Millores de les bateries de Ió-Li.

De tots els elements de la taula periòdica, el silici té la més alta capacitat de combinar-se amb el liti. Pot contenir deu vegades més ions de liti que els comuns ànodes de grafit de les bateries actuals d'ió de liti. Diversos fabricants d'automòbils i startups de bateries, estan buscant ànodes de silici per a la propera generació de bateries de vehicles elèctrics més lleugers i siguin de llarg abast.

Amprius Technologies de Fremont, Califòrnia ha fet saber que disposa d'una bateria amb ànode de silici amb gairebé el doble de densitat d'energia que la majoria de bateries que hi ha avui en dia per vehicles elèctricss. PEr altre banda, el laboratori d'assaitjos i certificacions Mobile Power Solutions,  va verificar la densitat d'energia de 500 Wh/kg d'aquesta nova bateria.

Les típiques bateries utilitzades per Tesla i altres fabricants es troben en el rang de 250 a 300 Wh/kg de manra que les cel·les d'Amprius Technologies, tindrien el doble d'autonomia per a un mateix pes del vehicle o, es possible tenir la mateixa autonimia amb una bateria més lleugera i així, incrementar l'eficiència del quilometratge del cotxe.

Amprius està orientada per  aplicacions de l'aviació militar. Airbus utilitza bateries Amprius en la seva plataforma totalment solar elèctrica, anomenada Zephyr, per a les telecomunicacions i l'observació de la Terra. També,  BAE Systems està utilitzant les seves bateries pels seus avions de vigilància no tripulats.

L'objectiu del proper mercat de l'aviació, és el vol elèctric comercial, incloent drons i transport aeri urbà. Els taxis aeris necessiten bateries que  puguin emmagatzemanr molta energia i també es pugui lliurar ràpidament. Els vehicles voladors han d'enlairar-se i aterrar i en ambdós casos necessiten una gran potència. 

Els ànodes de silici són perfectes per a això. En teoria, poden emmagatzemar 3.600 mAh/g de liti teoria, en comparació amb els 372 mAh/g del grafit. També són molt prims i porosos, de manera que els ions que entren i surten de l'estructura són molt ràpids i aaaixò significa que donen una càrrega ràpida i una descàrrega d'alta de potència. Per exemple, el desembre del 2021, Amprius va demostrar fer una càrrega del 80%  de la seva bateria només en sis minuts.

L'elevada energia i també potència, provenen de l'ús de silici pur. Altres competidors combinen silici,  ja sigui com a partícules esfèriques o nanocables, amb grafit. Però Amprius fa créixer directament el nanocables de silici des del substrat del col·lector i no barreja cap grafit ni aglutinant, la qual cosa accelera el moviment dels ions de liti.

Tanmateix, queda per veure quan les bateries d'ànode de silici tindran gran presdencia en el meercat pels taxis aeris i als vehicles elèctrics. Amprius es va fundar el 2008 gràcies a particiapr en una investigació de la Universitat de Stanford. Des de llavors, les millores en els materials i el disseny de les cel·les han augmentat lentament el rendiment; la densitat d'energia ha augmentat al voltant d'un 10 % anual durant l'última dècada.

Però l'alt cost i el baix volum de producció dels ànodes de silici pur són els obstacles que ara hi ha que resodre. Actualment, l'empresa produeix bateries a petita escala per pilots. 

Amprius diu que tenen previst augmentar la fabricació per fer bateries prou grans a un cost raonable per a taxis voladors. A principis de març, va anunciar  la intenció de fer una instal·lació a Brighton, Colorado, que serà capaç de produir 5 GWh de bateries d'ions de liti basades en ànode de silici. La instal·lació, que s'obrirà el 2025, està finançada en part per una subvenció de 50 milions de dòlars rebuda l'octubre del 2022 del Departament d'Energia dels EUA.

Entrar al mercat dels vehicles elèctrics requerirà un cost unitari encara més baix, cosa que trigarà més temps. La diferència entre el que han aconseguit i on en aquest moments es troba la indústria  és molt gran. És una tecnologia molt diferent. És com comparar ions de liti amb hidrur de níquel-metall o plom-àcid. Aquest es el salt real que cal fer.

Font:  Prachi Patel és un periodista independent amb seu a Pittsburgh. Escriu sobre energia, biotecnologia, ciència dels materials, nanotecnologia i informàtica.

Transició cap el VE.

Diversos sectors han expressat que els vehicles elèctrics arribaran a la paritat de preus amb els vehicles de motor de combustió interna (ICE) a l'any 2025. Altres fonts, manifesten que no és probable.

L'Agència Internacional de l'Energia preveu que els vehicles elèctrics constituiran més del 60 % dels vehicles venuts arreu del món l'any 2030. Però, atesa la necessària gran quantitat de liti, cobalt i altres matèries primeres per a les bateries, aquesta xifra sembla que podria ser molt optimista tret que s'obrin prop de 300 noves mines i refineries, segons va explicar  l'empresa d'anàlisi Benchmark Mineral Intelligence.

