Circuïts integrats i la física quàntica.

Desenvolupat un dispositiu experimental clau per a futures tecnologies basades en la física quàntica.

Els dispositius acústics són  fiables quan són compactes, duradors i eficients els quals, utilitzen el moviment mecànic per realitzar tasques útils. Un exemple d'aquest dispositiu és l'oscil·lador mecànic. Quan són desplaçats per una força, com ara el so, els components del dispositiu comencen a moure's cap endavant i cap enrere des de la seva posició inicial. Crear aquest moviment periòdic és una manera útil de mantenir el temps, filtrar senyals i detectar el moviment en l'electrònica omnipresent, inclosos els telèfons, els ordinadors, etc.

Fotografia amb vista angulada del dispositiu completament empaquetat. El xip superior (mecànic) està fixat cap avall al xip inferior (qubit) mitjançant un polímer adhesiu. Fontt: Agnetta Cleland

Aprofitar els beneficis dels sistemes mecànics a les escales extremadament petites, significa passar al misteriós regne quàntic, on els àtoms interactuen delicadament i es comporten de manera contra-intuïtiva. Amb aquesta idea, s'han demostrat noves capacitats acoblant petits oscil·ladors nanomecànics amb un tipus de circuit que pot emmagatzemar i processar energia en forma de qubit o "bit" quàntic d'informació. Utilitzant el qubit del dispositiu, és possible manipular l'estat quàntic dels oscil·ladors mecànics, generant els tipus d'efectes mecànics quàntics.

Amb aquest dispositiu, s'ha fet un pas important per intentar construir ordinadors quàntics i altres dispositius quàntics útils.

Gracies a un equipament extremadament especialitzats, ha estat possible fabricar components de maquinari a resolucions a escala nanomètrica en dos xips d'ordinador de silici per adherir els dos xips.

Al xip inferior, es va crear un circuit superconductor d'alumini que forma el qubit del dispositiu. L'enviament de polsos de microones a aquest circuit genera fotons (partícules de llum), que codifiquen un qubit d'informació al dispositiu. A diferència dels dispositius elèctrics convencionals, que emmagatzemen bits com a voltatges que representen un 0 o un 1, els qubits dels dispositius de mecànica quàntica també poden representar combinacions ponderades de 0 i 1 simultàniament. Això es deu al fenomen de la mecànica quàntica conegut com a superposició, on un sistema quàntic existeix en múltiples estats quàntics alhora fins que es mesura el sistema.

La manera com funciona la realitat a nivell de mecànica quàntica és molt diferent en com s'entén l'univers a escala macro.

El xip superior conté dos ressonadors nanomecànics formats per estructures de cristall suspesos, semblants a un pont, d'unes poques desenes de nanòmetres de llarg. Els cristalls estan fets de niobat de liti, un material piezoelèctric. Els materials amb aquesta propietat poden convertir una força elèctrica en moviment, cosa que en el cas d'aquest dispositiu significa que el camp elèctric transportat pel fotó qubit es converteix en un quàntic (o una única unitat) d'energia vibratòria anomenada fonó.

Il·lustració conceptual d'un estat de Bell, en què una unitat d'energia vibratòria es comparteix entre dos oscil·ladors. El sistema existeix en dos estats possibles simultàniament: el primer estat quàntic possible (entre parèntesis, a l'esquerra del signe més) mostra l'oscil·lador de la dreta vibrant i l'oscil·lador de l'esquerra parat. El segon estat possible mostra l'energia vibratòria que ocupa l'oscil·lador de la mà esquerra, amb el de la dreta quiet. El dispositiu existeix en una superposició dels dos estats possibles, és a dir, que cada oscil·lador es mou i no es mou al mateix temps, fins que es mesura. Una mesura del sistema donaria només un dels dos resultats representats (entre parèntesis): si s'observés que l'oscil·lador de la mà esquerra vibra, la mà dreta estaria necessàriament quieta, i viceversa. Això il·lustra l'entrellat entre els dos oscil·ladors: en realitzar una mesura per aprendre informació sobre el moviment d'un sol oscil·lador, un observador també determinarà l'estat de l'altre oscil·lador, sense necessitat de mesurar-lo per separat. Font: Agnetta Cleland

Igual que les ones de llum, que es quantifiquen en fotons, les ones sonores es quantifiquen en "partícules "anomenades fonons" i combinant l'energia d'aquestes diferents formes es crea una tecnologia quàntica híbrida que aprofita els avantatges dels dos.

La generació d'aquests fonons permet que cada oscil·lador nanomecànic actiu com un registre, que és l'element de memòria de dades més petit possible en un ordinador, i amb el qubit, es subministra les dades. Igual que el qubit, els oscil·ladors, en conseqüència, també poden estar en un estat de superposició: poden estar tant excitats (representa 1) com no excitats (representa 0) alhora. El circuit superconductor permet preparar, llegir i modificar les dades emmagatzemades als registres, conceptualment similar a com funcionen els ordinadors convencionals.

La idea, és fer un dispositiu que funcioni de la mateixa manera que els xips d'ordinador de silici, per exemple, aper l telèfon o en per una unitat de memòria, on els registres emmagatzemen bits. Tot i que encara no es pot emmagatzemar bits quàntics, s'està treballant per assolir-ho amb ressonadors mecànics.

