Flexibilitat d'energia elèctrica.

Quan la demanda d'energia supera l'oferta, el sistema elèctric col·lapsa. És evident que equilibrar l'oferta i la demanda és fonamental per a un  sistema elèctric  estable i funcional.

Llavors, es pot mantenir l'oferta i la demanda equilibrades amb l'augment de la generació distribuïda? Hi han diferents possibilitats. Una, és invertir de la mateixa manera que s'ha fet fins ara i construir una gran  infraestructura centralitzada. Això significaria instal·lar grans quantitats d'emmagatzematge d'energia, com ara grans bateries, invertir en centrals de bombeig hidroelèctriques reversibles, per emmagatzemar l'excés d'energia renovable que es genera quan no hi ha demanda, i interconnectar aquest emmagatzematge amb línies de transport d'alta tensió, de manera que l'oferta pugui satisfer la demanda. De fet, la Xina és líder en aquesta aposta, però certament,  és molt car i requereix d'una aposta política.

Hi ha una millor manera de fer i aquesta, passa per en comptes de fer créixer desmesuradament la infraestructura de la xarxa elèctrica, es podria coordinar la demanda en temps real per adaptar-se a l'oferta, que és cada cop més variable. L'analogia amb les xarxes de telecomunicacions fonamentada en la paquetització i la aleatorietat, fa possible  crear un sistema que podria coordinar l'energia distribuïda. Aquests conceptes, permeten que milions d'usuaris i milers de milions de dispositius es connectin a Internet sense cap programació ni control centralitzat.

La mateixa idea bàsica,  podria funcionar a la xarxa elèctrica. Utilitzant connectivitat de baix ample de banda i petits controladors que executin algorismes senzills que permetria utilitzar milions de dispositius elèctrics per equilibrar el flux d'electricitat a la xarxa elèctrica.

La demanda d'electricitat prové de moltes càrregues elèctriques. Aquestes es poden agrupar en dues  categories: 

1.- Càrregues comercials i industrials

2.- Càrregues residencials.

De les dues, les càrregues residencials estan molt més disperses de manera què totes aquestes càrregues (televisor, neveres, rentavaixelles, climatització, etc. ) juntament amb els carregadors de vehicles elèctrics poden ser  càrregues flexibles. A diferència del que passa amb la il·luminació o un televisor, hi han altres càrregues com seria un escalfador elèctric d'aigua, un congeladors que podrien  flexibilitzar el seu consum elèctric. És a dir, col·lectivament, hi ha molta flexibilitat de les càrregues elèctriques residencials que es podrien utilitzar per ajudar a equilibrar la variabilitat de la generació. Per exemple, si en un país com Espanya cada llar disposés d'un sol dispositiu que pogués consumir energia de manera flexible, s'obtindrien valors de potencia, entesa com a capacitat disponible, d'alguns MW.

Això és el que significa la flexibilitat quan, per exemple, tracta d'operar un escalfador elèctric d'aigua. Un petit escalfador elèctric te una potencia d'uns 2,5 kW. En el transcurs d'un dia normal, l'aparell està encès aproximadament una desena part del temps. Per reduir la demanda durant els períodes punta, calen programes de resposta a la demanda que  permetin controlar els escalfadors d'aigua, els aparells d'aire condicionat, etc. 

Tanmateix, si l'objectiu és equilibrar la xarxa en temps real, ja que la generació renovable flueix de manera imprevisible en funció del vent i el sol, no n'hi ha prou amb operar dispositius segons un calendari fix basat en el comportament del passat. Cal un enfocament més sensible, que vagi més enllà de la simple reducció de la demanda punta i ofereixi altre avantatges que millorin la fiabilitat de la xarxa, com ara la capacitat de resposta als preus, mitigar la generació renovable i la regulació de la freqüència.

Si és possible coordinar molts dispositius distribuïts i flexibles a nivell de kW, cadascun d'ells amb les seves pròpies necessitats i requisits, seria possible oferir un recurs agregat de MW que respongui a la variabilitat? Això porta a comparar un altre domini: els sistemes de comunicació digital.

Els sistemes digitals representen la veu, un correu electrònic o un videoclip com una seqüència de bits. Quan aquestes dades s'envien a través d'un canal, es divideixen en paquets. A continuació, cada paquet s'encamina de manera independent a través de la xarxa fins a la destinació prevista. Un cop han arribat tots els paquets, les dades es reconstrueixen a la seva forma original.

Seguint amb l'analogia, moltes persones i molts dispositius utilitzen Internet cada dia. Els usuaris tenen els seus dispositius, les necessitats i patrons d'ús individuals —que es podrien considerar com a demanda—, mentre que la pròpia xarxa te dinàmiques associades amb el seu ample de banda —el seu subministrament, en altres paraules. No obstant això, la demanda i l'oferta a Internet es combinen en temps real sense cap programador centralitzat. Així mateix, milers de milions d'aparells elèctrics, cadascun amb la seva pròpia dinàmica, s'estan connectant a la xarxa elèctrica, el subministrament de la qual és, cada cop més variable.

Aquesta similitud, porta a una gestió d'energia en paquets per coordinar l'ús d'energia dels dispositius flexibles. 

Tornant a l'escalfador d'aigua elèctric, i sota un funcionament convencional, l'escalfador d'aigua està controlat pel seu termòstat. Aquest,  s'encén quan la temperatura de l'aigua arriba a un límit inferior i funciona contínuament (a 2,5 kW) durant 20 ó 30 minuts, fins que la temperatura de l'aigua arriba al límit superior. 

En base a la gestió d'energia per paquets, cada càrrega podria funcionar de manera independent i amb unes regles de control  senzilles. En lloc d'escalfar només quan la temperatura de l'aigua arriba al seu límit inferior, un escalfador d'aigua sol·licitaria periòdicament consumir un "paquet" d'energia, on un paquet es defineix com un consum d'energia durant un curt període de temps curt, per exemple, 5 minuts. La coordinació gracies a una plataforma basada al cloud, podria aprovar o denegar aquestes sol·licituds de paquets en funció d'un senyal que reflecteixi les condicions de la xarxa, com ara la disponibilitat d'energia renovable, el preu de l'electricitat, etc.