Altrament i segons el context actual dels preus, cal demanar al usuaris de VE que cerquin la millor franja horaria per fer la càrrega del seus VE que no sempre és per les nits.

Altres plantejaments semblen ser contradictòries sobre la transició als vehicles elèctrics donat que no està clar si els vehicles elèctrics col·lapsaran o no la xarxa elèctrica; la indústria del automòbil no te clar si tindrà un impacte en els llocs de treball i també hi han dos punts de vista sobre si els vehicles elèctrics no generaran més contaminació de la que eliminen.

Endreçar aquests dubtes requereix un anlisi i fer cerca sobre la veracitat de les afirmacions sobre la transició als vehicles elèctrics. El resultat s'explica en el llibre elèctronic, The EV Transiti en el qual,  s'exploren els problemes tecnològics, polítics i socials els quals, estan estretament vinculats. Els articles es basen en nombroses entrevistes que es van realitzar amb directius i enginyers de les indústries de l'automòbil i l'energia, així com experts en polítiques, investigadors acadèmics, analistes de mercat, historiadors i propietaris de vehicles elèctrics. També es van revisar centenars d'informes, casos d'estudis, llibres sobre vehicles elèctrics i xarxes elèctriques.

El que es va trobar és una xarxa complicada d'innovació tecnològica, complexitat i incertesa, combinada amb el mateix optimisme i disfunció de les polítiques. Fins ara, les polítiques s'han fonamentat en unes expectatives optimistes en base que el públic no acceptaria la transició als vehicles elèctrics si aquesta es sense planificar i coordianar amb punts de recàrrega, més cara i durnat més temps.

La transició per combatre el canvi climàtic cap als vehicles elèctrics i les energies renovables són objectius vàlids en si mateixos. Reduir l'ús de combustibles fòssils és clau per assolir aquests objectius. Tanmateix, intentar fer aquestes transicions en un període tan curt, està ple de problemes, riscos i conseqüències imprevistes que necessiten d'una autocrítica perquè es pugui abordar de manera activa i realista. Pensar en una escalabiltiat no significa només fabricar milions de vehicles elèctrics a l'any, sinó donar-los suport des de la recàrrega fins als manteniment.

Per tant, cal d'un gran esforç perquè això passi. Transformar simultàniament els sectors de l'energia i el transport implica treballar amb un gran nombre de variables, unes conegudes i altres desconegudes, que interactuaran de manera complexes i imprevisibles. A mesura que els vehicles elèctrics i les energies renovables augmentin la seva penentració a les xarxes elèctriques, els problemes i les solucions s'extendran. Cada nova solució que es proposi, probablement crearà noves dificultats. A més, l'escal·labiltiat  podrria amenaçar les creences, les formes de vida i els mitjans de vida de la societat sobre tot, per la gent gran, molts dels quals seran capaços de integrar-los en el seu dia a dia. El canvi tecnològic és dur, el canvi social encara més.

Voler correr per fer la transició cap als vehicles elèctrics és lògic. Hi ha zones del  planeta les quals,  ja estan experimentant desatres mediambientals, i la majoria de  governs de tot el món s'han compromès a actuar en virtut de l'Acord de París per limitar l'augment de la temperatura global a 1,5 °C per sobre dels nivells pre-industrials. Aquest acord requereix la reducció de gasos d'efecte hivernacle en tots els sectors industrials. El transport és un dels majors contribuents d'emissions de GEH i, molts experts consideren que substituir els vehicles de combustió per vehicles elèctrics, és la manera més ràpida i senzilla d'assolir l'objectiu  net zero d'emissions de carboni  per al 2050.

Tanmateix, transformar una indústria automobilística amb més de 125 anys d'història la qual, està optimitzada per a la producció de vehicles ICE a VE el quals,  utilitzen tecnologia emergent,  en si mateix és un gran repte. Exigir que els fabricants d'automòbils ho facin en 15 anys o menys és encara més complexe, encara que part d'això és no reconèixer que els vehicles elèctrics poden ser una amenaça per als seus models de negoci. Els vehicles elèctrics requereixen que els fabricants d'automòbils i els seus proveïdors reinventin les seves cadenes de subministrament, contractin empleats amb altres skils per desenvolupar nou programari, bateries i aplicar la mecatrònica. 

Els vehicles elèctrics no són només un canvi tecnològic per combatre el canvi climàtic, són un motor econòmic. Arreu del món, gairebé 60 països estan imposant prohibicions per la venta de vehicles ICE. 

Els vehicles elèctrics per si sols no són suficients per assolir els objectius de reducció de carboni, la qual cosa implica grans canvis en l'estil de vida per a la societat en general. La gent haurà de conduir i volar menys, caminar i anar més en bicicleta i, agafar el transport públic. La voluntat de la gent d'acceptar aquests canvis i la seva capacitat per implementar-los serà crucial per a l'èxit.

La introducció de qualsevol nou sistema genera alteracions que generen sorpreses, tant esperades  com no desitjades. Es pot afirmar que, passar ràpidament als vehicles elèctrics desencadenarà la seva bona part de sorpreses inesperades que molt segur seran desagradables.