Més enllà de la superposició, la connexió entre els fotons i els ressonadors del dispositiu aprofita un altre  fenomen quàntic anomenat entrellaçament. El que fa que els estats entrellaçats siguin tan contraris a la intuïció, i també notòriament difícils de crear al laboratori, és que la informació sobre l'estat del sistema es distribueix entre diversos components. En aquests sistemes, és possible saber tot sobre dues partícules juntes, però res sobre una de les partícules observades individualment. Per exemple, donades  dues monedes que es llancen en dos llocs diferents i que s'observen cauen com a cara o creu aleatòriament amb la mateixa probabilitat, però quan es comparen les mesures als diferents llocs, sempre estan correlacionades; és a dir, si una moneda cau com a creu, l'altra té la garantia de caure  com a cara.

Per demostrar aquests efectes quàntics, es va generar un únic qubit, emmagatzemat com a fotó al circuit del xip inferior. Aleshores es va permetre que el circuit intercanviés energia amb un dels oscil·ladors mecànics del xip superior abans de transferir la informació restant al segon dispositiu quantic. Mitjançant l'intercanvi d'energia, primer amb un oscil·lador mecànic i després amb el segon oscil·lador, es  va utilitzar el circuit com a eina per unir quànticament els dos ressonadors entre si.

Llavors el que fa estrany la mecànica quàntica ve mostrat no només amb el so que ve en unitats discretes, sinó que una sola partícula de so es pot compartir entre els dos objectes microscòpics entrellaçats, cadascun amb bilions d'àtoms.

Per realitzar càlculs pràctics, el període d'entrellaçament sostingut, o coherència, hauria de ser significativament més llarg, de l'ordre de segons, en comptes de les fraccions de segons aconseguides fins ara. La superposició i l'entrellaçat, són condicions molt delicades, vulnerables  a pertorbacions molt febles en forma de calor o d'altres energies.

S'ha millorat el rendiment del sistema durant els últims quatre anys gairebé 10 vegades cada any de manera que, es continuarà fent passos concrets per dissenyar dispositius de mecànica quàntica, com ara ordinadors i sensors, i aportar els seus beneficis.

Font: E. Alex Wollack et al, Quantum state preparation and tomography of entangled mechanical resonators, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04500-y Informació de la revista: Nature 

Cal reduir el consum d'energia.

No ni ha prou en substituir els combustibles fòssils per l'energia renovable, vehicles elèctrics i l'eficiència energètica.

Hi ha un altre problema que és: per quan cal. El calendari per reduir al 50% les emissions de CO2 i assolir les emissions zero pel 2050, és molt just. Si bé les fonts renovables estan fent grans avenços, certament l'ús global d'energia primària arreu del món continua augmentant. Això significa que les renovables van tard.

És possible que si el consum d'energia creix al ritme anterior a la pandèmia, el canvi tecnològic no serà suficient per reduir a la meitat les emissions globals de CO2 l'any 2030. La manera de fer-ho, es reduint  molt el consum d'energia per aconseguir que el creixement econòmic no vagi acompanyat amb un creixement energètic mentre es fomenta, divulga i accelera la construcció de fonts renovable per tant, cal fer un canvi en l'estil de vida.

Llavors, com s'explica que a l'any 2000, els combustibles fòssils van subministrar el 80% del consum total d'energia primària del món i el 2019, va ser del 81% ?.

Si es te en compte l'augment de la taxa de creixement de l'electricitat renovable durant aquest període de temps, llavors, perquè el consum energètic mundial ha anat continuat creixent? (sense comptar el 2020 època de pandèmia). Com fins avui, la major part del creixement ha vingut pels combustibles fòssils, especialment per al transport i la calefacció no elèctrica, llavor el creixement del 135% de l'electricitat renovable durant aquest període, tot i semblar important, la veritat és que va començar des d'una base molt petita. És per això que no va ser possible captar un ràtio menor de l'augment del consum d'electricitat provinent d'una base gran produïda amb combustibles fòssils.

Tot i que possiblement el canvi tecnològic està al punt en què ara és possible la seva implementació i de manera assequible, la transició no serà prou ràpida per si sola. Si no s'aconsegueix, és probable que el la Terra travessi el punt d'inflexió climàtica amb que això significa i comporta.  Tot i que el que cal fer és senzill, aconseguir en 30 anys,  no ho és.

Suposant un major esforç per obtenir un major ritme de creixement renovable, no serà  segur al 100% substituir tots els combustibles fòssils per l'any 2050. Això no és per les energies renovables ja que, per exemple,  altres fonts d'energia baixes en emissions de CO2 com és la nuclear, trigarien molt més a construir-se i això podria  generar més endarreriment.

Llavors, hi han altres recursos per guanyar temps?  Respecte a la captura de CO2, tot i que s'està estudiant amb gran atenció, sembla poc probable que faci una contribució significativa. Hi han investigacions que expliquen que l'eliminació de CO2 mitjançant la captura i emmagatzematge de carboni o la captura directa d'aire no es produirà a gran escala, perquè aquestes tecnologies són especulatives, arriscades i molt cares.

