Adaptar el sistema elèctric

El repte d'adaptar el sistema elèctric al ràpid augment de les fonts d'energia renovable cada cop te un major impacte.

Per una banda, el creixement massiu de l'energia solar i eòlica és una molt bona noticia. Tanmateix, com amb qualsevol transformació, la història ens ha demostrar que també  cal fer front a our reptes.

En teoria, el problema és senzill: hi ha un excés d'electricitat en determinades hores que coincideix quan fa sol i fa vent, fent que els preus baixin fins a valors fins i tot, valors negatius.

Un cop llegit l'article de The Economist (https://lnkd.in/efZFzk_i) en destaca tres maneres  d'encararr aquest problema:

1.- Distribuïr l'exdedent d'electricitat a zones que la necessiten.

2.- Gestió de la demanda per fomentar l'ús d'energia quan estigui disponible i reduir el consum durant les hores de baixa producció.

3.- Promoure l'emmagatzematge però cal, invertir i fomentar les bateries.

Cadascuna d'aquestes mesures presenta diferentes complexitats per la seva implementació

El punt-1,  necessita d'una infraestructura de xarxa més extensa.

El punt-2, li calen incentius a més, d'un canvi en els hàbits dels consumidors.

El punt-3, requereix de financerament.

Les tres són factibles i implementables amb les polítiques, regulacions i incentius adequats. No obstant això, hi ha un aspecte que cal aclarir per evitar expectatives irreals que acabin en fustracions.

Laes darreres setmanes a Espanya  i durant certs moments s'han vist preus de mercat molt baixos, això no significa que l'electricitat sigui gratuïta o molt barata en general. Els preus negatius durant els períodes d'excés són el resultat de condicions temporals. La generació d'electricitat implica una indústria i una infraestructura complexa que exigeixen una significativa inversió.

Sense un retorn raonable de la inversió, la transició a un sistema elèctric basat en renovables serà molt més difícil d'assolir. Aquest és un altre equilibri que cal trobar i  Europa ha de gestionar.

El camí  cap a un futur energètic sostenible és prometedor, però requereix una precisa atenció amb  accions estratègiques que permetin superar aquests efectes col·laterals. 

Ramon Gallart

Amenaça per les centrals elèctriques.

Podria un pols electromagnetic EMP ser una amenaça per les centrals elèctriques?

Si una arma nuclear es detonés a centenars de quilòmetres del cel, emetria un breu pols de raigs gamma. Tot i que a aquesta alçada la radiació no afectaria directament les persones a la Terra, la intensa ona d'energia EMP podria induir-se a les línies de transport i distribució, així com a les xarxes de telecomunicacions, produint grans pics de tensió o corrent que malmetrien els equipaments.

Un cop produït el pols inicial, l'EMP es podria propagar afectant els transformadors de potència i els diferents equips del sistema elèctric.

Per exemple, hi ha estimacions que indiquen que si es detonés una arma nuclear a l'atmosfera sobre el centre del continent americà, podria provocar apagades generalitzades i de llarga durada, fins i tot, un possible col·lapse d'una part de la xarxa elèctrica i/o de telecomunicacions.

Tot i que les preocupacions sobre els riscos de les EMP no són noves, aquestes es van relaxar després del final de la Guerra Freda. Els esdeveniments polítics globals han fet reaparèixer aquesta possibilitat.

Durant les darreres dècades, la tecnologia ha avançat fins al punt que es poden generar polsos EMP sense necessitat d'una arma nuclear. Hi ha potents transmissors portàtils de microones que podrien ser utilitzats per terroristes. A més, els equips electrònics actuals són més vulnerables que els de la dècada de 1960, ja que depenem més dels semiconductors i aquests funcionen a tensions més baixes, cosa que els fa menys capaços d'absorbir les pujades d'energia induïdes per les EMP. Actualment, és possible instal·lar generadors electromagnètics en míssils, avions, drones i fins i tot en camions que podrien estar aparcats al costat de centres importants de telecomunicacions o subestacions elèctriques.