Aquests canvis ràpids també mostren la fragilitat de la transició. Les constants peticions dels fabricants d'automòbils per obtenir més subvencions governamentals no són tranquil·litzadores. Les recents retallades de preus de Tesla, per exemple, han fet caure la indústria de l'automòbil. Tampoc és un signe d'un mercat segur en si mateix o de futur.

Aquesta fragilitat també és òbvia quan s'examinen les hipòteisis massa optimistes i les nombroses advertències sobre les recomanacions dels vehicles elèctrics i la política energètica. 


Ramon Gallart

Integrar electrolitzador i piles de combustible a les xarxes elèctriques.

L'hidrogen està guanyant importància com una font d'energia de valor per a la transició cap a sistemes d'energia baixes en emissions.

L'hidrogen es pot desplegar com a font elèctrica quan s'utilitza en piles de combustible per produir electricitat. Al mateix temps, la producció d'hidrogen mitjançant el procés d'electròlisi (també conegut com la tecnologia Power to Hidrogen (PtH)) actua com a càrrega. Aquestes dues tecnologies poden oferir beneficis a les xarxes elèctriques, com ara alleujar els punts de congestió, maximitzar la penetració d'energia renovable, oferir flexibilitat al sistema i oferir serveis de suport al sistema (per exemple, serveis de suport de freqüència per als TSO o de tensió pels DSO). Tot i que l'hidrogen pot aportar molts beneficis a les xarxes elèctriques, encara cal resoldre  com integrar aquestes tecnologies.

L'hidrogen comença a posiocionar-se com un combustible per una tecnologia alternativa per substituir els recursos basats en combustibles fòssils. S'espera que la demanda d'hidrogen es dupliqui el 2030 segons va publicar l'Agència Internacional de l'Energia (AIE), Hydrogen, AIE a París el 2022. Per tant, és probable que més sectors de combustibles fòssils apostin per el hidrogen en el futur juntament amb altres formes d'energia renovable. Els electrolitzadors i les piles de combustible són les dues principals tecnologies d'integració a la xarxa d'hidrogen. Els electrolitzadors produeixen hidrogen mitjançant el procés d'electròlisi i actuen com una càrrega a la xarxa elèctrica, mentre que l'hidrogen produït s'utilitza a les piles de combustible per generar electricitat. Segons la AIE, les previsions de la capacitat global de l'electrolitzador podria arribar als 240 GW el 2030. Així, es poden obtenir més beneficis per al sector elèctric integrant les tecnologies de l'hidrogen a la xarxa elèctrica.

Això esdevé com una oportunitat per a la xarxa elèctrica gràcies,  a les tecnologies basades en l'hidrogen per descarbonitzar els sectors de generació electrica i el transport. La majoria dels beneficis es poden obtenir mitjançant la producció d'hidrogen verd mitjançant la coubicació de la infraestructura d'hidrogen amb fonts d'energia renovables i zones d'energia renovable. Les fonts d'hidrogen  podrien aportar els següents beneficis:

1.- Gestió de la congestió de la xarxa de transport i distribució i ajornar inersions per fer més xarxa de transport i distribució

 2.- La integració de fonts d'energia renovables basades en eòliques o solars fotovoltaiques, les actuals  xarxes de transport i distribució, cada cop estan més congestionades ja que la infraestructura de transport i distribució es va disenyar per rebre energia de les plantes de generació convencionals i síncrones. Mitjançant la col·locació d'electrolitzadors d'hidrogen en les zones amb molta renovable, l'energia renovable generada localment es pot utilitzar per produir hidrogen. Per tant, podria ajudar a la capacitat de les línies de transport i distribució. 

3.- Augmentar la producció d'hidrogen verd amb la finalitat de minvar les emissions de gasos d'efecte hivernacle. Per tant, col·locar electrolitzadors d'hidrogen amb zones d'energia renovable pot ajudar a augmentar la producció d'hidrogen verd, que és un pas essencial per reduir les emissions de carboni als sectors de l'electricitat, el transport i la indústria.

4.- Capacitat per reduir les pèrdues associades al transport d'energia i als processos de conversió gràcies a que els electrolitzadors d'hidrogen ofereixen un mecanisme per utilitzar l'electricitat en el punt de producció d'energia i col·locar-los en les plantes d'energies renovables. Per tant, es pot evitarel transport d'electricitat a  llarga distància per minimitzar les pèrdues d'energia.

5.- Reduir la limitació d'energia renovable ja que la generació d'energia renovable variable s'està reduint a causa de les limitacions d'estabilitat a la xarxa). Per tant, es pot evitar col·locant estratègicament electrolitzadors d'hidrogen que poden actuar com a càrrega local per consumir l'energia dels generadors renovables que no permeten regulació.