Per garantir una priorització en base a les necessitats d'energia cada dispositiu ajustaria el ritme de les seves sol·licituds en funció de les seves necessitats. Quan l'aigua és menys calenta, un escalfador d'aigua ho sol·licitaria més sovint. Quan l'aigua és més calenta, la demana seria menys sovint. Així, el sistema prioritza dinàmicament els dispositius d'una manera totalment descentralitzada, ja que les probabilitats de fer peticions dels paquets són proporcionals a la necessitat d'energia dels dispositius. 

Això permetria gestionar les sol·licituds de paquets entrants per donar forma activa a la càrrega total de molts dispositius "empaquetats", sense necessitat d'optimitzar de manera centralitzada el comportament de cada dispositiu. Des de la perspectiva del client, no ha canviat res de l'escalfador d'aigua, ja que aquestes peticions es produeixen sense afectar al confort del client.

Aquests mateixos conceptes es podrien aplicar a una àmplia gamma de dispositius que consumeixen energia. Per exemple, un carregador de vehicles elèctrics o un sistema de bateries residencial pot comparar l'estat de càrrega actual de la bateria amb el seu valor desitjat, equivalent a la seva necessitat d'energia, traduir-ho en una probabilitat de sol·licitud. D'aquesta manera, els dispositius d'energia flexibles es comuniquen utilitzant un llenguatge comú i senzill de les sol·licituds de "paquets" d'energia. 

Ramon Gallart

La flexibilitat i la resiliència de la xarxa elèctrica.

La previsió de l'increment de fonts d'energia renovable distribuïda (DER) amb un cost operatiu molt baix  farà que el futur mix energètic permeti la substitució dels combustibles fòssils en sectors com el de la calefacció, la refrigeració, els processos industrials i el transport. 

La intermitència d'aquests recursos energètics implica importants requeriments sistèmics com els que resol la flexibilitat. Això significa que són necessàries importants activitats d'innovació en els camps de la flexibilitat del sistema elèctric. Simultàniament, les complexitats i les interdependències dels components del sistema i la multitud d'actors, augmenten els riscos en la qualitat del servei.

Els impactes de l'escalfament global són irrefutables, la variabilitat i la incertesa de la generació d'energia mitjançant DER i el paper cada cop més proactiu dels consumidors en el funcionament del sistema elèctric, complementat per les seves opcions tecnològiques en expansió (per exemple, fotovoltaica, vehicles elèctrics endollables, etc.), impulsen la necessitat d'un sistema elèctric amb més flexibilitat. En aquest context, es defineix a la flexibilitat com la modificació dels patrons de generació i/o consum en resposta a un senyal extern que pot ser per preu o per una activació activació determinada com podria ser resoldre una congestió. 

La resiliència del sistema elèctric reflecteix l'impacte que provoquen les incidències greus (com ara les situacions meteorològiques adverses provocades pel canvi climàtic, la ciberseguretat, etc.) i és un concepte general que cobreix tot l'espectre del sistema elèctric, des de com fer el disseny, les inversions fins a la planificació, operacions & manteniment,  gestió d'actius. 

La flexibilitat fa referència a la capacitat del sistema elèctric per gestionar els canvis, amb característiques de flexibilitat capaços de millorar les característiques de resiliència del sistema amb una amplia visió dels sistemes, sempre que estiguin integrats en la planificació de la xarxa, en els plans d'explotació i avaluats adequadament en el disseny del mercat energètic. Les capacitats de flexibilitat s'han de considerar des de l'etapa de la seva planificació, utilitzant un enfocament holístic orientat a que les xarxes siguin per disseny, flexibles i resilients. Els recursos de flexibilitat també poden facilitar el procés de restaurar una avaria mitjançant l'explotació de les capacitats d'una apagada general, inclòs l'acoblament sectorial, que afegeix una nova dimensió al necessari patró d'interacció entre el TSO  i el DSO, amb altres sectors. 

La dependència integrada de la flexibilitat, afecta directament la resiliència del sistema elèctric, per tant, les solucions de flexibilitat destinades a proporcionar suport de resiliència han de ser estables i segures.

El Pacte Climàtic Europeu, pretén implicar els ciutadans, les organitzacions i totes les parts de la societat en l'acció climàtica, convidant a les persones, comunitats i organitzacions a prendre decisions conscients de  com impacten en el clima i així, provocar el canvi de comportament dels consumidors. 

 Per tant, la dimensió local, en la qual les accions dels consumidors es consideren activament com a part del funcionament del sistema elèctric, cada cop és més, essencial a causa del nou marc del sector elèctric.

Reconèixer la flexibilitat local derivada del comportament dels consumidors que poden participar de la demanda al mercat energètic és indiscutible, però també requereix més atenció a mesura que la necessitat de flexibilitat distribuïda es fa més omnipresent. En resposta a això, la utilització de la flexibilitat proporcionada a nivell residencial mitjançant solucions com ara la gestió de la demanda, la utilització de l'emmagatzematge, es podrien incloure per a un efectiu funcionament tant per a les xarxes de transport com les de distribució.

La flexibilitat de la demanda (DSF) es refereix a permetre als clients finals ser actius al mercat, però també als operadors del sistema per fer el millor ús d'aquesta flexibilitat per garantir un funcionament eficient del sistema.

A més dels consumidors, els DSO i els TSO tenen un paper crucial donat què, són els responsables de garantir que l'electricitat del sistema pugui fluir de manera segura i fiable entre els usuaris de la xarxa. Des de la seva perspectiva, la DSF podria salvaguardar una disponibilitat contínua de la capacitat de la xarxa, reduint les càrregues a les xarxes energètiques i, per tant, podria ser una alternativa per al reforç (a curt termini) de la xarxa i/o la construcció de noves xarxes elèctriques. Tècnicament, és possible resoldre reptes operatius, per exemple, el problema de la capacitat de la xarxa mitjançant la DSF a la banda del consumidor sobre tot si es pot disposar de mesura adequada a les instal·lacions del client de manera que, d'aquesta manera, és possible una millor observabilitat de la xarxa de distribució. Més concretament, les mesures de comptadors intel·ligents, es podrien utilitzar per a l'avaluació de la flexibilitat en temps real si aquest actius evolucionen. Malgrat aquestes oportunitats, s'han d'abordar diverses qüestions per fer possible el potencial de la flexibilitat , en destaquen:

1.- La manca de consciència del client sobre quines oportunitats hi ha per participar en la flexibilitat de la demanda.