Un canvi de comportament individual ajuda, però no ni ha prou. L'Agència Internacional de l'Energia reconeix que el les emissions zero per al 2050 requerirà canvis de comportament i canvis tecnològics. Però els exemples que posa són merament simbòlics, com rentar la roba amb aigua freda, assecar-la amb estenedors i reduir els límits de velocitat a les carreteres.

L'informe del Grup Intergovernamental sobre el Canvi Climàtic de 2022 sobre la mitigació del clima va fer un pas més, reconeixent la importància de reduir col·lectivament el consum d'energia. Per fer-ho eficaçment, calen polítiques valentes dels governs.

Els països rics són els responsables de la majoria de les emissions de gasos d'efecte hivernacle. D'això se'n dedueix que cal reduir el consum als països amb ingressos alts, alhora que es millora el benestar social.

Són conegudes les tecnologies  pel canvi climàtic i així,  fer-hi front: renovables, electrificació, hidrogen verd. Però tot i que aquests ajudaran a impulsar una transició ràpida, encara no estan dissenyades per minvar el consum. 

Ramon Gallart

Mobilitat elèctrica sostenible.

Un dels majors reptes als quals s'enfronta el transport modern ara i en el futur és la transició completament a la mobilitat elèctrica sostenible. 

Una de les línies d'investigació té com a objectiu trobar la viabilitat i una implementació de prototips de carreteres solars amb capacitats de càrrega sense fils i investigar l'ús de turbines de vòrtex sense pales a a petita escala al llarg de les carreteres. 

Com que hi ha una necessitat essencial per incorporar tecnologia de transferència d'energia sense fils amb carreteres solars i investigar la influència dels camps magnètics per alleujar els problemes relacionats, principalment la disminució de l'acoblament mutu a causa dels corrents de Foucault produïts a la part posterior de la cel·la solar. 

A més, es redueix el cost dels materials de la plataforma de càrrega d'energia sense fils i la generació d'energia solar. Conseqüentment, s'han d'investigar diverses bobines i materials per reduir les pèrdues, identificar els límits tèrmics i de densitat de potència de les pastilles de càrrega, investigar problemes de refrigeració i crear dissenys/sistemes eficients. Per satisfer aquestes necessitats, s'investigaran i implementaran carreteres solars equipades amb sistemes sense fil inductius mitjançant el desenvolupament de models de camps magnètics i l'estudi dels seus efectes sobre les carreteres solars per ajudar els dissenys de carreteres actuals i futures.

A més, el desenvolupament de fonts d'energia sostenibles s'ha convertit en una prioritat mundial i l'energia solar és una de les més madures, ja que s'ha desenvolupat i implementat durant diverses dècades. S'espera que la demanda del mercat, així com les millores en la tecnologia, facin que la generació d'energia solar sigui més competitiva, eficaç i eficient quan es combinen panells fotovoltaics i carreteres amb un recobriment de pel·lícula no reflectant aplicat per abordar el problema de la reducció de la generació d'electricitat. 

Una altra opció sostenible  a investigar, és utilitzar innovadores turbines eòliques sense pales,  juntament amb la generació fotovoltaica per ajudar a augmentar la generació d'energia  per avançar en el procés de transició a la mobilitat elèctrica.

Les turbines sense pales funcionen a partir de l'ús de la ressonància mecànica per extreure l'energia eòlica, anomenada tecnologia de vòrtex de vent. La turbina està oscil·lant per captar l'energia eòlica en lloc del moviment de rotació tradicional de la turbina basat en el concepte de vòrtex de Kármán. 

En conseqüència, cal avançar intensament per millorar diversos problemes de la mobilitat elèctrica, com ara el servei al client, la seguretat, la mobilitat, la sostenibilitat i la competitivitat econòmica mitjançant enfocaments moderns d'innovació i tecnologia 

Ramon Gallart

Primer ordinador electrònic programable de propòsit general.

L'Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC), va ser  en el 1945 el primer ordinador electrònic programable de propòsit general del món. El maquinari d'ENIAC va ser dissenyat per John Mauchly i J. Presper Eckert, però els programes que executava eren en gran part  realitzat per un equip de sis dones.

Durant dècades, aquestes dones van ser desconegudes. Kathy Kleiman, quan era estudiant de grau, va començar a investigar qui eren. 

Durant la Segona Guerra Mundial, l'exèrcit necessitava gent per calcular trajectòries balístiques o taules de tir d'artilleria manualment ja que els matemàtics masculins es quedaven curts. L'exèrcit va buscar dones especialitzades en matemàtiques per portar-les a l'Escola d'Enginyeria Elèctrica Morse, que és on van  calcular a mà trajectòries balístiques mitjançant calculadores mecàniques. Però calia entre 30 i 40 hores, per calcular una única trajectòria per a un conjunt de condicions meteorològiques donades  y  una única pistola i projectil, per tant és lògic entreveure que l'exèrcit necessitava centenars de trajectòries per taula de tir.

Durant els dies de guerra, a principis de 1943, quan no es veia un final, es va acordar finançar l'experiment d'un noi visionari que en aquell moment,  també es trobava a l'escola Moore. Era  el Dr. John Mauchly, qui es va associar amb Presper Eckert, que en aquell moment tenia 23 anys, un jove llicenciat en enginyeria. Amb el finançament de l'exèrcit, van construir aquesta màquina que no havia de funcionar: se suposava que  els 18.000 tubs de buit mai no podrien funcionar. Però ho van fer amb una màquina de 2,5 m peus d'alçada i 25 m de llarg.