6.- Capacitat per oferir serveis de suport a la xarxa i flexibilitat motivat per la creixent penetració de les fonts d'energia renovables connectades amb convertidors, els sistemes elèctrics requereixen serveis de suport a la xarxa per mantenir la seva estabilitat. Els electrolitzadors d'hidrogen i les piles de combustible poden proporcionar serveis de suport de freqüència i tensió a la xarxa elèctrica. En  concret, els electrolitzadors de membrana d'electròlits de polímer (PEM) tenen una velocitat de rampa i un temps d'arrencada elevats, ideals per obtenir serveis de suport a la xarxa i flexibilitat. A més, la xarxa elèctrica requereix més flexibilitat a causa de l'alta variabilitat i intermitència d'aquestes renovables i, per tant, requereix noves fonts per proporcionar flexibilitat al sistema. Els electrolitzadors d'hidrogen poden proporcionar aquesta capacitat actuant com una càrrega flexible la qual, pot augmentar i disminuir la demanda del sistema.

Com a principals reptes d'integració a la xarxa de les tecnologies basades en l'hidrogen, l'hidrogen requereix una infraestructura especial per a l'emmagatzematge i el transport des de les plantes de producció d'hidrogen fins als centres d'utilització. Concretament, calen vaixells i oleoductes dissenyats especialment per transportar hidrogen en condicions de la temperatura que es requereix i també, instal·lacions específiques d'emmagatzematge amb compressió i liqüefacció. Tot i que els electrolitzadors d'hidrogen es poden col·locar a prop de les plantes d'energies renovables, la manca d'infraestructures per al transport d'hidrogen fa que el transport sigui inviable. Per tant, la manca d'infraestructures és una barrera important per a la coubicació de les tecnologies d'hidrogen amb fonts d'energia renovables.

La col·locació dels electrolitzadors d'hidrogen per augmentar la producció d'hidrogen verd, és essencial utilitzar l'energia verda per a la producció d'hidrogen. Tanmateix, col·locar els electrolitzadors d'hidrogen en zones riques en renovables amb la infraestructura de transport d'hidrogen disponible és un repte. En particular, localitzar electrolitzadors d'hidrogen per optimitzar el cost és a dir, minimitzar el cost associat a l'emmagatzematge i transport d'hidrogen i maximitzar la producció d'hidrogen verd, és un repte considerable.

Els electrolitzadors i les piles de combustible són relativament cars en comparació amb altres tecnologies emergents. Per tant, és difícil justificar aquesta elevada inversió necessària per a aquestes tecnologies tret que els governs les subvencionin. Tot i que es preveu que el cost  d'aquestes tecnologies es redueixi en el 2030, actualment, és un repte desenvolupar una gran infraestructura d'hidrogen.rogen

La clau per maximitzar la producció d'hidrogen verd és el disseny estratègic de la infraestructura d'hidrogen com  seria: electròlitzadors, instal·lacions d'emmagatzematge i transport en zones d'energia renovable. Això requereix un marc de planificació coordinada per als recursos renovables variables i la producció d'hidrogen. Dissenyar un marc cordinat de planificació, augmentarà la producció d'hidrogen verd i l'ús eficient de les energies renovables i reduirà la limitació de les energies renovables. Aquest marc de planificació hauria d'incloure les limitacions de la xarxa.

Ramon Gallart

Llum que viatja en el temps.

La llum pot reflectir-se en els miralls i els sons en les superfícies. No obstant això, durant molt de temps s'ha teoritzat  sobre les reflexions del temps, on un senyal que passa per una "interfície" temporal actuaria com si viatgés cap enrere en el temps. Per primer cop, un nou estudi demostra els reflexos del temps amb ones de llum. Aquest fet, podria conduir a noves maneres no convencionals de controlar la llum, com ara els cristalls fotònics de temps, per a potencials aplicacions en comunicacions sense fil, tecnologies de radar i informàtica fotònica.

Una reflexió estàndard es produeix quan un senyal rebota en un límit a l'espai. En canvi, les reflexions temporals poden ocórrer quan tot el medi en el qual viatja una ona de llum o de so canvia de forma sobtada i dràstica les seves propietats òptiques o sonores.

Anteriorment, no es conneixia cap manera de canviar ràpidament les propietats òptiques d'un material per crear una interfície de temps fotònica que pogués generar reflexions temporals per a ones electromagnètiques. 

Quan una ona de llum entra a la nova interfície de temps i el dispositiu canvia les seves propietats òptiques, el senyal continua avançant per l'espai. Tanmateix, el senyal s'inverteix; si es tractés d'una paraula parlada, sonaria com si s'estigués reproduint al revés. En canvi, amb una reflexió convencional, una ona de llum o de so viatjaria de tornada a la seva font, però sobretot semblaria o sonaria igual que abans de la reflexió.

S'han aconseguit aquestes reflexions fotòniques de temps utilitzant un metamaterial, una mena d'estructura dissenyada per tenir característiques que no es troben generalment a la natura, com ara la capacitat de corbar la llum de maneres sobtada. Aquest fet, dona lloc a capes d'invisibilitat que poden amagar objectes de la llum, el so, la calor i altres tipus d'ones.

Els metamaterials òptics, que estan dissenyats per manipular la llum, tenen estructures amb patrons repetits a escales que són més petites que les longituds d'ona de la llum a la que influeixen. En el nou estudi, es van transmetre senyals de ràdio en una franja de metall en espiral d'uns 6 metres de llarg a on se li va connectar una matriu de 30 interruptors electrònics, cadascun connectat a un condensador.