2.- L'augment de la quantitat de flexibilitat disponible per la demanda que no té l'estratègia d'operació.

3.- Els productes comercialitzats en diferents mercats. Per exemple, el mercat de regulació de freqüència.

4.- La legislació dels països.

Les oportunitats de la flexibilitat estan en constant evolució a causa del desenvolupament de noves tecnologies energètiques i solucions de mercat i la necessitat d'un sistema energètic que acumuli una alta quota de Recursos Energètics Distribuïts.

La quantitat de DER i RES continuarà creixent, per tant, requereix que els operadors del sistema elèctric  implementin estratègies operatives i serveis innovadors per mantenir la seguretat de subministrament de tot el sistema energètic. Aquestes estratègies operatives haurien d'estar alineades amb els següents tres punts d'acció del Pla Estratègic de Tecnologia Energètica de la UE (Pla SET):

1.- Mantenir el lideratge tecnològic desenvolupant tecnologies renovables d'alt rendiment i la seva integració al sistema energètic de la UE.

2.- Crear tecnologies i serveis per a llars intel·ligents que proporcionin solucions intel·ligents als consumidors d'energia.

3.- Augmentar la resiliència, la seguretat i la intel·ligència del sistema energètic.

No obstant això, qualsevol implementació també s'ha de recolzar amb models de negoci sòlids que permetin al mercat i als consumidors beneficiar-se dels serveis de flexibilitat

Molts projectes internacionals i nacionals proporcionen un coneixement molt rellevant a la pregunta de Com la flexibilitat pot donar suport a la resiliència de la xarxa elèctrica?.

De fet, mostren la rellevància i els potencials valors que cal superar,  algunes de les àrees són:

1.- Rendiment tècnic del sistema.

2.- Desenvolupament de la xarxa alternativa.

3.- Models de negoci innovadors i aprofitar els actius locals dels distribuïdor. 

Com a resultat, mitjançant la implementació del coneixement acumulat, el valor econòmic que proporcionen les solucions de flexibilitat podrien augmentar alts nivells de resiliència i, per tant, proporcionar incentius per a les inversions que millorin la resiliència. A més, la ciberseguretat és una àrea que cal més atenció com a part de la digitalització del sistema elèctric. Finalment, l'estandardització de les solucions són importants per augmentar la fiabilitat i l'acceptació per tal de desplegar la flexibilitat.

Ramon Gallart.

Generador portàtil per alimentar petits dispositius de seguretat.

Un nou dispositiu semblant a un pal que en el seu interior te aigua, pot convertir l'energia del moviment en electricitat. Aquesta es podria utilitzar per alimentar dispositius portàtils, com podrien ser les llums de seguretat.

Amb el creixent interès per l' Internet de les coses i la petita electrònica, hi ha una gran demanda de fonts d'energia portàtils. Una manera de produir energia és recollir energia del medi ambient, com l'energia tèrmica, solar o mecànica. Per capturar l'energia mecànica, s'ha desenvolupat nanogeneradors triboelèctrics, que poden produir electricitat mitjançant la fricció.

Els nanogeneradors triboelèctrics són una de les eines més efectives per capturar energia mecànica gràcies a la seva capacitat de generació elèctrica, baix cost i fàcil accessibilitat

Els generadors triboelèctrics es carreguen elèctricament quan dos materials diferents es toquen i després se separen. Per exemple, quan es frega un globus amb la roba, el globus es carrega amb electricitat estàtica. Tanmateix, la fricció entre dos materials inevitablement te un desgast i afecta a la vida útil del dispositiu.

L'ús de líquids pot reduir la fricció de manera què, aquests generadors tenen una menor capacitat de produir energia elèctrica. També ha d'haver un compromís entre  la mida del dispositiu  perquè el líquid es mogui i generi electricitat, alhora que sigui prou compacte per ser portàtil.

El dispositiu té un disseny senzill semblant a un pal i conté 10 ml d'aigua, un cilindre de polímer i elèctrodes. El material polimèric del contenidor està carregat negativament. L'aigua es mou cap amunt i cap avall quan es sacseja el dispositiu, adquirint una càrrega positiva que es transfereix als elèctrodes per generar un tensió elèctrica.

A causa del seu mecanisme i  senzill disseny, aquest  petit i lleuger dispositiu, pot tenir usos  per a la vida quotidiana donat que es pot produir energia elèctrica simplement sacsejant-lo.

S'han provat diferents dissenys, amb diferents mides segons la proporció dels elèctrodes, l'espai físic entre els elèctrodes i la quantitat d'aigua per tal de determinar l'òptica combinació Es va trobar que el generador en forma pal portàtil, podia generar una tensió de fins a 710 V quan es disposa de suficient espai per moure l'aigua conjuntament amb una amplia superfície d'elèctrodes. S'ha demostrat que el generador podria alimentar 100 llums LED.

Font:  Universitat de Chung-ang a la República de Corea.

Internet de les coses mòbil i les xarxes intel·ligents.

L'Internet de les coses mòbil (CIoT) es desplega juntament amb la infraestructura mòbil. Aquestes xarxes no necessiten massa recursos addicionals per al seu funcionament. Les xarxes CIoT es poden desplegar fàcilment amb menors costos i menors complexitats. Per les xarxes intel·ligents i les ciutats intel·ligents, es necessiten moltes funcions de suport d'IoT. En aquest sentit i en gran mesura, el CIoT  pot donar suport.

Les xarxes intel·ligents són grans xarxes heterogènies i interconnectades que poden oferir múltiples serveis a través de la infraestructura de la xarxa. A causa de les seves característiques multifuncionals, necessiten el suport d'un gran nombre de sensors i actuadors. L'internet de les coses (IoT) pot proporcionar tots aquests suports i convertir-se en una part integral de les xarxes intel·ligents. Les ciutats intel·ligents són grans ciutats que estan equipades amb totes les instal·lacions bàsiques i modernes. Les iniciatives de ciutat intel·ligent són essencials per a la sostenibilitat a llarg termini de les ciutats i el seu progrés. De fet, les ciutats intel·ligents són impossibles sense IoT. El gran nombre de serveis i el seu subministrament simplement no són possibles sense els suports directes i indirectes de l'IoT. De la mateixa manera, la demanda d'energia a les ciutats intel·ligents augmentarà a causa de les provisions per a totes les instal·lacions modernes. Aquestes demandes energètiques només es poden satisfer de manera eficient mitjançant les iniciatives de xarxes intel·ligents. Per tant, les xarxes intel·ligents tenen una presència per defecte a les ciutats intel·ligents. Igual que les ciutats intel·ligents, les xarxes intel·ligents no poden ser "intel·ligents" sense IoT. A més d'això, un IoT correctament desplegat pot atendre els múltiples necessitats de servei de les ciutats intel·ligents i les xarxes intel·ligents. Hi ha hagut diverses solucions d'IoT disponibles en els darrers anys i les solucions d'IoT cel·lular (CIoT) són les que es poden desplegar juntament amb les xarxes de telefonia mòbils. De fet, utilitzen els mateixos estàndards sobre la qual es despleguen. 