Però  calia saber fer els càlculs de  trajectòria balística amb la màquina, í per això, un matemàtic i tinent de l'exèrcit anomenat Herman Goldstein va escollir sis dones entre un centenar. A elles [Kathleen Antonelli, Jean Bartik, Betty Holberton, Marlyn Meltzer, Frances Spence i Ruth Teitelbaum] se'ls donen els diagrames de cablejat i els diagrames de blocs i se'ls hi demana que facin l'equació de la trajectòria balística.

Les sis dones, sense tenir accés  ni tan sols, per veure l'ordinador, gràcies al que ara s'anomena programació directa, van aconseguir fer-ho essent un èxit durant la jornada de demostració el 6 de febrer de 1946, data que es va presentar l'ENIAC.

Ramon Gallart

Innovar va en contra la nostra manera de pensar?

Les empreses sorgeixen i desapareixen. En el decurs dels anys, hem vis com una invenció casual pot transformar tot el sector productiu industrial i en certs casos, canviar tot el món.

A través de fer moltes proves i tribulacions amb una decidida visió dels empresaris emprenedors, al llarg dels anys, s'han après algunes coses. Viatjar pel complex món dels negocis, les empreses i la tecnologia pot ser incòmode per els aspirants que solem ser vistos com agitadors i incomodes. Afortunadament, la saviesa que hem obtingut del passat, ens ha deixat consells atemporals que finalment s'han convertit en un cànon empresarial.

Llavors, per què empreses que han estat referents amb un alt posicionament acaben perdent el seu lideratge? Clayton Christensen en el seu llibre “The Innovator’s Dilemma”va explicar que la raó principal està en el factor d’innovació en concret, fa referencia a que una tecnologia disruptiva pot tenir conseqüències no desitjades per la permanència d’una empresa.

Avui dia, un dels models de negoci que està patint una gran transformació, és l’energètic i en aquest sentit, la innovació és clau per adaptar-se al nou context gràcies al estar explorant diferents models de negocis i així, estar llestos per la seva implantació abans que algú ho faci abans que nosaltres, si volem tenir una proposta de valor diferencial. Però, no s’ha de confondre la innovació amb la resiliència en el sentit d’intentar recuperar el model de negoci que ha estat vigent durant els llargs darrers anys. Llavors, es pot entreveure, com la transició energètica, i de forma inexorable, acabarà disruptant (agregadors, mobilitat elèctrica, comunitats energètiques)el model tradicional (distribució, generació, comercialització) essent necessàries noves habilitats dins l’empresa per tenir un posicionament i així, aconseguir que els clients que tenen relació amb els diferents actors, tinguin una motivació per escollir quin proveïdor energètic els genera una proposta de valor a la qual, estiguin disposats a ser clients  seus (no consumidors).

En els més de trenta anys que porto en el món energètic, he escoltat la frase la qual, al principi em constava entendre i diu: “ les persones van passant i les empreses van quedant”. Vaig comprendre millor el significat anys més tard després de llegir a James C Colins i Jerry I.Porras. Ells, van definir el que van anomenar empreses visionaries com aquelles que tenen una visió clara i nítida. Aquestes, tindran èxit independentment quins siguin els seus líders. De fet, les empreses amb molts anys veuen com els seus productes/serveis queden obsolets i ben segur, passarà en el sector energètic, el mercat que coneixen, desapareixerà.

Per tant, les empreses més “tradicionals” del sector energètic, han de posar en marxa noves idees les quals, han de lluitar amb una visió del sector molt estàtica i arrelada en un pensament molt individualitzat que acostuma a qüestionar el pensament més innovador que sempre costa d’entendre i trobar el valor de la feina que fa.

Per exemple, un dels tangibles de la innovació és generar maneres líquides de pensar diferents i ajudar als negocis a coordinar l’exploració estratègica amb el dia a dia sempre, amb un focus alineant a les expectaves i la raó de ser de l’empresa, amb cooperació i amb una escolta molt activa. En aquest sentit, recomano la lectura del llibre “L’element Humà” de Loran Nordgren i David Scholand, en el que s’explica, com els innovadors que volen introduir una nova idea o innovació solen suposar que la millor manera de fer que la gent l'adopti, és augmentar-ne l'atractiu gracies a introduir el concepte “combustible” com a mecanisme per fer incrementar l’interès d’una idea i motivar el desig de canvi (avui molt necessari en l’entorn tant fràgil que vivim). Aquest “combustible” és el mecanisme que ha de permetre al nostre entorn, influir amb els atribuït i els beneficis positius que venen associats amb una la “nova manera” d’entenent quines son les limitacions crítiques anomenades com a “friccions” (Els autors, identifiquen 4 friccions que sempre s’oposen a la innovació i el canvi, aquestes són: la inèrcia, l’esforç, l’emoció i la reactància). Per això hi ha un anàlisi de tots els factors psicològics que generen fricció per a l'adopció d'aquesta innovació. Per tant. davant una empresa amb mentalitat basada en la fricció, la millor pràctica és treballar per reduir les “friccions”, en comptes d’afegir-ne més “combustible”

Ramon Gallart

Crisi energètica i les renovables.

