot això canvia ràpidament en funció del temps.

Com es pot entreveure, l’arquitectura de la xarxa, és cada cop més complexa de manera què, les solucions intel·ligents disponibles, passen per canviar des d’un sistema d’intel·ligència centralitzada, a un sistema d’intel·ligència distribuïda i també, un sistema que combini ambdós.

Sistema intel·ligència centralitzada: Bàsicament consisteix en l’ús de dispositius més senzills per comunicar mitjançant protocols tradicionals  com seria IEC 60870 què va ser dissenyat per a la monitorització dels sistemes d'energia, sistemes de control i les seves comunicacions associades. Per això es necessiten comunicacions fiables per tal d’augmentar la fiabilitat.

Sistema intel·ligència distribuïda: Utilitza dispositius més complexos al gridedge conjuntament amb analítiques i comunicacions que poden facilitar un canvi de velocitat més ràpid i millorar substancialment la velocitat de reacció. 

Les analítiques del gridedge, solen contenir una lògica més codificada i una perspectiva reduïda del sistema. Els avantatges d’aquesta opció inclouen la velocitat, fins i tot si les comunicacions es veuen compromeses o es tallen. És important que el maquinari al gridedge de la xarxa sigui adequat.

Sistema híbrid: Es basa en solucions avançades de gestió de distribució, com seria un Advanced Distribution Management System (ADMS) i la intel·ligència  al gridedge. Quan l'objectiu és proporcionar dades de qualitat per la presa de decisions, es post trobar un compromís equilibrat amb la necessitat de més supervisió vers la necessitat d'una inversió elevada. És possible que un sistema d’intel·ligència distribuïda amb analítiques basades en gridedge, hagi de transmetre moltes dades importants, això, comporta necessitats de més amplada de banda per tant, un sistema d’informació híbrid, pot ser més ràpid i eficaç.

Visió general de la intel·ligència de la futura xarxa elèctrica

No es pot considerar que el gridedge sense tenir en compte la convergència dels entorns IT / OT, ja que es passa a una xarxa d’àrea de camp gestionada per un únic equip enfront dels múltiples grups i tecnologies que actualment existeixen. Cal tenir cura de perfeccionar els protocols de manteniment i resolució de problemes que s’apliquen a la distribució i adaptar els processos i procediments dels distribuïdors amb l’ADMS i els dispositius de gridedge.

No serà estrany, requerir un nou i més ampli grup de competències que afecti les als diferents treballadors de les distribuïdores que inclouen, els equips d’explotació, enginyeria i els centres de control. Aquest nou entorn requerirà una nova col·laboració en diversos camps,  de manera que donarà lloc a una major agilitat entre aquells grups que tenen responsabilitats crítiques en el camp de l’energia.

Les avançades xarxes de comunicació, són fonamentals per permetre la intel·ligència al gridedge. Per això, s’hauran de dissenyar tenint en compte la possibilitat de noves i innovadores aplicacions. Els distribuïdors, podrien prioritzar millor les seves necessitats del present mirant cap al futur. 

No cal dir que la ciberseguretat també és fonamental per a qualsevol estratègia de la xarxa elèctrica, però la realitat, és que hi ha camí  perquè cal normalitzar l’adopció de les mesures de ciberseguretat més comunes als sistemes informàtics, com serien:

- Conceptes simples que inclouen controls d’usuari, 

- Controls de contrasenya, 

- Encriptació,

- Controls de registre. 

En definitiva, cal un compromís global amb la seguretat sobre tot, de l’entorn OT.

Per acabar, esmentar que els distribuïdors, agregadors, comercialitzadors i generadors, amb grans projectes d’inversió, tenen poques raons per les quals la intel·ligència d’avantguarda no es pugui aplicar als projectes existents, tant per al benefici d’aquestes organitzacions com dels seus clients.

Ramon Gallart.

Cremar amoníac a les centrals de carbó.

Japó té com a objectiu assolir les emissions netes de gasos d'efecte hivernacle l'any 2050. Una de les maneres en què el Japó té previst aconseguir-ho és cremar amoníac juntament amb carbó a les seves centrals elèctriques de carbó.

L'amoníac es fa combinant hidrogen i nitrogen. Quan l'amoníac es crema per obtenir energia, el procés no produeix diòxid de carboni (CO₂) i, per tant, ofereix potencial al Japó per reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle.

Austràlia està ben situada per convertir-se en un proveïdor clau global d'amoníac. Però els beneficis climàtics del canvi del Japó dependran de com es produeix l'amoníac a Austràlia.

El valor de les exportacions de carbó tèrmic d'Austràlia al Japó va assolir uns 7.000 milions de dòlars australians en el 2020, el 40% del valor total de les exportacions de carbó tèrmic aquell any.