IoT cel·lular

CIoT, també conegut com a IoT mòbil, es va iniciar com a solució per a la comunicació massiva de tipus màquina (mMTC) a través de l'arquitectura mòbil a mòbil. El Mobil IoT està estandarditzat segons el Long Term Evolution (LTE). A la versió 12, LTE-M (Long Term Evolution for machines) es va estandarditzar per a aplicacions mMTC i va ser el primer CIoT. Tanmateix, no era prou bo per competir amb l'IoT no cel·lular disponible en aquell moment. Per tant, a la versió 13, es van proposar tres solucions diferents al marc CIoT: LTE-M (millor que la versió Release 12), NBIoT (IoT de banda estreta) i EC-GSM (GSM de cobertura estesa). Totes aquestes solucions són ara populars en diferents dominis. Aquestes solucions CIoT proporcionen una llarga durada de la bateria, una àmplia cobertura, consumeixen menys recursos, i facilitar un gran nombre de connexions. Les ciutats intel·ligents i les xarxes intel·ligents són projectes a gran escala que cobreixen una àmplia àrea. Aquestes solucions CIoT són àmpliament preferides per a aquestes aplicacions perquè els costos de la infraestructura d'aquests IoT són baixos i es poden desplegar fàcilment a la infraestructura cel·lular existent.

 Solucions CIoT per a xarxes intel·ligents i ciutats intel·ligents

Totes les solucions CIoT estan dissenyades per oferir solucions mMTC per a diverses aplicacions comunes. De les tres, NBIoT es prefereix en la majoria de les aplicacions a gran escala, ja que és adequat per a escenaris d'àrea àmplia de baixa potència (LPWA). En el cas de les xarxes intel·ligents i les ciutats intel·ligents hi ha diverses aplicacions LPWA. Per exemple, la detecció de fuites d'aigua i el tancament automàtic de les canonades de subministrament als llocs adequats es poden gestionar fàcilment mitjançant un NBIoT desplegat. De la mateixa manera, la detecció de corrents de fuga als aïllants i els seus passos de seguiment, per evitar altres danys es poden  basar en NBIoT. 

Un gran nombre d'aplicacions d'aquest tipus són possibles mitjançant NBIoT per a tots aquests escenaris LPWA. A més d'aquestes, hi ha diverses funcions interdependents en les quals s'han d'utilitzar xarxes intel·ligents per a les ciutats intel·ligents. En aquests casos, també el NBIoT pot facilitar l'ús de xarxes intel·ligents per a ciutats intel·ligents. Per exemple, les aplicacions de mesura intel·ligent controlen perfectament les demandes d'energia i proporcionen una imatge clara de la gestió de la xarxa. A les ciutats intel·ligents aquests comptadors són essencials per gestionar i controlar les demandes energètiques. En general, les solucions basades en CIoT són essencials per a la sostenibilitat a llarg termini de les xarxes intel·ligents i les ciutats intel·ligents. Tot i que NBIoT és adequat per a les aplicacions LPWA, LTE-M és adequat per a les aplicacions on es necessita un ample de banda més gran. A les ciutats intel·ligents aquests comptadors són essencials per gestionar i controlar les demandes energètiques. 

En general, trobem que les solucions basades en CIoT són essencials per a la sostenibilitat a llarg termini de les xarxes intel·ligents i les ciutats intel·ligents. Tot i que NBIoT és adequat per a les aplicacions LPWA, LTE-M és adequat per a les aplicacions on es necessita un ample de banda més gran. A les ciutats intel·ligents aquests comptadors són essencials per gestionar i controlar les demandes energètiques. En general, trobem que les solucions basades en CIoT són essencials per a la sostenibilitat a llarg termini de les xarxes intel·ligents i les ciutats intel·ligents. Tot i que NBIoT és adequat per a les aplicacions LPWA, LTE-M és adequat per a les aplicacions on es necessita un ample de banda més gran.

Font: IEEE Smart Grids

Fanals intel·ligents i la resiliència de la xarxa.

Les ciutats són una de les fonts de les emissions de gasos d'efecte hivernacle i també pateixen les conseqüències del canvi climàtic com els danys de les seves infraestructures, incloses les avaries elèctriques. En conseqüència, els distribuïdors han de treballar ràpidament per restablir la xarxa i garantir la seguretat i el benestar de la població.

Per identificar millor i planificar la reparació de la infraestructura a múltiples nivells, és fonamental treballar amb informació fiable. L'enllumenat públic forma part de la xarxa elèctrica, que també és vulnerable.

Els avenços tecnològics permeten que els fanals recaptin dades de l'entorn físic i puguin ser controlats i monitoritzats de forma remota per això, es requereix d'una infraestructura de connectivitat per a la transferència de dades, que també pot ser aprofitada per la xarxa elèctrica per millorar la resiliència. 

L'enllumenat públic intel·ligent pot aportar múltiples beneficis i oportunitats als distribuïdors elèctric, als residents, al medi ambient i a les autoritats municipals i del trànsit. Més enllà dels avantatges clàssics, com ara l'eficiència energètica, l'optimització de l'O&M, la reducció de costos i la controlabilitat de la llum, els fanals intel·ligents també poden reduir les pertorbacions de la il·luminació i, en conseqüència, mitigar els impactes de la llum sobre la salut humana i el medi ambient i millorar la seguretat viària.