Quan aquests interruptors s'activen al mateix temps, la impedància de la tira es duplica en uns 3 nanosegons. Es pot produir una reflexió temporal de la llum si les propietats òptiques d'un material canvien molt més ràpidament que les variacions en el temps dels senyals implicats.

A més, les noves interfícies de temps poden estirar o comprimir els senyals de llum en el temps. Això pot canviar bruscament el color d'aquests senyals. També es va demostrar que es podia combinar múltiples interfícies de temps de manera que, es  podria fer que els senyals interfereixin entre si. Aquest nou dispositiu és una versió temporal dels filtres comuns de Fabry-Pérot àmpliament utilitzats en telecomunicacions, làsers i altres aplicacions per controlar la llum.

Es creu que les interfícies de temps poden utilitzar-se en comunicacions sense fils, tecnologies de radar i informàtica òptica. Aquestes aplicacions sovint inverteixen l'ordre dels senyals per ajudar a processar-los. Actualment, la forma més comuna de realitzar aquesta inversió de temps és mitjançant mitjans digitals, però això es tradueix en necesitats i recursos de temps, energia i memòria. En canvi, les interfícies de temps poden permetre la inversió del temps molt ràpidament i amb poca energia.

A més, les noves interfícies de temps poden ajudar a desenvolupar noves maneres  de controlar la llum, com ara els " cristalls fotònics de temps ". Un cristall normal és una estructura de molts àtoms disposats en un patró regular a l'espai, mentre que un cristall fotònic convencional posseeix característiques més petites que les longituds d'ona de la llum amb què està dissenyat. Anteriorment, els investigadors també van desenvolupar cristalls de temps, en els quals moltes partícules s'ordenen en sèries regulars de moviments: patrons en el temps més que en l'espai. Recentment, s'han desenvolupat cristalls fotònics de temps, en els quals les propietats òptiques varien regularment al llarg del temps.

Com a resultat, es pot amplificar selectivament els senyals entrants i controlar la seva propagació.

Font: Charles Q. Choi és un reporter científic qui ha escrit per a Scientific American , The New York Times , Wired i Science , entre d'altres.

Història del V2G.

Era per l'any 2001, quan uns enginyers de l'empres AC Propulsion van començar  un innovador experimentr. Volien veure si un vehicle elèctric podria retornar l'electricitat a la xarxa. 

El concepte que hi havia darrere del V2G havia guanyat força a finals de la dècada de 1990 després que entrés en vigor la normativa pels vehicles de zero emissions (ZEV) a Califòrnia. Els experts de la política ambiental van veure en el V2G una nova manera de potetenciar els VE. Per a les empreses elèctriques es presentava com una econòmica manera  de satisfer la creixent demanda d'electricitat. Per als consumidors tindrien serveis elèctrics més barats i fiables. El fabricant i venedors de vehicles elèctrics tindrien una nova oportunitat recolçada per la administració pública i finalment els propietaris dels vehicles elèctrics podrien vendre electricitat a la xarxa.

L'experiment d'AC Propulsion (ACP) va sorgir arran de la crisi elèctrica dels anys 2000 i 2001 de Califòrnia, quan la desregulació mal gestionada, la manipulació del mercat i la catàstrofe ambiental es van combinar per desarticular la xarxa elèctrica. Alguns observadors van pensar que el V2G podria evitar els tipus de pujades de preus i la fallada del servei elèctric. Però, General Motors i altres fabricants d'automòbils estaven en procés de desmantellar les seves flotes de bateries per EV que és el component clau pel V2G.

Apostar per propulsió elèctrica era quelcom complex. No obstant, una dècada més tard, allà pel 2010, la bateria per els EVs van començar a rebre fortes inversions gràcies, en gran part, als enginyers d'ACP, com a tecnologia de tracció elèctrica que va permetre el desenvolupament del Roadster, el cotxe que va llançar Tesla Motors. A la dècada de 2020, els fabricants d'automòbils de tot el món ja produïen molts  vehicles elèctrics fet que va provoar recuperar el concepte V2G.

El V2G va ser connegut com  "la central elèctrica sobre rodes"

Si un cotxe modern carregat d'electrònica i programari es pot considerar com un ordinador sobre rodes, un cotxe elèctric capaç de descarregar electricitat a la xarxa es podria considerar-se una central elèctrica sobre rodes. I, de fet, així és com els promotors de la tecnologia vehicle-to-grid ho perceben.

Les propietats úniques de l'electricitat plantegen problemes a qualsevol persona que es dediqui a produir-la i lliurar-la. L'electricitat és una mercaderia que es compra i es ven i, tanmateix, a diferència de la majoria de les altres mercaderies, no es pot emmagatzemar fàcilment. Una vegada que l'electricitat es genera i passa a la xarxa, normalment s'utilitza gairebé instantaneament. Si hi ha molta o massa poca electricitat a la xarxa elèctrica, la xarxa pateix un desequilibir que pot afectar a la qualitat de servei.