Podem utilitzar models informàtics per simular i comprendre millor aquestes amenaces, tot i que és difícil confirmar-ne la precisió sense desencadenar una ona EMP. Una manera que ha permès que els models de simulació siguin fiables és gràcies a la validació de lectures ambientals de l'activitat electromagnètica de baix nivell generada pels transmissors de ràdio i televisió. Amplificant aquestes mesures, els models informàtics poden simular com impactaria una sobrecàrrega provocada per una EMP i com aquesta afectaria els actius i dispositius de les subestacions i centrals elèctriques, com les que funcionen amb combustibles fòssils, hidroelèctriques i nuclears.

El modern sistema elèctric incorpora molts panells solars, aerogeneradors i bateries que es connecten a la xarxa mitjançant inversors, els quals tenen molts components electrònics vulnerables a un EMP. De fet, hi ha més vulnerabilitats de les que es podrien esperar, especialment en els sistemes distribuïts.

Les vulnerabilitats inherents dels components bàsics, com els cables, poden comportar-se com antenes per captar energia electromagnètica que acabaria danyant el maquinari al qual estan connectats, provocant sobretensions..

Ramon Gallart.

Compensadors síncrons.

Els sistemes de generació amb fonts renovables necessiten elements que estabilitzin la xarxa elèctrica quan hi ha variacions sobtades de càrrega. Una solució és l'ús de generadors elèctrics distribuïts amb grans volants d'inèrcia connectats als seus eixos mecànics.

Aquests generadors són coneguts com a condensadors síncrons o compensadors síncrons. Essencialment, són generadors que, en funcionament normal, es fan girar per la potència d'una xarxa de corrent altern sincronitzada amb la seva freqüència. Això significa que no necessiten consumir combustible fòssil per funcionar. Quan les centrals elèctriques o les línies de transport experimenten un canvi sobtat de càrrega, l'impuls de la seva massa en rotació proporciona un subministrament instantani d'energia que esmorteix el transitori i aporta estabilitat, evitant així talls en el subministrament.

En altres paraules, es podria dir que els compensadors síncrons actuen com un coixí per facilitar l'estabilitat de les xarxes elèctriques mitjançant:

Regulació de la freqüència: Quan l'energia de la xarxa varia, els compensadors síncrons alliberen o absorbeixen energia de forma instantània per minimitzar les fluctuacions de la freqüència.

Potència de curtcircuit: Si la xarxa experimenta un curtcircuit, gràcies a la tensió de curt-circuit, és possible lliurar més de tres vegades el corrent nominal del generador, característica en la qual es basen els sistemes actuals de protecció per sobrecorrent i curt-circuit.

Suport de tensió: Generar corrent i voltatge desfasat, conegut com a potència reactiva, pot fer augmentar o disminuir la tensió de la xarxa local. Aquesta característica permet estabilitzar la tensió del sistema.

Aquesta tecnologia no és nova. De fet, els convertidors síncrons es van desplegar per primera vegada a principis del segle XX, però les aplicacions han estat limitades perquè l'estabilització de la xarxa venia donada pels grans generadors rotatius de centrals elèctriques.

Però, davant la situació de transició energètica, les grans plantes amb generadors que consumeixen combustibles fòssils s'estan substituint cada cop més per panells solars, aerogeneradors i bateries que proporcionen la seva energia mitjançant convertidors electrònics.

La sincronització d'una xarxa europea és necessària per mantenir la fermesa de la qualitat del servei i evitar deixar algunes regions aïllades elèctricament.

Tot i que el 2015 va ressorgir una notable tendència cap a la conversió de les grans centrals de generació cap als compensadors síncrons, cal destacar que la tendència tecnològica actual està portant cap a la incorporació en alguns esquemes de xarxes elèctriques de volants d'inèrcia que pesen centenars de tones. Per exemple, es preveu que en els països bàltics es disposi de volants fins a 2.200 MJ d'energia, equivalent a l'energia cinètica d'un tren de 3.000 tones circulant a 100 km/h.