Per assolir aquest objectiu, s'ha compromès a reduir les emissions en un 46%  en el 2030 en comparació amb el 2013. El sector energètic representa, amb diferència, la part més gran de les emissions del Japó. L'exercici 2020, el carbó tèrmic va proporcionar al voltant del 31% de l'electricitat del Japó. Per reduir les emissions d'energia, intenta eliminar gradualment les centrals de carbó ineficients. A més, s'està movent per cremar amoníac juntament amb carbó a les altres plantes.

Proves en pilots  realitzats al Japó, han demostrat la viabilitat d'una barreja de combustió de carbó amb un 20% d'amoníac. L'operador de centrals elèctriques més gran del Japó, JERA, està invertint ara en un projecte per demostrar la viabilitat d'una barreja d'amoníac al 50%. 

Com es fa l'amoníac?

Que l'ús d'amoníac ajudi a fer front al canvi climàtic depèn de com s'elabora. Actualment, l'amoníac es produeix a escala industrial combinant hidrogen i nitrogen mitjançant l'anomenat procés "Haber Bosch". Actualment, l'hidrogen utilitzat en aquest procés es produeix normalment a partir de gas mitjançant un mètode que allibera molt CO₂.

L'hidrogen també es pot produir amb electròlisi alimentada per electricitat  de fonts renovables, creant el que es coneix com a hidrogen "verd". Aquest procés és actualment més car que el mètode del gas.

Si s'utilitza energia renovable per alimentar els processos que extreuen nitrogen de l'aire i el combinen amb hidrogen, llavors es pot produir amoníac fet amb hidrogen verd amb una intensitat d'emissions propera a zero.

Els abundants recursos energètics d'Austràlia i les relacions comercials existents fan que Austràlia podria convertir-se en un important proveïdor d'amoníac als països que descarbonitzen les seves fonts d'energia. A Austràlia, l'amoníac es fa principalment a partir de combustibles fòssils. Això va provocar 2 milions de tones d' emissions de gasos d'efecte hivernacle el 2019.

No obstant això, hi ha projectes en marxa per injectar hidrogen verd a les instal·lacions existents, i altres que busquen produir amoníac verd a escala. També s'estan desenvolupant projectes per fer amoníac a partir de gas, on es capturen i emmagatzemen les emissions de carboni.

En cremar amoníac a les plantes de carbó , el Japó reduirà les seves emissions nacionals. Es calcula que substituir el 20% del carbó cremat per amoníac, evitaria emetre 40 milions de tones de CO₂ a l'any.

Però, què passa si el Japó crema amoníac fet a Austràlia a partir d'hidrogen basat en combustibles fòssils? En aquest cas, les emissions alliberades a Austràlia per produir l'amoníac realament cancel·laran l'estalvi d'emissions realitzat al Japó. Les emissions es transferirien simplement entre nacions, sense cap benefici per al planeta.

Algunes emissions produïdes a Austràlia es podrien evitar mitjançant la captura i emmagatzematge de carboni (CCS). No obstant això, la viabilitat d'aquesta tecnologia està en dubte. I encara s'alliberaria CO₂  a causa de les emissions que s'escapen durant el procés de producció.

És evident que només la producció d'amoníac alimentada amb energies renovables reduirà les emissions de CO₂ tant al Japó com a Austràlia. Val la pena assenyalar que sota l'escenari descrit anteriorment, la reducció de les exportacions de carbó tèrmic al Japó comportaria una caiguda de les emissions de la mineria de carbó a Austràlia.

S'estima una reducció de les emissions  d'entre 1 i 10 milions de tones cada any per al 2030, suposant una reducció de les exportacions de carbó al Japó. Aquesta caiguda compensaria les emissions creades per la instal·lació de l'energia renovable necessària per impulsar la producció d'amoníac neta a Austràlia.

Què fer?

Sota l'actual sistema d'informes d'emissions nacionals, no hi ha cap incentiu perquè el Japó compri amoníac més car i sense emissions d'Austràlia o d'altres llocs. Per tant, si el comerç internacional d'amoníac creix, els governs nacionals han d'introduir polítiques per reduir les emissions al llarg de la cadena de subministrament d'amoníac.

A  Austràlia, això podria significar un objectiu nacional d'emissions més dur i un full de ruta detallat que estableixi com arribar-hi, per dificultar que les empreses inverteixin en una nova producció d'amoníac contaminant.

Però això no impedirà que els operadors de centrals elèctriques del Japó comprin amoníac d'altres països si és més barat. Per tant, és evident que cal algun tipus de cooperació internacional. Això podria venir en forma de certificació, similar a la que s'està desenvolupant actualment per a l'hidrogen. En el cas de l'amoníac, la certificació indicaria als consumidors quants gasos d'efecte hivernacle s'han emès durant la fase de producció.

I també s'han d'establir incentius per garantir que els compradors triïn amoníac de baixes emissions. Això pot implicar transferir les reduccions d' emissions del registre de gasos d'efecte hivernacle d'un país a un altre, un mecanisme discutit a la recent conferència sobre el clima COP26 a Glasgow.

Font: The Conversation