A principis del segle XX, algunes empreses elèctriques que operaven les primeres centrals elèctriques de corrent continu, van resoldre el problema per ajustar l'oferta i la demanda  emprant grans bancs de bateries recarregables de àcid-plom, que servien com una mena d'amortidor per equilibrar el flux d'electrons per donar puntes que els genradors no eren capaços.  A mesura que les empreses elèctriques van passar a sistemes de corrent altern i més fiables, va ser possible eliminar aquestes costoses bateries de reserva.

Aleshores, a mesura que els empresaris de les empreses elèctriques anaven ampliant la capacitat de generació i transport d'energia, van tenir de resoldre un nou problema de mercat en base que calia fer  amb tota l'electricitat que no es consumia en hores vall. El sector elèctric va reconsiderar les bateries, no com a unitats estacionàries sinó en vehicles elèctrics. Segons l'historiador Gijs Mom, els empresaris de les empreses elèctriques van subcontractar essencialment l'emmagatzematge d'electricitat als propietaris i usuaris dels vehicles elèctrics que llavors proliferaven a les ciutats del nord-est dels EUA. Les primeres empreses  elèctriques com eren la Boston Edison i la New York Edison van organitzar flotes de vehicles elèctrics, prioritzant els camions elèctrics gràcies a  les seves bateries relativament grans.

Els problemes de gestió de la xarxa que els vehicles elèctrics van ajudar a resoldre, es van esvair després de la Primera Guerra Mundial. En el boom de la dècada de 1920, va ser possible expandir massivament les xarxes elèctriques i la interconnexió a més de construir grans centrals hidroelèctriques que van fomentar la contrucció de les xarxes de trasnport. 

Lavors, la necessitat d'emmagatzemar energia electroquímica a gran escala com a font reserva de la demanda estabilitzadora de la xarxa, va desaparèixer. Quan les empreses elèctriques van considerar la tecnologia d'emmagatzematge en les dècades següents, generalment va ser en forma d'emmagatzematge d'energia hidroelèctrica amb tencologia de bombeig, una infraestructura costosa que només es podia construir en terrenys muntanyosos.

No va ser fins a la dècada de 1990 que el cotxe elèctric va sorgir com una possible solució als problemes de la xarxa elèctrica. El 1997, Willett Kempton, professor de la Universitat de Delaware, i Steve Letendre, professor del Green Mountain College, a Vermont, va començar a publicar una sèrie d'articles on explicaven el VE bidireccional (V2G) com un recurs per a les empreses d'electricitat. 

Al canvi de mil·lenni, va ser més fàcil vendre sistemes de propulsió per els VE. A principis de l'any 2000, quan GM va anunciar que havia deixat de fer l'EV1, ACP va mirar altres maneres de comercialitzar la seva tecnologia i va veure una oportunitat en la crisi elèctrica de Califòrnia.

Tradicionalment, el negoci elèctric combinava diversos serveis discrets, inclosos alguns dissenyats per satisfer la demanda i altres dissenyats per estabilitzar la xarxa. Des de la dècada de 1930, aquests serveis havien estat prestats per empreses electriques regulades i integrades verticalment, que funcionaven com a quasi monopolis. El més rendible estava en els pics de potència ja que l'electricitat es lliurava quan la demanda era més alta i es treballava per l'estabilització de la xarx gràcies a equilibrar la càrrega i la generació d'electricitat per mantenir la freqüència del sistema. 

Amb la desregulació de la dècada de 1990, es va desagregar i mercantilitzar el sector elèctric. Es va separar la generació de la distribució i es va vendre una part de la capacitat instal·lada a productors d'energia independents i de nova creació. Les funcions d'estabilització de la xarxa van renéixer com a "serveis auxiliars". Les principals empreses elèctriques es van veure obligades a comprar energia punta amb un alt cost, i com que els preus de les comercialització estaven limitats, no podien repercutir els seus costos als consumidors. A més, la desregulació va desincentivar la construcció de noves centrals elèctriques. 

La nova xarxa era altament inestable. Les temporades de fort calor va provocar un augment de la demanda i la sequera que l'acompanyava  van reduir la capacitat hidroelèctrica. Quan el consum va augmentar era necesserai  manteir la capacitat màxima però,  els especuladors del mercat van intervenir, van fer pujar els preus un 800 % i van fer fallida Pacific Gas & Electric. Sota aquestes pressions, la fiabilitat de la xarxa es va erosionar, donant lloc a apagades.

Sota aquest context ACP es va posar a treballar per discutir si l'energia elèctrica bidireccional podria ajudar de manera que, es va identificar la regulació de freqüència com el mercat V2G òptim perquè era el més rendible pels serveis auxiliars, que constituïa al voltant del 80 % del que els operadors de sistemes  van gastar després en aquests serveis.

El resultat va ser un projecte demostratiu per proposar entendre com el VE podria funcionar com un recurs util. ACP va adaptar per a aquesta aplicació el seu tren motriu AC-150 de segona generació, que tenia capacitat bidireccional. Tot i que la funció bidireccional havia estat originalment destinada a un propòsit diferent donat que, a la dècada de 1990, les bateries tenien molta menys capacitat que avui, i per a una petita comunitat d'usuaris de vehicles elèctrics, la perspectiva de quedar-se sense energia en un viatge era molt probable. Llavors, un V2G en una situació d'emergècnia  podia  venir al rescat.

