Programari intel·ligent per a la gestió d'energies renovables d'un barri.

El Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM), ha desenvolupat Maestro, una aplicació de programari intel·ligent que pot gestionar i programar la producció i l’ús d’energies renovables per a tot un barri. El sistema pot processar una gamma completa de paràmetres relacionats amb bombes de calor, plaques solars, bateries recarregables i estacions de recàrrega de vehicles elèctrics i genera una estratègia en temps real per optimitzar els costos energètics. 

Dia a dia, cada cop més, les noves cases s’equipen amb plaques solars, bombes de calor, bateries recarregables i altres mitjans per produir i emmagatzemar calor, electricitat i gas, tots ells interconnectats amb la xarxa elèctrica. A nivell de tot un barri, aquestes fonts d’energia descentralitzades i intermitents formen una xarxa complexa, que també pot incloure a les instal·lacions que consumeixen energia, com ara, les estacions de recàrrega de vehicles elèctrics.

La gestió d’aquests sistemes multi-energètics i l’optimització dels costos energètics plantegen diverses preguntes. Cal consumir energia quan es produeix, es ven a la xarxa o s’emmagatzema per a un ús posterior? I com s’haurien de distribuir diverses fonts d’energia si hi ha grups de consumidors que generen la seva pròpia energia?

Orquestrar la producció i el consum d’energia

El CSEM, ha desenvolupat un programari intel·ligent i predictiu capaç de proporcionar respostes a aquestes preguntes en temps real. Dissenyat per a no especialistes, fa ús de prediccions meteorològiques, dades de la infraestructura local, hàbits de consum dels residents i costos energètics del mercat. Com el seu nom indica, Maestro és com un director d’orquestra que gestiona automàticament els recursos i redueix els costos. Aquí hi ha disponible un simulador en línia basat en un edifici amb vuit apartaments familiars.

Determinar el millor moment per consumir energia

Totes les decisions de Maestro es basen en la gestió de costos. Quan, per exemple,  s'utilitza un panell solar, el programari  pot dir si és més avantatjós carregar el vehicle elèctric, emmagatzemar l'energia o vendre-la a la xarxa. El sistema funciona per a llars individuals, però també podria demostrar-se per ser molt útil per a una comunitat autosuficient, compartint diverses fonts d’energia renovables en diverses llars. El sistema ja s’ha instal·lat amb èxit en dues cases particulars i en un edifici d’apartaments en col·laboració amb Soleco. Actualment, s’està negociant per adequar tot un barri en construcció a Zuric. Maestro, també va ser presentat al Congrés Mundial de l’IFAC a Berlín.

Com funciona el MAESTRO

El programari és fàcil d’utilitzar i es pot adaptar ràpidament individualment a barris. Per començar, els paràmetres com la mida del panell solar, la superfície dels edificis, la capacitat d’emmagatzematge de la bateria i les preferències i prioritats de l’usuari s’introdueixen en una eina de planificació.

Les dades de les instal·lacions sobre producció d’energia, proporcionades per sensors, s’envien al cloud, on Maestro compara automàticament les possibles decisions de consum i identifica la més rendible. Les instruccions es tornen a l’ordinador, que les realitza in situ.

Vídeo

Maestro pot incorporar calderes, bombes de calor i estacions de recàrrega de vehicles elèctrics, a més de bateries elèctriques, fonts d’energia renovables com ara panells solars i aerogeneradors, instal·lacions d’energia elèctrica a gas, dipòsits d’emmagatzematge tèrmic, etc.

Què diferencia Maestro d'altres sistemes de gestió d'energia?

Altres sistemes del mercat estan dissenyats només per a llars individuals i sovint utilitzen un mecanisme molt simple per augmentar el consum d’energia sempre que es produeix energia solar. Maestro, en canvi, igualment es pot utilitzar per a tot un barri on la xarxa és més complexa. També pot allotjar altres instal·lacions que consumeixen energia, com ara estacions de recàrrega de vehicles elèctrics i sistemes de calefacció i refrigeració de la llar. A més, Maestro analitza les previsions meteorològiques per als propers dies, cosa que significa que pot incloure les necessitats futures en les seves decisions de consum. De manera més general, el sistema està dissenyat per reduir els costos.

Aquest enfocament en el cost, realment pot conduir a un augment del consum d'energia?