La crisi energètica està provocant una acceleració del desplegament de les energies renovables, treballant fermament per assolir els ambicioses objectius que calen contra l'escalfament global.

El creixement de la capacitat total renovable a tot el món gairebé es duplicarà en els propers cinc anys. Això són 2.400 GW entre el 2022 i el 2027 el que significa gairebé un 30 % més del que va pronosticar l'Agencia Internacional de l'Energia (AIE) de l'any 2021. Això ajudarà a mantenir viva la possibilitat de limitar l'escalfament global a 1,5 ºC.

La invasió d'Ucraïna, ha provocat una crisi energètica i ha impulsat els països d'Europa a diversificar els seus subministraments. Les renovables ja s'estaven expandint, però la crisi energètica global les ha impulsat a  fer-ho encara més ràpid, ja que els països busquen capitalitzar els seus beneficis sobre la seguretat energètica.

El món està preparat per incloure i gestionar tota aquesta energia de fonts renovables pels propers cinc anys de la mateixa ,manera que, sota un altre context, ho va fer  a principis del segle XX.

Aquest és un clar exemple de com l'actual crisi energètica pot ser el punt d'inflexió que faci possible un futur sistema energètic més net i segur arreu del món. Es preveu que la capacitat d'energia de fonts renovables afegida a Europa entre el 2022 i el 2027 sigui el doble que el que vas ser fa cinc anys, segons l'AIE.

Els països de la UE podrien fer un desplegament de l'energia eòlica i solar encara més ràpidament si fos possible agilitzar ràpidament els tràmits administratius per  rebre els permisos. Si be és cert que la mateixa AIE, preveu un impuls per a noves polítiques i reformes del mercat que facin realitat obtenir permisos  més ràpidament.

També, s'espera que la Xina representi gairebé la meitat de les noves capacitats mundials d'energia renovable en els propers cinc anys.

Ramon Gallart

Fiabilitat dels Power Electronics Devices (PED)

La xarxa elèctrica s'està transformant amb la inclusió de diverses fonts de generació i noves càrregues. Aquesta transformació és possible gràcies a la tecnologia dels convertidors d'electrònica de potència Power electronics devices (PED).

Els PED són un actiu clau els quals, ajuden a unir el flux d'energia entre els sistemes de generació i les càrregues. Per tant, cal que aquests PED siguin fiables i estiguin dissenyats tenint en compte tots els possibles problemes que es poden produir durant el seu funcionament. La fiabilitat dels PED no només depèn del propi estat, sinó també dels sistemes connectats i les condicions ambientals.

Per exemple, una fallada provocada per una falta homopolar provocarà una càrrega potencialment insegura del PED. Tot i que es defineixen estàndards per fer funcionar els PED donada una avaria, la tensió introduïda al PED afecta a la seva vida útil o augmenta la taxa de fallada. Per tant, és essencial relacionar les proves de fiabilitat dels PED amb les avaries o pertorbacions del sistema connectat. En general, els procediments per provar la fiabilitat d'un subsistema en un sistema s'han de definir tenint en compte el comportament global del sistema.

Per això, s'estableixen estàndards i procediments de prova per dur a terme les proves de fiabilitat d'un sistema i dels subsistemes que interactua un PED. Tanmateix, és un repte definir un enfocament per avaluar la fiabilitat dels subsistemes connectats entre si dins d'un sistema. La causa, el tipus i el comportament de les avaries o pertorbacions varien segons l'aplicació, el nivell de potència, les condicions ambientals i les condicions de funcionament. Per exemple, no és el mateix un inversor integrat en un sistema de propulsió d'un VE i un inversor fotovoltaic (PV) que subministra l'energia generada a la xarxa elèctrica. 

Les avaries en l'inversor d'un sistema de propulsió del vehicle elèctric es poden produir, per exemple, a causa de canvis en el perfil d'acceleració del conductor o per vibracions mecàniques que pateix el cotxe durant la conducció, mentre que en el cas del sistema de generació fotovoltaica, la possibilitat d'avaria o pertorbació per vibració mecànica és mínima. Una solució per determinar la fiabilitat dels PED pel que fa a la seva aplicació, nivell de potència, condicions ambientals i condicions de funcionament és l'adopció de proves de perfil basades en el que han de fer.

Tanmateix, aquesta solució és difícil d'aplicar en un escenari de sistemes complexos d'alimentació, ja que les proves de fiabilitat en aquests sistemes complexos se centren més en aspectes a nivell de sistema que en (sub)sistemes menys complexos, on els components individuals són molt més rellevants. Quan es considera la fiabilitat del sistema elèctric, la preocupació principal no rau en els subsistemes específics que hi ha dins, sinó en la capacitat global de garantir el subministrament a les càrregues connectades. A més, a curt termini, la fiabilitat del sistema elèctric s'especifica per la seva capacitat de suportar qualsevol interrupció o contingència. Si la fiabilitat del sistema d'alimentació cada cop depèn més d'un gran nombre de sistemes o subsistemes de nivell inferior en contrast amb les centrals elèctriques a gran escala, tindran un creixent impacte en la fiabilitat global del sistema.