L'experiment va demostrar la viabilitat de l'enfocament del V2G, però també va revelar la complexitat enorme que implica el desplegament de la tecnologia. La crisi elèctrica havia inflat artificialment el mercat de serveis auxiliars. Després que la crisi acabés, bàsicament mitjançant la reregulació i la subvenció de l'electricitat, la bombolla va esclatar, fent que la regulació de freqüència com a servei des del V2G fos una proposta empresarial molt menys atractiva.

La perspectiva d'integrar les bateries d'emmagatzematge de vehicles elèctrics als sistemes elèctrics tradicionals també va generar preocupacions sobre com hauria de ser el control. Els ordinadors encarregats de senyalitzar automàticament els generadors per augmentar o baixar i així, regular la freqüència, es van programar per controlar grans centrals termoelèctriques i hidroelèctriques, que responen gradualment als senyals. Les bateries, en canvi, responen gairebé instantàniament a les ordres per extreure o subministrar energia. La capacitat de resposta de les bateries tenia conseqüències no desitjades quan s'utilitzaven per regular la freqüència. En un experiment amb una bateria gran d'ió de liti,  l'ordinador de control va carregar o descarregar completament la unitat en qüestió de minuts, sense deixar cap capacitat reserva per regular la xarxa.

En principi, aquest problema es podria haver resolt amb un programari per gestionar la càrrega i la descàrrega. Resulta que la principal barrera per al V2G a principis dels anys 2000 era que la bateria del VE s'hauria d'ampliar de manera massiva abans que pogués servir com a recurs pràctic d'emmagatzematge d'energia. Però, la indústria de l'automòbil acabava de deixar l'aposta pel VE. En el seu lloc, els fabricants d'automòbils van posicionar-se en el cotxe elèctric de pila de combustible, que és un sistema que no es presta fàcilment al flux d'energia bidireccional.

El espectacular renaixement de la bateria per el VE a finals dels anys 2000 i principis dels 2010 liderat per Tesla Motors i Nissan va reviure les perspectives per al VE com a recurs de la xarxa elèctrica. Aquest renaixement dels vehicles elèctrics va generar una recerques i innovacions en la potència dels vehicles elèctrics bidireccionals. Amb el temps, però, l'enfocament de la investigació en les aplicacions de vehicles elèctrics bidireccionals va passar de la xarxa a les cases i edificis comercials. Arran del desastre nuclear de Fukushima el 2011,  Nissan va desenvolupar i comercialitzar un sistema de càrrega de vehicle a edifici (V2B) que va permetre al seu Leaf EV proporcionar energia.

Més tard, el fabricant d'automòbils va entrar en una associació de R+D amb Fermata Energy, una empresa amb seu a Virgínia que desenvolupa sistemes elèctrics per vehicles elèctrics bidireccionals. Fermata Energy,  va descartar el mercat de la regulació de freqüència, perquè era massa petit i no escalable.

Slutsky creu ara que els primers mercats d'energia elèctrica bidireccional sorgiran en el subministrament d'energia de reserva i gestió del pics de consum per als edificis comercials i residencials. Aquestes aplicacions requeriran flotes de vehicles elèctrics. 

El V2G pot ajudar a pagar les bateries dels vehicles elèctrics. Tot i que sembla probable que l'interès per aquesta idea creixi a mesura que proliferen els vehicles elèctrics. Les principals barreres per els V2G no són tant tecnològiques com econòmiques: cal que sorgeixin mercats viables. 

Un altre repte important és com equilibrar la vida útil de les bateries de vehicles elèctrics en aplicacions de transport i no de vehicles. Aquesta pregunta es basa en entendre com funcionaran i envelliran les bateries de vehicles elèctrics en funcions estacionàries. Al cap i a la fi, els usuaris difícilment els agradaria si s'acaba demostrant que les seves batereis desl VE esi degraden substancialment i impacta en la seva degradació. Els distribuidors elèctrics,  també podrien tenir problemes si depenen de les bateries de vehicles elèctrics si resulten poc fiables o que no estan disponibles a mesura que canvien els patrons de conducció.

En resum, el principal enigma del V2G és el conflicte d'interessos que prové de reutilitzar els automòbils de propietat privada com a centrals elèctriques. L'augment d'aquesta tecnologia requerirà una estreta col·laboració entre la fabricació d'automòbils i la generació d'electricitat, empreses amb models d'ingressos i sistemes de regulació molt diferents. De moment, la indústria de l'automòbil no té un interès clar en V2G.