A més, aquests compensadors síncrons i els enllaços internacionals de les xarxes de transport reforcen la interconnexió entre els sistemes elèctrics, millorant així els sistemes de control

Ramon Gallart

Desenvolupament de les microxarxes.

Les microxarxes poden esdevenir una prometedora solució per afrontar els reptes d'accés a l'energia als països en desenvolupament, així com per millorar la resiliència i l'eficiència de les xarxes elèctriques als països desenvolupats

Per una banda l'estàndard IEEE 2030.7-2017 defineix les microxarxes com a sistemes flexibles de càrregues interconnectades i recursos energètics distribuïts (DER), com són els panells solars, aerogeneradors i les bateries com a sistemes d'emmagatzematge d'energia.

Una microxarxa és un sistema de generació i distribució d'energia a petita escala que funciona com una unitat de manera que, es poden connectar o desconnectar de la xarxa per funcionar en mode acobalt a la xarxa o tambe en mode illa. 

Són útils per subministrar electricitat a zones allunyades i de poc consum i també com a back-up en cas de patir interrupcions de la xarxa, augmentant així la resiliència de la xarxa.

Malgrat els beneficis potencials de les microxarxes, el seu desplegament es veu limitat per diverses barreres normatives i polítiques que varien en funció del països. Les incerteses en els marcs reguladors i la manca de clares polítiques, poden fer que sigui difícil per als operadors de les microxarxes assegurar el finançament i gestionar operacions, dificultant la viabilitat a llarg termini d'aquests projectes. Això, impedeix la capacitat per subministrar electricitat fiable i satisfer la creixent demanda d'energia. 

Les normatives són claus per facilitar el creixement i l'acceptació de les microxarxes. Tanmateix, cal abordar diversos reptes relacionats amb aquestes normatives. Un dels problemes és la diversitat de les normatives que regeixen les microxarxes entre els diferents països. Aquesta inconsistència provoca discrepàncies en funció de la mida de la microxarxa. Tot i que algunes regulacions prohibeixen que les microxarxes funcionin de manera independent en "mode illa"  i només se'ls permet que les microxarxes estiguin connectades a la xarxa. No obstant això, la manca clara d'instruccions sobre la connexió de microxarxes a la xarxa ha comportat costos elevats, complexitat i, en alguns casos, la seva absoluta prohibició.

Les microxarxes ofereixen diversos avantatges, com ara la resiliència energètica, la gestió de la demanda i la capacitat d'ajornar les actualitzacions de la xarxa. Tanmateix, quantificar aquests beneficis suposa un important repte. És essencial garantir que els operadors de les microxarxes rebin una justa compensació. Les actuals polítiques de mesurament net i les tarifes i peatjes presenten limitacions que dificulten determinar com s'han de compensar les microxarxes per l'electricitat que exporten a la xarxa.

Diversos països han implementat polítiques per promoure el desenvolupament de microxarxes. La Unió Europea (UE) ha proposat una directiva per a les comunitats energètiques locals (LEC) per regular el model de tercers per al funcionament de les microxarxes. Representa un pas endavant, ja que el model de tercers permet la propietat i l'explotació de les microxarxes per part d'entitats diferents dels proveïdors d'energia tradicionals. 

La sostenibilitat de les microxarxes s'ha demostrat a través de casos pràctics malgrat els reptes que suposa. En definitiva, les microxarxes són una prometedora solució per subministrar electricitat a les zones aïllades i millorar la resiliència en llocs crítics com poden ser els hospitals i aeroports. 

Tanmateix, el desenvolupament de microxarxes ha de resoldre barreres normatives i polítiques que varien entre les nacions. Per permetre l'adopció de les microxarxes, els responsables polítics han de crear regulacions clares i integrals que abordin la seva viabilitat i sostenibilitat. L'accés al finançament i l'experiència tècnica també és essencial per superar les barreres financeres i tècniques. 