Les actuals xarxes elèctriques incorporen cada cop més PED a causa de l'augment de la generació d'energia renovable. A part de les renovables, integrar electrolitzadors de major capacitat (de l'ordre de MW) amb sistemes d'emmagatzematge d'energia a gran escala i carregadors de vehicles elèctrics bidireccionals fan dia a dia més necessaris l'adopció dels PED en un sistema elèctric. 

No obstant, els PED són un dels components més vulnerables del sistema elèctric, ja que són molt propensos a fallades de desgast. En general, el fabricant d'un PED defineix la vida útil segons condicions particulars de prova. Aquestes condicions podrien variar en un escenari de desplegament en temps real. Les tensions degudes a una pertorbació única o nova en el sistema d'alimentació introdueixen una nova fatiga al PED, que redueix la vida útil. 

El pronòstic és una solució al problema, però requereix un desenvolupament detallat de models de control de condicions que incorporin múltiples paràmetres físics, mecànics o qualsevol altre. Desenvolupar procediments de prova de fiabilitat modificant els existents i identificant-ne els més adequats és una possible solució. A més, els procediments de prova també haurien de tenir com a objectiu caracteritzar els paràmetres que influiran en el funcionament del PED en funció del tipus de sistema o escenari en què s'ha pensat usar.

Font: Ramon Gallart

Risc en l'explotació d'una xarxa de distribució.

El nombre d'interrupcions en el sistema de distribució elèctric és molt petit a la majoria de països industrialitzats. Aquesta alta fiabilitat s'aconsegueix  assegurant línies de distribució i subestacions durant l'etapa de planificació i mantenir reserves (n-1) suficients durant l'explotació.

El criteri (N-1) té algunes limitacions: de vegades és insuficient, pot crear barreres innecessàries contra noves produccions i consums, i no permet cap compensació entre riscos operacionals i altres riscos.

L'ús de mètodes estocàstics ofereix oportunitats per superar aquestes limitacions. Els mètodes estocàstics s'utilitzen per a la planificació a llarg termini dels sistemes de distribució, normalment anomenats "avaluació de la fiabilitat" que quantifica el rendiment de la xarxa en finestres temporals de diversos anys.

A l'altre costat de l'escala, per a curt termini, com podria ser intervals de 24 hores, els mètodes estocàstics s'utilitzen poques vegades. El principi bàsic d'aquesta anomenada "avaluació del risc operacional" es va introduir a la dècada de 1960 que va desenvolupar en una sèrie d'estudis amb la finalitat de que els distribuïdors ho apliquin.

El risc operacional o d'explotació d'un sistema de distribució es defineix com el producte de la probabilitat p(c) d'una contingència que es produeixi dins del temps d'execució i un factor de gravetat F(c) per a aquesta contingència, sumat a totes les contingències, c =1⋯ Nc.  

Això també es pot interpretar com el valor esperat del factor de gravetat ja que regula els passos i càlculs en l'anàlisi del risc operacional.

Una contingència és la situació en què un o més elements del sistema de distribució no estan disponibles quan  són necessaris. El càlcul de la probabilitat que això passi requereix un model de indisponibilitat per als components implicats, així com les dades de la taxa de fallada i la taxa de reparació. Això inclou dades sobre errors en mode comú, ocults i dependents. Obtenir aquestes dades és un repte, però no és l'únic. 

Pel que fa a la modelització, els reptes inclouen elements de xarxes intel·ligents, la participació del client i la qualificació dinàmica de la línia. El nombre de contingències possibles és molt gran: per a un sistema format per 30 elements simples, hi ha mil milions de contingències. Així, ja per a un sistema  petit, no és possible obtenir la suma anterior sobre totes les contingències possibles. S'ha de fer una selecció; això s'anomena "filtratge de contingències".

Un altre repte és obtenir definicions adequades per al factor de gravetat. El factor de gravetat és una mesura de l'impacte d'una contingència; això podria afectar el sistema com podria ser una sobrecàrrega o baixada de la tensió que sense dubte impactaria en els usuaris connectat en la xarxa observat com el nombre de clients sense subministrament elèctric, o podria expressar-se en termes econòmics. Hi ha un gran nombre de definicions de possibles factors gravetat.

Un flux de càrrega s'utilitza per determinar com la pèrdua d'un o més elements (una contingència) afecta la xarxa i/o els seus clients. La principal limitació del nombre de contingències que es poden incloure és a la pràctica el temps que es necessita per calcular un factor de gravetat. La definició del factor de gravetat requereix un compromís entre la precisió dels resultats i la velocitat de càlcul. Per això, cal definir factors de gravetat que siguin relativament fàcils de calcular però que permetin una mesura prou precisa per al risc d'interrupcions en cascada.

El concepte de risc operacional ha existit des de fa diverses dècades, però no s'ha aplicat. Les dues principals barreres contra el seu ús pràctic han estat l'èxit del criteri (N-1) i les limitacions en models, dades i potència computacional. Tanmateix, la velocitat i la potència computacionals han augmentat de manera que ja no hauria de ser un problema. També hi ha més experiència amb l'ús de mètodes estocàstics que fa diverses dècades. Al mateix temps, la necessitat de mètodes estocàstics ha augmentat a mesura que l'energia eòlica i solar introdueixen nous tipus d'incertesa. Els diferents tipus de desenvolupament social també fan que sigui més important equilibrar els diferents riscos. El risc operacional del sistema de distribució s'ha d'equilibrar amb els riscos econòmics, socials, ambientals i polítics.