Amb el desenvolupament de solucions de Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TIC) per als sistemes d'enllumenat públic, els distribuïdors podrien millorar la gestió de la xarxa i compartir informació útil entre diversos dispositius. De la mateixa manera que es podria aprofitar la columna vertebral de la connectivitat, els municipis poden beneficiar-se de la infraestructura d'enllumenat públic intel·ligent instal·lant dispositius IoT per al seguiment urbà. Les dades recollides, multipliquen de manera exponencial les possibilitats d'integrar múltiples serveis urbans, optimitzar la gestió de la ciutat i augmentar la resiliència.

El terme "resiliència" pot tenir diferents definicions depenent de quina  àmbit s'apliqui. En general, la resiliència es pot definir com la capacitat de tornar ràpidament a un estat anterior després d'haver estat exposat a condicions adverses. En el context de les ciutats i les infraestructures crítiques, el terme assumeix nous significats:

La resiliència urbana és la capacitat que té una ciutat per absorbir, recuperar i preparar-se per a futurs xocs (econòmics, ambientals, socials i institucionals). Les ciutats resilients promouen el desenvolupament sostenible, el benestar i el creixement inclusiu.

La resiliència de la infraestructura crítica és la capacitat de preparar-se i adaptar-se a les condicions canviants. Això significa poder suportar i recuperar-se ràpidament de les interrupcions, atacs deliberats, accidents o amenaces o incidents naturals. La infraestructura resilient també ha de ser robusta, àgil i adaptable.

La xarxa elèctrica es considera una infraestructura crítica de la qual depèn la població per a les activitats bàsiques i fins i tot la supervivència, en alguns casos. En ser tan necessaris, els distribuïdors han d'invertir en mesures de resiliència per evitar avaries de llarg durada.

Davant situacions meteorològiques adverses, les ciutats i els distribuïdors s'han de preparar per adaptar-se, mitigar i treballar per accelerar la recuperació dels efectes del canvi climàtic i fer-se més resilients. Per això, calen importants inversions per augmentar la robustesa i la resiliència de la infraestructura. Amb recursos limitats, les ciutats i els distribuïdors han de prioritzar les inversions en desplegaments de poca complexitat i, alhora, solucions efectives.

Les mesures de resiliència relacionades amb el clima es poden classificar en Mitigació i Adaptació. Segons l'Agència Europea de Medi Ambient (EAA)

La mitigació es defineix com les mesures que fan que els impactes del canvi climàtic siguin menys greus mitjançant la prevenció o la reducció de l'emissió de gasos d'efecte hivernacle (GEH) a l'atmosfera.

L' adaptació es pot entendre com les mesures que anticipen els efectes adversos del canvi climàtic i prenen les accions adequades per prevenir o minimitzar els danys que poden causar, o aprofitant les oportunitats que es puguin presentar.

Segons el Cinquè Informe d'Avaluació del Grup Intergovernamental sobre el Canvi Climàtic (IPCC), tant la mitigació com l'adaptació són essencials per a la gestió del risc del canvi climàtic a qualsevol nivell.

En el context de la resiliència de la xarxa elèctrica, es pot afirmar que la mitigació comprèn les mesures proactives per prevenir i reduir les causes i els impactes de les avaries per mal temps extrem a la xarxa. Inclou mesures de descarbonització de la xarxa com ara l'eficiència energètica, la reducció de la dependència dels combustibles fòssils i l'augment de la implementació de recursos renovables i energètics distribuïts (DER). L'adaptació està relacionada amb les mesures reactives per construir la resiliència davant els impactes que no es poden evitar. L'elevació dels requisits de construcció per protegir-se de forts vents i condicions meteorològiques severes és un exemple de mesures d'adaptació de la xarxa.

S'han de prendre conjuntament mesures tant preventives com reactives per maximitzar la resiliència de la xarxa i reduir el temps que els ciutadans es veuen afectats per la fallada de la xarxa. En altres paraules, en adoptar aquestes mesures sense problemes, augmentarà la probabilitat de reduir els impactes dels esdeveniments extrems i disminuirà el temps i el cost per restaurar el sistema.

Davant situacions de mal temps, l'enllumenat públic intel·ligent pot augmentar la resiliència de la xarxa i de la ciutat reduint significativament el consum d'energia fins a un 80% amb la combinació de lluminàries LED i sistemes de control adaptatiu. Com a resultat, pot minimitzar les emissions de carboni. Amb una menor demanda de generació d'electricitat, les emissions evitades poden ser importants tenint en compte els milions de fanals arreu del món, contribuint directament a atenuar els efectes del canvi climàtic. Seguint els conceptes explicats anteriorment, el millor estalvi energètic mitjançant la implantació d'enllumenat públic intel·ligent es pot considerar una mesura de mitigació.

Les mesures de mitigació també poden referir-se a les accions preses per reduir la durada del perill. El sistema d'enllumenat públic intel·ligent es pot dissenyar per reduir el temps de resposta després d'una incidència, utilitzant les dades recollides per promoure decisions. L'enllumenat públic intel·ligent facilitarà la identificació d'averies aprofitant les tecnologies emergents i la millora de la connectivitat a la xarxa. Pot ajudar a reduir l'impacte i la durada dels efectes que aquests esdeveniments causen a les ciutats i els ciutadans i reduir el temps d'afectació.

Respectivament, els sensors, els sistemes de geolocalització i els controls avançats d'il·luminació integrats a les lluminàries es poden configurar per identificar avaries, determinar la ubicació de l'actiu fet malbé i apagar o atenuar les lluminàries automàticament en cas d'escassetat.

Per optimitzar la planificació de la reparació i envair els equips, es poden instal·lar sensors d'inclinació per detectar la integritat de la infraestructura de l'enllumenat públic. A més, els sensors ambientals poden fer un seguiment dels patrons de microclima i altres indicadors que es poden utilitzar per predir la gravetat dels esdeveniments climatològics amb més precisió i determinar quan i on és més probable que succeeixi.

Per què instal·lar aquests dispositius a la infraestructura d'enllumenat públic? En primer lloc, els fanals són convenients pel seu posicionament privilegiat a tota la ciutat, fet que comporta una distribució més democràtica de la tecnologia. En segon lloc, la complexitat d'instal·lar aquests dispositius a les línies de distribució és més gran. Els pals d'enllumenat públic també poden allotjar dispositius més grans com ara punts d'accés a la xarxa, estacions ambientals compactes, sirenes i panells d'informació per alertar la població. 