Malgrat els reptes, les microxarxes han demostrat el seu potencial per subministrar electricitat rendible i sostenible, especialment quan hi participen les comunitats locals

Ramon Gallart

Emmagatzematge d'energia térmica.

Com a conseqüència de la transició energètica per deixar d'usar combustibles fòssils i la naturalesa intermitent de les fonts renovables, juntament amb l'augment del consum quan les fonts solars o eòliques no generen energia, les tecnologies d'emmagatzematge d'energia esdevenen essencials per ajudar a compensar el desequilibri entre l'oferta i la demanda. Aquestes tecnologies permeten emmagatzemar l'excés d'energia durant els períodes d'alta producció i utilitzar-la quan sigui necessari.

Encara que les grans bateries d'ions de liti ofereixen una solució per gestionar la variabilitat de les fonts renovables, també presenten limitacions. Això inclou el seu volum i cost elevats, així com la necessitat d'una inversió significativa per a la seva instal·lació. A més, s'ha observat una gradual pèrdua de capacitat amb cada cicle de càrrega i descàrrega, i existeix el risc d'incendi associat amb aquestes tecnologies. Les matèries primeres requerides per a la construcció de bateries d'ions de liti també són difícils d'obtenir, amb l'extracció d'aquests minerals plantejant problemes mediambientals.

En els darrers anys, s'ha incrementat l'interès en solucions no convencionals per a l'emmagatzematge d'energia. Les empreses han explorat sistemes reversibles hidroelèctrics, coves o cavitats subterrànies que emmagatzemen hidrogen produït per electròlisi de l'aigua, ascensors que aixequen blocs de formigó per convertir l'energia potencial en energia a mesura que cauen, així com noves oportunitats per a l'emmagatzematge tèrmic..

Un exemple de sistema mixt és l'obtenció d'electricitat d'una planta solar fotovoltaica i l'emmagatzematge de l'excedent mitjançant un sistema de compressió d'aire. En aquest sistema, un motor acciona un pistó que comprimeix l'aire, provocant-ne l'escalfament. Aquesta calor generada es desvia i s'emmagatzema en sitges de sorra o grava. L'aire comprimit refredat, més fàcil d'emmagatzemar, es guarda en un dipòsit.

L'emmagatzematge d'energia té dos factors clau:

1.- La velocitat de càrrega i descàrrega.

2.- La quantitat total d'energia emmagatzemada, que és crucial per a la viabilitat econòmica.

Quan es requereix generar electricitat des de l'energia emmagatzemada, el sistema opera a la inversa: l'aire comprimit mou un pistó que acciona un generador per produir electricitat.

Altres sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica es centren en alliberar l'energia acumulada en forma de calor. Encara que aquests sistemes no sempre reben molta atenció, tenen un gran potencial, especialment en sectors com la indústria, on hi ha una gran demanda d'energia per a processos com la metal·lúrgia, la química i la construcció.

Els edificis també són grans consumidors de calor, utilitzant prop del 50% de l'energia total per a la calefacció i l'aigua calenta, i representant el 75% del consum total d'electricitat.

El sector industrial pot ser el principal beneficiari, ja que sovint han de fer front a costos elevats d'electricitat durant les hores punta. L'emmagatzematge tèrmic podria ajudar a estalviar diners, utilitzant energia emmagatzemada quan els preus són més elevats.

La implementació generalitzada de l'emmagatzematge d'energia tèrmica podria ser impulsada tant pel sector públic com pel privat. En un entorn amb abundància d'energia solar o eòlica, els consumidors podrien beneficiar-se econòmicament comprant i emmagatzemant electricitat quan els preus són baixos.

Optimitzar el valor dels sistemes d'emmagatzematge d'energia és un problema complex. Quan és més avinent comprar electricitat directament de la xarxa? I quan és millor emmagatzemar-la o comprar electricitat extra per emmagatzemar-la?

Per abordar aquestes preguntes, és necessari utilitzar programari que automatitzi aquestes decisions, basant-se en dades de diverses fonts, com ara informes meteorològics, dades dels distribuïdors, històrics de consum i preus, per predir la millor estratègia en cada moment.