Hi han diferents possibilitats per aplicacions de l'avaluació del risc operacional.

1.- Anàlisi de les principals contingències: El risc operacional es pot calcular com a part de l'anàlisi postmortem de l'estat del sistema just abans o després d'un incident important. Aquesta aplicació permetria als operadors de sistemes de distribució obtenir experiència amb l'avaluació del risc operacional abans d'utilitzar-la en la planificació o explotació real.

2.- Planificació diària basada en el risc: El risc operacional es pot calcular a partir de la generació horària, el consum i el flux de càrrega resultant de les liquidacions del mercat diaris. El risc calculat es pot utilitzar per decidir si cal intervenir en el mercat.

3.- Explotació basada en el risc: El risc operacional es pot tornar a calcular quan les condicions canvien significativament en comparació amb la planificació del dia anterior. Això pot ser a causa de la pèrdua d'una gran unitat de producció o d'una gran línia de transport; però també podria ser que el consum o la producció d'energia eòlica es desviï molt de la seva predicció. Llavors, quan el risc es considera massa elevat, es poden prendre mesures.

El principal repte, abans d'arribar a aplicacions pràctiques de l'avaluació del risc operacional és la definició, presentació i interpretació dels resultats de l'avaluació. Com un primer pas per l'establiment d'un conjunt comú de definicions de factors de gravetat, permetria l'anàlisi comparativa i l'intercanvi d'experiències entre els operadors de sistemes de distribució. Això, donaria  lloc a una manera més intel·ligent d'obtenir una alta fiabilitat per als sistemes de distribució d'energia.

Font: Ramon Gallart

El canvi energètic no es produirà per si sol.

L'augment dels preus del gas i del petroli provocat per la invasió russa d'Ucraïna podria ajudar a accelerar la transició energètica. Però els alts preus no seran suficients per garantir el seu èxit.

Els governs de les capitals europees, ràpidament s'adonen que Putin utilitza l'energia com a eina estratègica en política exterior. En resposta a la invasió d'Ucraïna i els alts preus de l'energia, es busca obtenir la independència energètica de Rússia, per exemple, accelerant la construcció de noves terminals de GNL provinent de Qatar i allargant la vida útil d'algunes les centrals elèctriques. Segur que  cremar carbó per produir electricitat ens fa tornar al segle passat, però la realitat va ser que l'any 2020, el 13 % de l'electricitat a la UE va ser generada per centrals de carbó. Si es manté elevat el preu del gas, no només les energies renovables seran més atractives; pot ser el carbó serà més econòmic.

Un altre efecte dels alts preus de l'energia és que fan augmentar la inflació. De fet, el Banc Central Europeu estima que l'energia és responsable de més de la meitat de l'augment de la inflació. Aquesta és una mala notícia per a la transició energètica, ja que les fonts d'energia renovables són més intensives en capital que els combustibles fòssils. Si la inflació augmenta, també ho faran els costos de finançament, fent que desproporcionadament, les renovables siguin més cares. A més, els governs europeus han començat a plantejar-se retallar les subvencions a les renovables, ja que els costos han disminuït prou per fer-les competitives. En conseqüència, el preu del carboni hauria de convertir-se en la pedra angular de la política de clima econòmic, un debat que és familiar a Suïssa.

En un recent estudi publicat a Nature Energy, s'ha analitzat la situació i s'han identificat riscos. Si s'han d'assolir els objectius climàtics enmig de la inflació i l'eliminació progressiva de les subvencions a les energies renovables, el preu del CO2 de moment, serà més baix (ja que és car construir energies renovables), però sembla ser que en el futur augmentarà. Això significa que la rendibilitat de les empreses que generen energia a base de carbó i gas segueix sent alta a curt termini, i sorgeix una situació política complicada: els defensors de les energies renovables no aconsegueixen suport prou ràpid, mentre que els seus oponents es mantenen forts a curt termini.  Això comporta el risc d'una reacció política. És probable que el lobby dels combustibles fòssils pressioni per reduir els preus del carboni, cosa que dificulta la implementació d'una política ambiciosa de canvi climàtic. De fet, hi han veus que ja es pronuncien en contra dels alts preus de les emissions de CO2.

Quina seria una resposta intel·ligent per seguir endavant amb el canvi energètic?

En primer lloc, cal continuar avançant amb la transició cap a un sistema d'energies renovables. Alemanya ha destinat 200.000 milions d'euros a inversions en descarbonització i una major independència dels combustibles fòssils importats durant els propers quatre anys. Des de la invasió d'Ucraïna per part de Rússia, també s'ha convertit en un tema candent en la política suïssa: només a la sessió parlamentària de primavera es van presentar més de 100 mocions relacionades amb l'energia. Suïssa ha de seguir el mateix i obrir el camí per a les renovables: afegir capacitat solar als Alps, per exemple, podria aportar beneficis reals. I el procés d'aprovació d'aquestes centrals s'hauria d'aclarir sense demora.