Amb el ràpid desenvolupament de l'IoT, les oportunitats d'agregar altres funcionalitats a la infraestructura d'enllumenat públic augmenten, i també s'han ampliat les possibilitats d'integrar múltiples serveis urbans, optimitzar la gestió de la ciutat i augmentar la resiliència. Clarament, el sistema d'enllumenat públic intel·ligent no podrà identificar ni resoldre tots els problemes de tota la xarxa. Com a resultat, el sistema d'enllumenat públic intel·ligent s'ha d'integrar al sistema de control de transport i distribució per tal d'enriquir les fonts de dades disponibles per prendre accions amb més dades durant les emergències. No obstant això, l'enllumenat públic intel·ligent pot ser una eina valuosa per millorar la resiliència de la xarxa i de la ciutat, mitjançant les mesures de mitigació i adaptació esmentades.

L'ús de dades per identificar, planificar i prioritzar les àrees de recuperació en funció de criteris de vulnerabilitat i risc, pot conduir a accions de restauració més localitzades i precises. La priorització es pot basar en la densitat de població, les condicions perilloses o el nombre de serveis essencials alterats, com ara hospitals i instal·lacions de tractament d'aigua.

Font: IEEE Smartgrid

Claude Shannon i la teoria del deep learning.

Entre els grans enginyers del segle XX, qui va contribuir més a les tecnologies del segle XXI va ser Claude Shannon.

Shannon és més conegut per establir el camp de la teoria de la informació. En un article de 1948, un dels més importants de la història de l'enginyeria, va inventar una manera de mesurar el contingut d'informació d'un senyal i calcular la velocitat màxima a la qual la informació es podia transmetre de manera fiable per qualsevol tipus de canal de comunicació. L'article, titulat  A Mathematical Theory of Communication, descriu la base de totes les comunicacions modernes.

Una dècada abans, mentre treballava en la seva tesi de màster al MIT, va inventar la porta lògica. Aleshores, els relés electromagnètics, petits dispositius que utilitzen el magnetisme per obrir i tancar interruptors elèctrics, s'utilitzaven per construir circuits que encaminaven trucades telefòniques o controlaven màquines complexes. Tanmateix, no hi havia una teoria coherent sobre com dissenyar o analitzar aquests circuits. Llavors, només es pensava  en les bobines del relé que s'alimentaven o no. Shannon va demostrar que l'àlgebra de Boole, es podria utilitzar i prescindir dels relés i fer possible  una comprensió més abstracta de la funció d'un circuit. Va utilitzar aquesta àlgebra de lògica per analitzar, i després sintetitzar, circuits de commutació i per demostrar que el circuit  funcionava com es desitjava. En la seva tesi va inventar les portes lògiques AND, OR i NOT. Les portes lògiques són els blocs de construcció de tots els circuits digitals, sobre els quals es basa tota la informàtica.

Shannon és més conegut per establir el camp de la teoria de la informació. En un article de 1948, un dels més importants de la història de l'enginyeria, va inventar una manera de mesurar el contingut d'informació d'un senyal i calcular la velocitat màxima a la qual la informació es podia transmetre de manera fiable per qualsevol tipus de canal de comunicació. L'article, titulat " A Mathematical Theory of Communication ", descriu la base de totes les comunicacions modernes, inclosa la Internet sense fil al vostre telèfon intel·ligent i fins i tot un senyal de veu analògic en un telèfon fix de parell trenat. El 1966, l'IEEE li va donar el seu màxim premi, la Medalla d'Honor , per aquest treball.

Si la teoria de la informació hagués estat l'únic èxit de Shannon, hauria estat suficient per assegurar-se el seu lloc al panteó. Però va fer molt més.

Una dècada abans, mentre treballava en la seva tesi de màster al MIT, va inventar la porta lògica. Aleshores, els relés electromagnètics, petits dispositius que utilitzen el magnetisme per obrir i tancar interruptors elèctrics, s'utilitzaven per construir circuits que encaminaven trucades telefòniques o controlaven màquines complexes. Tanmateix, no hi havia una teoria coherent sobre com dissenyar o analitzar aquests circuits. La manera com la gent pensava sobre ells era en termes de les bobines del relé que s'alimentaven o no. Shannon va demostrar que l'àlgebra de Boolees podria utilitzar per allunyar-se dels mateixos relés, cap a una comprensió més abstracta de la funció d'un circuit. Va utilitzar aquesta àlgebra de lògica per analitzar, i després sintetitzar, circuits de commutació i per demostrar que el circuit global funcionava com es desitjava. En la seva tesi va inventar les portes lògiques AND, OR i NOT. Les portes lògiques són els blocs de construcció de tots els circuits digitals, sobre els quals es basa tot l'edifici de la informàtica.

L'any 1950 Shannon, va publicar un article a Scientific American i també un article d'investigació que descrivia com programar un ordinador per jugar als escacs. Va entrar en detalls sobre com dissenyar un programa per a un ordinador real. Va discutir com es representarien les estructures de dades a la memòria, va estimar quants bits de memòria es necessitarien per al programa i va dividir el programa en coses que va anomenar subprogrames. Avui anomenaríem es coneixen com funcions, o procediments. Alguns dels seus subprogrames eren per generar possibles moviments; alguns havien de donar avaluacions heurístiques de com era de bona una posició.

Shannon va fer tot això en un moment en què hi havia menys de 10 ordinadors al món. I tots s'utilitzaven per a càlculs numèrics. Va començar el seu treball de recerca especulant sobre tot tipus de coses que els ordinadors podrien programar per fer més enllà dels càlculs numèrics, com ara el disseny de circuits de commutació, el disseny de filtres electrònics per a comunicacions, la traducció entre idiomes humans i la realització de deduccions lògiques. Els ordinadors fan totes aquestes coses avui. Va donar quatre raons per les quals havia triat treballar primer amb els escacs, i una important va ser que la gent creia que jugar als escacs requeria "pensar". Per tant, va raonar, seria un gran cas de prova per saber si els ordinadors es podrien fer pensar.

També, va suggerir que podria millorar el seu programa analitzant els jocs als quals ja havia jugat i ajustant els termes i coeficients en les seves avaluacions heurístiques de les fortaleses de les posicions del consell amb què s'havia trobat. No hi havia ordinadors disponibles per a Shannon en aquell moment, així que no va poder provar la seva idea. Però només cinc anys més tard, el 1955, Arthur Samuel , un enginyer d'IBM que tenia accés als ordinadors mentre s'estaven provant abans de ser lliurats als clients, estava executant un programa de joc de dames que utilitzava el mètode exacte de Shannon per millorar-ne el joc. I el 1959 Samuel va publicar un article sobre això amb el títol deep learning. Va ser, la primera vegada que aquesta paraula va aparèixer impresa.