Ramon Gallart

El Paper Clau de l'Emmagatzematge d'Energia en la Transició Energètica.

L'emmagatzematge d'energia està cridat a jugar un paper fonamental en la transició cap a fonts d'energia netes i sostenibles. 

Aquest procés és essencial per poder gestionar l'energia generada a partir de fonts renovables, com l'energia eòlica i solar, les quals presenten una intermitència inherent. L'emmagatzematge permet capturar l'excés d'energia produïda durant períodes de baixa demanda i alliberar-la quan la demanda supera l'oferta, contribuint així a l'estabilització de la xarxa elèctrica, reduint la dependència dels combustibles fòssils i mitigant l'impacte de la variabilitat de les fonts renovables.

L'Emmagatzematge d'Energia i la Estabilització de la Xarxa Elèctrica

Un dels principals reptes en l'ús d'energies renovables és la seva naturalesa intermitent. Les fonts com l'eòlica i la solar no generen electricitat de manera contínua, sinó depenent de les condicions meteorològiques i l'hora del dia. Això pot provocar desequilibris significatius entre la generació i la demanda d'energia. L'emmagatzematge d'energia actua com una solució eficient per gestionar aquests desequilibris, permetent l'emmagatzematge de l'energia sobrant durant els períodes de baixa demanda i la seva posterior utilització durant els pics de consum.

El Rol dels Agregadors en el Sistema Elèctric

Els agregadors tenen un paper important dins de la cadena de valor en l'operació dels sistemes d'emmagatzematge d'energia. Aquests actors participen activament en els mercats elèctrics, comprant i venent electricitat d'acord amb els seus models de negoci. És important que els interessos comercials dels agregadors s'alineïn amb objectius més amplis, com ara la millora de la sostenibilitat i la qualitat de vida global. Aquest equilibri es reflecteix en la necessitat de reduir les emissions de carboni mantenint els costos de l'electricitat assequibles.

Els Mercats Elèctrics i els Sistemes Físics d'Energia

Els mercats elèctrics estan intrínsecament lligats als sistemes físics d'energia, una característica que els diferencia d'altres tipus de mercats. Per assegurar-ne el funcionament eficient, s'utilitzen models especialitzats que permeten la participació de diferents recursos i actors. Aquests models tenen en compte les característiques físiques de cada recurs, com la seva capacitat de generació i disponibilitat. El disseny del mercat elèctric ha d'optimitzar aquests models per maximitzar el benefici global per a la societat, integrant de manera eficaç l'emmagatzematge d'energia per reduir costos i emissions.

Compromisos en la Participació del Mercat

És necessari trobar un compromís entre la reducció de les emissions de carboni i la reducció dels costos. La participació en mercats diaris és més eficaç per reduir emissions, mentre que la participació en mercats en temps real pot ajudar a reduir costos. No obstant això, la integració de l'emmagatzematge d'energia en aquests mercats pot influir significativament en els resultats, destacant la importància de dissenys de mercat que promoguin tant l'economia com la sostenibilitat.

Innovació i Futur en l'Emmagatzematge d'Energia

El desplegament de recursos renovables i sistemes d'emmagatzematge d'energia ha d'anar acompanyat de dissenys de mercat adequats i incentius que equilibrin l'economia amb la reducció d'emissions. En aquest context, la innovació tecnològica, incloent nous mètodes computacionals i anàlisis assistides per intel·ligència artificial (IA), seran claus per optimitzar la integració de l'emmagatzematge d'energia en els futurs sistemes elèctrics.

Per tant, l'emmagatzematge d'energia és essencial per a una transició efectiva cap a fonts d'energia netes i sostenibles. Els dissenys adequats del mercat elèctric i la innovació tecnològica jugaran un paper fonamental per garantir que aquest procés sigui econòmicament viable i ambientalment sostenible, contribuint així a un futur més verd i eficient.

Ramon Gallart.