En segon lloc, hauríem d'abordar les crides polítiques per reduir amb precaució els preus de la gasolina, el gasoil i els carburants. Aquest alleujament no s'hauria d'aplicar de manera aleatòria, sinó, durant un període limitat i de manera específica per esmorteir les conseqüències socials. Perquè distorsionant els preus a favor de les energies fòssils, les reduccions posen en perill la transició cap a l'energia sostenible. A més, perllonguen una dependència dels combustibles fòssils que persistiria encara que el gas rus fos substituït per gas de Qatar.

En tercer lloc, Suïssa ha de ser més previsor a l'hora de promoure i donar suport a la conversió de la infraestructura. Glaris i Zuric han donat un bon exemple, i des que van prohibir els sistemes de calefacció de gasoil i gas (Zuric a partir del 2040), els propietaris cada cop passen més a les bombes de calor. No obstant això, aquells que volen comprar una bomba han d'esperar fins a sis mesos, conseqüència directa del fracàs dels polítics a l'hora d'impulsar el desenvolupament d'aquest sector.

L'augment dels preus del petroli i del gas no provocarà miraculosament el final de l'era dels combustibles fòssils, però abordant les dependències energètiques, els polítics poden ajudar a establir el rumb cap a una Suïssa neutra en CO2. En recerca energètica, es parla d'un "trilema" entre assequibilitat, sostenibilitat i seguretat. Les energies renovables són ara assequibles i són clau per a un subministrament d'energia sostenible. Darrerament, també s'han fet evidents els seus beneficis des d'un angle de neutralitat i política de seguretat. 

Font: M. Pahle et al, Safeguarding the energy transition against policy backlash to carbon markets, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-00984-0

The Innovator's Dilemma.

D'aquest text de l'autor Christensen , destaca que una empresa ben gestionada no pot canviar cap a un nou enfocament el qual, finalment substituirà el seu model de negoci actual.

Un dels clars exemples d'això va ser la fotografia. Les grans empreses molt rendibles que feien pel·lícules sensibles per a càmeres sabien a mitjans dels anys noranta, la fotografia digital seria el futur, però mai es va trobar el millor moment per fer el canvi ja que es creia que es perdrien diners. Llavors, noves empreses que van apostar per fer càmeres digitals, van desplaçar-les del mercat.

Una altre lliçó del llibre, no te tan d'anomenada  per tant, es recorda menys. Aquestes emergents noves empreses podrien passar anys amb una tecnologia de menor qualitat. No obstant això, sobreviuen trobant un nou nínxol que les grans empreses que tenen el mercat no són capaç d'atendre. És aquí on en silenci, fan créixer les seves capacitats.

Per exemple, les primeres càmeres digitals tenien una resolució molt més baixa que les càmeres de pel·lícula, però també eren molt més petites. 

Aquest fet, també s'aplica a la recerca. Un gran exemple d'un nou enfocament de baix rendiment va ser la segona onada de xarxes neuronals durant els anys vuitanta i noranta que finalment revolucionarien la intel·ligència artificial a partir del 2010.

Els diferents tipus de xarxes neuronals s'havien estudiat com a mecanismes per al machine leanrning des de principis de la dècada de 1950, però no eren gaire bones obtenir resultats interessants sobre aprenentage.

El 1979, Kunihiko Fukushima va publicar la seva investigació sobre una cosa que va anomenar xarxes neuronals de canvi invariants, això,  va permetre que les seves xarxes autoorganitzades aprenguessin a identificar i classificar els dígits escrits a mà des d'una imatge. Aleshores, als anys 80, es va redescobrir una tècnica anomenada retropropagació la qual, va permetre una forma d'aprenentatge supervisat en què es deia a la xarxa quina hauria de ser la resposta correcta. El 1989, Yann LeCun va combinar la retropropagació amb les idees de Fuksuhima en el que s'ha acabant coneixent com a xarxes neuronals convolucionals (CNN). 

Durant els següents 10 anys, l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia dels EUA (NIST) va crear una base de dades, que va ser modificada per LeCun, que constava de 60.000 dígits d'entrenament i 10.000 dígits de prova. Aquesta base de dades de proves estàndard, anomenada MNIST, va permetre als investigadors mesurar i comparar amb precisió l'efectivitat de diferents millores a les CNN. Hi va haver molts avenços, però les CNN no eren rivals per als mètodes consolidats d'IA en visió per ordinador quan s'aplicaven a imatges arbitràries generades pels primers cotxes autònoms o robots industrials.

Però durant la dècada del 2000, es van afegir cada cop més tècniques d'aprenentatge i millores algorítmiques a les CNN, donant lloc al que ara es coneix com a deep learning. El 2012, de sobte, i aparentment del no-res, el deep learning va superar els algorismes estàndard de visió per ordinador en un conjunt d'imatges de prova d'objectes, conegut com ImageNet. El "pobre" de la visió per ordinador va triomfar i va canviar completament el camp de la IA.

Però compte. El missatge del llibre de Christensen és que aquestes interrupcions mai s'aturen. Hi ha petits grups de gent que intenten tot tipus de coses noves, i alguns d'ells també estan disposats a treballar en silenci i contra tot pronòstic durant dècades. Un d'aquests grups algun dia ens sorprendrà a tots.

Aquest aspecte de la disrupció tecnològica i científica, és el que ens fa grans humans i, perillosos.

Font: L'altra cara del dilema de l'innovador per Rodney Brooks