Per tant, resumim: teoria de la informació, portes lògiques, programació informàtica no numèrica, estructures de dades i, sens dubte, aprenentatge automàtic. Claude Shannon no es va molestar en predir el futur, només va avançar i el va inventar, i fins i tot va viure el temps suficient per veure l'adopció de les seves idees.

Bateries i supercondensadors.

Durant dècades, investigadors i tecnòlegs han considerat a les bateries i els condensadors com dos dispositius d'emmagatzematge d'energia diferents: les bateries, conegudes per emmagatzemar més energia però que l'alliberen lentament i els condensadors, per descarregar-los ràpidament en intervals de temps més petits.

Cada dispositiu d'emmagatzematge d'energia nou que apareix, es classifica com d'un tipus o de l'altre, depenent del respectiu mecanisme electroquímic. Però parlar de condensadors podria estar dificultant el progrés en el camp de les bateries?

Pot ser un tractament unificat que implica una transició des de la visió 'binària' de l'emmagatzematge de càrrega electroquímica en espais nano-confinats com un fenomen purament electroestàtic o un fenomen purament Faràdic, s'hauria de considerar més aviat com una transició contínua entre ambdues que ve determinada per l'extensió de la solvació iònica i la interacció ió-hoste.

Simplificant, un extrem de l'espectre és un enllaç químic on el mecanisme bàsic de connexió és mitjançant un enllaç físic a nivell atòmic. L'altre extrem és una atracció electrostàtica que atrapa temporalment ions dins i sobre la superfície d'un material.

El fenomen anterior, anomenat reacció Faràdica, dóna a les bateries la seva excel·lent capacitat d'emmagatzematge d'energia i els permet alliberar càrrega gradualment. Però també és el motiu pel qual triguen tant a carregar-se. En canvi els condensadors permet ràpides aportacions d'energia  com els que que alimenten els flaixos de les càmeres i l'absorció a curt termini d'energia gràcies a la frenada dels cotxes híbrids i elèctrics.

Amb cada nou desenvolupament de la tecnologia d'emmagatzematge d'energia, ja sigui una nova combinació de materials d'elèctrode i solucions d'electròlits, o additius físics o químics per reduir o permetre la transferència d'ions, els investigadors s'esforcen per observar i caracteritzar amb precisió el mecanisme d'emmagatzematge electroquímic.

Però en molts casos, aquestes limitades definicions no són precises ni útils quan es tracta d'adaptar els dispositius a les necessitats molt específiques d'emmagatzematge d'energia de la nova tecnologia.

El que passa entre les bateries clàssiques i els supercondensadors ha estat un tema controvertit durant molt de temps. Els anomenats 'pseudocondensadors' i dispositius híbrids d'emmagatzematge d'energia s'han estudiat durant almenys 30 anys, però alguns científics han intentat rebutjar completament la pseudo-capacitància, afirmant que només hi ha aquests dos casos extrems i que tota la resta és una superposició de dos mecanismes que actuen. en paral·lel.

Molts d'aquests dispositius híbrids, els ions gairebé s'absorbeixen entre les capes dels materials dels elèctrodes. En altres, on els nano-materials porosos dels elèctrodes s'han dissenyat per maximitzar la ingesta química completa, o l'adsorció, d'ions, ja que s'han vist descàrregues d'energia molt més ràpides, probablement a causa de la persistència de la substància del electròlit que impedeix que els ions s'intercalin completament.

Tots dos casos queden fora de l'ideal, però les seves propietats estan demostrant ser una combinació valuosa a l'hora d'impulsar noves tecnologies.

S'espera que entendre la desolvació iònica (eliminació d'ions de molècules del dissolvent) i el seu paper en la determinació del mecanisme d'emmagatzematge d'energia, permetrà arribar al punt en què es combinaran alta energia i gran potència en un únic dispositiu d'emmagatzematge d'energia. Les bateries es carreguen en pocs minuts. Per exemple, si es carrega un telèfon mòbil, en pocs uns minuts hi ha suficient carrega per utilitzar-lo almenys durant unes hores. En el cas dels materials 2D, com MXene o grafè, es possible fer-ho flexibles, es a dir, unes  bateries per a un ús flexible i portàtil.

És molt important l'emmagatzematge d'energia electroquímica, tant pel seu paper com a pilars de la  comprensió teòrica del camp com a facilitadors de la tecnologia moderna. Però cal avançar i això, vol dir operar en algun lloc central, entenent que un adequat dispositiu d'emmagatzematge d'energia, podria ser més eficaç que una bateria millor o un supercondensador.

Per tant, hi ha un reconeixement sobre que hi han dues 'situacions ideals:

1.- Bateries

2.- Supercondensadors. 

També, hi han equacions derivades per a aquests casos. I hi han dispositius comercials, però ara també es sap com predir, dissenyar i fabricar dispositius. que tenen propietats per casos extrems.

Les noves indústries que requereixen emmagatzematge d'energia flexible, transparent, adaptable i adaptable, els cal de dispositius que combinen la càrrega i altres subministraments d'energia elèctrica no convencionals perquè es beneficiaran enormement del nou emmagatzematge àgil d'energia.

S'està avançant cap a una economia impulsada per l'energia elèctrica, IoT i altres tecnologies noves i avançades per a aplicacions sostenibles. Per tant, serà molt important reconèixer i treballar per caracteritzar aquests nous dispositius com a existents dins d'un espectre, en lloc d'estar per sota de qualsevol dels extrems-

Font: Simon Fleischmann et al, Transició contínua de l'emmagatzematge de càrrega de doble capa a Faradaic en electròlits confinats, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-00993-z

Xarxes elèctriques intel·ligents i la societat del futur.

El control flexible, es fonamenta en els patrons de consum gràcies a acords entre els consumidors i l'agregador. Un sistema d'energia flexible, encara no s'ha desplegat a gran escala de manera que encara hi han molts reptes a resoldre.

Quan es desplegui un sistema d'energia flexible a la xarxa elèctrica, permetrà reduir pics de consum de forma substancial, ajustar la demanda amb l'oferta energètica. El VE és clau per  aportar més flexibilitat.