D'altra banda, l'augment de la demanda d'electricitat, les preocupacions sobre els combustibles fòssils, els gasos d'efecte hivernacle i el canvi climàtic i els reptes de la gestió de les energies renovables intermitents han creat noves justificacions per a l'energia elèctrica bidireccional. Amb la proliferació de vehicles elèctrics durant l'última dècada, s'estan realitzant més demostracions de la tecnologia per a una sèrie d'aplicacions, de vegades expressades com a V2X o vehicle-to-tot. Alguns fabricants d'automòbils, en particular Nissan i ara Ford, ja venen vehicles elèctrics bidireccionals, i d'altres estan experimentant amb la tecnologia. Les empreses estan sorgint per equipar i gestionar demostracions de V2B, V2G i V2X per a serveis públics i grans usuaris institucionals d'electricitat. Alguns projectes pilot  estan en marxa, sobretot a la ciutat holandesa d'Utrecht.

Font: Matthew N. Eisler Strathclyde Chancellor's Fellow a la Universitat de Strathclyde, Glasgow

Nou imant permanent pels motors elèctrics de TESLA.

TESLA havien dissenyat el seu propi motor d'imant permanent sense  utilitzar cap element de terres rares.

Però, el problema és la física en sí i, les seves lleis. El magnetisme permanent es produeix en certs materials cristal·lins quan els girs dels electrons d'alguns dels àtoms del cristall es veuen obligats a apuntar en la mateixa direcció. Com més girs alineats d'aquests hi han, més fort és el magnetisme. Per a això, els àtoms ideals són aquells que tenen electrons no aparellats orbitant al voltant del nucli en el que es coneix com a orbitals 3D. Per exemple el ferro disposa quatre electrons 3D no aparellats, i de cobalt, tres.

Però els electrons desl orbitals 3D per si sols no són suficients per fer imants superforts. Tal com investigadors fa dècades van descobrir, la força magnètica es pot millorar molt afegint-hi àtoms de la xarxa cristal·lina amb electrons no aparellats a l'orbital 4f, sobretot en els elements de terres rarescom són el neodimi, samari i disprosi. Aquests electrons 4f milloren una característica de la xarxa cristal·lina anomenada anisotropia magnètica; en efecte, afavoreixen l'adhesió dels moments magnètics dels àtoms a les direccions específiques de la xarxa cristal·lina. Això, al seu torn, es pot aprofitar per aconseguir una alta coercivitat, la propietat essencial que permet que un imant permanent es mantingui magnetitzat. A més, mitjançant diversos mecanismes físics complexos, els electrons 4f no aparellats poden amplificar el magnetisme del cristall coordinant i estabilitzant l'alineació de spin dels electrons 3d a la xarxa.

Des de la dècada de 1980, un imant permanent basat en un compost de neodimi, ferro i bor (NdFeB) ha dominat les aplicacions d'alt rendiment, com ara motors, telèfons intel·ligents, altaveus i generadors d'aerogeneradors. Un estudi del 2019 de Roskill Information Services, a Londres, va trobar que més del 90 % dels imants permanents utilitzats en els motors de tracció d'automòbils eren de NdFeB.

Aleshores, si TESLA diu que ha fet un motor d'imants permanents que no necessita materials de terres rares llavors,de quin tipus? Els experts coincideixen  que només podens ser els imants de ferrita. Entre els imants permanents que no són de terres rares que s'han inventats fins ara, només hi han dos tipus que es fabriquen a escala industrial: el de ferrites i un altre tipus anomenat Alnico (alumini níquel cobalt).

Segons van dir, TESLA no utilitzarà Alnico ja que aquests imants són febles i, el que és més important, l'oferta mundial de cobalt és tan intensa que representen menys del 2 % del mercat d'imants permanents. Hi ha més d'una vintena d'imants permanents que no utilitzen elements de terres rares o que no en fan servir gaire. Però cap d'ells ha tingut èxit fora del laboratori.

Els imants de ferrita, basats en una forma d'òxid de ferro, són barats i representen gairebé el 30 % de les vendes del mercat d'imants permanents. Però també són febles (Per exemple essolen emprar per tancar les portes de la nevera). Un indicador clau del rendiment d'un imant permanent és el seu producte energètic màxim, mesurat en megagauss-oersteds (MGOe). Reflecteix tant la força d'un imant com la seva coercivitat. Per al tipus de NdFeB que s'utilitza habitualment en els motors de tracció d'automòbils, aquest valor és generalment al voltant de 35 MGOe. Per als millors imants de ferrita, és al voltant de 4.

Fins i tot, si s'obté el millor rendiment d'un imant de ferrita, es podria obtenir un rendiment entre cinc i deu vegades per sota del neodimi-ferro-bor. Així, en comparació amb un motor síncron construït amb imants NdFeB, comparant amb un motgor d'imants de ferrita, serà molt més gran i pesat o, molt més feble  o, una combinació dels dos.

Segurament, hi ha més d'una vintena d'altres imants permanents que no utilitzen elements de terres rares o que no en fan servir gaire. Però cap d'ells han tingut impacte fora del laboratori. La llista d'atributs necessaris per a un imant permanent amb èxit comercial inclou una gran intensitat de camp, una alta coercivitat, tolerància a altes temperatures, bona resistència mecànica, facilitat de fabricació i manca de confiança en elements que són escassos, tòxics o problemàtics per alguna altra raó. Tots els candidats d'avui dia presenten una o més dels anterios inconenients.

Ramon Gallart
Paper original: Electric vehicle traction motors without rare earth magnets,