Una xarxa intel·ligent, podria ser vista com un infraestructura que permet ajustar l'oferta i la demanda d'energia elèctrica. Però això, es necessita entendre fins a quin punt la coordinació efectiva de la xarxa elèctrica aporta valor a la societat, al comercialitzadors, distribuïdors, generadors i els clients. 

Un component clau, és instal·lar aparells intel·ligents i fer possible el control de la càrrega. Aquests recursos dinàmics poden aprendre a consumir energia de manera més eficient, ajustant el seu ús durant breus períodes per lliurar excedents  per a altres necessitats. Per exemple, carregar un vehicle elèctric en els horaris en que els preus siguin més interessants llavors, els actors d'energia flexible permetrien un control de càrrega intel·ligent per fer efectiva la càrrega del vehicle fins que la demanda sigui baixa i l'electricitat més barata. Aquesta hipòtesi, no només reduiria l'estrès a la infraestructura de la tradicional  xarxa elèctrica, sinó que ofereix més temps per planificar la infraestructura d'emmagatzematge i distribució d'energia de nova generació que ara mateix, s'està desenvolupant.

Un sistema d'energia flexible implica que tant, la xarxa elèctrica, els habitatges, els edificis comercials, els electrodomèstics i les estacions de recàrrega estiguin en constant comunicació. Els dispositius intel·ligents reben una previsió dels preus de l'energia en diferents moments del dia i desenvolupen una estratègia per satisfer les preferències dels consumidors alhora que redueixen el cost i la demanda global d'electricitat. Al seu torn, un mercat local minorista coordina la demanda global amb el mercat majorista. Totes les parts negocien l'adquisició d'energia i els nivells de consum, el cost, el temps i el lliurament en un esquema de preus dinàmic.

Un altre important punt de vista, és avaluar l'impacte del operador del sistema de distribució qui li correspon gestionar una xarxa que tindrà múltiples fonts d'energia propietat i operades per diferents entitats i totes, aportant energia a la xarxa en diferents moments i quantitats. A més, aquest operador del sistema de distribució ha de permetre negociar les transaccions amb els clients que permetin un control flexible de càrrega. L'objectiu seria donar suport a un funcionament eficient i fiable de la xarxa. 

Cal re-imaginar com la xarxa elèctrica es podria adaptar-se en un futur on l'energia neta de fonts renovables contribueixi molt més amb les necessitats del transport depenen de l'accés ràpid a l'electricitat. A mesura que es camina cap a un futur amb zero emissions de carboni, un sistema energètic més adaptable ajudarà a accelerar el desplegament dels vehicles elèctrics i l'energia solar.

Font: Ramon Gallart

Centrals hidroelèctriques reversibles.

Per reduir a la meitat les emissions de gasos d'efecte hivernacle es necessitarà molta més generació d'energia solar, eòlica i molt emmagatzematge d'energia assequible.

L'energia eòlica i la solar varien la seva generació al llarg d'un dia, de manera que l'emmagatzematge d' energia és essencial per proporcionar un flux continu d'electricitat. Però l'actual tecnologia de bateries  solen emmagatzemar energia per només unes poques hores. Per dependre més de l'energia eòlica i la solar, cal més emmagatzematge durant la nit i també a llarg termini.

Tot i que les innovacions en les bateries són importants, hi ha una tècnica d'emmagatzematge a llarg termini  que està provada i és "senzilla".

Són les centrals hidroelèctriques reversibles que consisteix en bombejar aigua des d'un embassament a un altre a una elevació més alta de manera què,  quan es necessita l'energia, només cal alliberar l'aigua per  fer-la fluir cap  a les turbines que estan a la part de baix i generar electricitat.

Les centrals hidroelèctriques reversible no es veuen amb bons ulls per la preocupació socials sobre l'impacte en els rius. Però el que pot ser no es coneix, és que aquestes centrals no estan en els rius.

Per què  la generació eòlica i la solar necessiten emmagatzematge a llarg termini?

Per funcionar correctament, les xarxes elèctriques han de poder adaptar el subministrament d'electricitat  a la demanda d'electricitat en temps real o corren el risc de no oferir una subministrament estable.

Hi ha diverses tècniques que els operadors de la xarxa elèctrica podrien utilitzar per mantenir aquest equilibri amb fonts variables com són l'eòlica i la solar. Això, inclou compartir l'energia a grans regions mitjançant línies de transport d'alta tensió per fer possible gestionar la demanda i utilitzar l'emmagatzematge d'energia.

Les bateries de les llars, centrals elèctriques i els vehicles elèctrics són una bona opció per a temps d'emmagatzematge d'energia d'unes poques hores. Són fàcils per carregar-ser gràcies a l'excedent de l'energia solar al migdia i lliurar-la quan la demanda  arriba al màxim al vespre i non fa sol.

Les centrals hidroelèctriques reversibles, permeten un emmagatzematge més gran i més llarg que les bateries, i això és essencial en un sistema elèctric dominat pel vent i el sol. També és més barat per a l'emmagatzematge durant la nit i escalable a llarg termini.

Certament, els projectes de les centrals hidroelèctriques reversibles poden ser controvertits, sobretot quan impliquen preses en rius que inunden el terreny per crear nous embassaments i poden afectar els ecosistemes.

La creació de sistemes de circuit tancat que utilitzin parells de llacs o embassaments existents en lloc dels rius, evitaria la necessitat de noves preses. Una central hidroelèctrica reversible fora del curs d'un  riu consta d'un parell d'embassaments separats a una alçada i connectats amb canonades o túnels. Els embassaments poden ser nous o utilitzar jaciments miners antics o llacs o embassaments existents.

L'aigua pot circular entre els embassaments superiors i inferiors durant molts anys o més. Els supressors d'evaporació (petits objectes que suren a l'aigua per atrapar l'aire humit) poden ajudar a reduir l'evaporació de l'aigua. En total, la quantitat d'aigua necessària per suportar un sistema elèctric 100% renovable és d'uns 3 litres per persona i dia, equivalent a 20 segons d'una dutxa matinal. 

En els darrers anys, s'ha construït molt poc emmagatzematge bast en les centrals hidroelèctriques reversibles, possiblement una part ha estat per què no hi ha hagut molta necessitat i l'altre per l'oposició social.

Ramon Gallart