No, això no hauria de passar. Sempre que es produeix un excedent d’energia, per exemple, el sistema la vendrà a la xarxa si no fos possible o rendible emmagatzemar-la per a un ús posterior. En prendre aquesta decisió, el sistema té en compte les pèrdues que es produirien en emmagatzemar l'energia a les bateries. Es tracta de determinar el millor moment i la manera més racional d’utilitzar l’ energia.

Quin tipus d'estalvi de costos és possible?

L’estalvi de costos variarà segons les diferents llars i usuaris. Un estudi preliminar sobre la primera casa amb Maestro va gaudir d'una reducció aproximada del 20% només en els costos de calefacció.

Font: Swiss Center for Electronics and Microtechnology 

Restabliment centralitzat del servei electric.

Donada la interconnexió d’un gran nombre de plantes de generació renovable en zones remotes i sensibles al medi ambient presenta reptes de fiabilitat per al funcionament de la xarxa elèctrica. Construir una nova infraestructura de transport per mitigar els problemes de fiabilitat sol ser costós, consumeix molt de temps i sovint no és viable a causa de les limitacions ambientals. Per donar suport a un futur d’energia neta, minimitzar els impactes ambientals, reduir els costos de construcció i operació i garantir la fiabilitat de la xarxa, Southern California Edison (SCE) ha implementat l’esquema d’acció de resolució centralitzat (CRAS).

Reptes de la xarxa de transport de SCE

La desregulació del mercat elèctric de Califòrnia en el 1996, juntament amb els  estàndards agressius  obligats per l'Estat per a fonts d'energia renovables, han donat com a resultat un gran augment de plantes generadores de propietat independent que busquen la interconnexió a la xarxa de la SCE. La naturalesa d’aquestes plantes, que principalment són instal·lacions fotovoltaiques i eòliques, és tal que les ubicacions privilegiades es troben en zones llunyanes i remotes (on l’espai obert, el vent i la llum solar són abundants) que necessiten ser connectades amb xarxes de transport als principals centres de consum de Los Angeles, Califòrnia. A mesura que es genera més electricitat, la potència total que flueix en aquestes xarxes de transport assoleix o supera la capacitat disponible, provocant sobrecàrregues i altres adverses condicions quan sorgeixen interrupcions per fer front a contingències.

La forma de  mitigació pot ser de dos formats: 

1.- Construir xarxes de transport 

2.- Instal·lar Remedial Action Schemes (RAS). 

Construir noves línies de transport és molt car i és un procés llarg. La instal·lació de RAS és relativament econòmic i es pot aconseguir en un període de temps més curt. L'objectiu és el de garantir la fiabilitat del sistema per mantenir-lo segur. Els RAS, mantenen el sistema segur ja que esdevé com un nivell de protecció després que el sistema de proteccions un cop aquest  després d'una activació falli. Les accions RAS, mantindrien el sistema en un estat operatiu i  mantenir un funcionament fiable. De fet, gairebé totes les línies elèctriques que tenen connectades fonts de generació, tal com es mostra a la figura-1, són controlades amb esquemes RAS locals.

Figura 1. Fluxos de potència (fletxes vermelles) cap a la zona de càrrega de la conca de Los Angeles.

RAS autònoms

La SCE ha implementat 20 RAS a tot el seu territori on distribueix energia elèctrica. Aquests sistemes individuals amb relés i basats en algorismes lògics, estan dissenyats per conectar o desconnectar  automàticament els generadors segons determinades condicions del sistema. Actualment, cada RAS està dissenyat com un sistema autònom, que inclou tots els relés, la instrumentació i altres equips necessaris perquè el RAS funcioni tal com s’ha dissenyat.

Tot i que els RAS autònoms han funcionat en el passat, aquestes configuracions no representen una solució eficaç en el futur. A mesura que augmenta el nombre total de RAS i incrementen les necessitats d'interacció entre RAS a les mateixes subestacions, es fa menys factible implementar un RAS  de manera òptima, rendible i operativa. La figura-2 mostra la previsió de la  SCE sobre el desplegament de RAS i també, mostra la complexitat d’aquests RAS que han d’interactuar amb nous RAS. A mesura que les interconnexions de nova generació impulsen la necessitat de RAS cada vegada són més complexes, les tecnologies implementades actualment estan superant les seves limitacions per abordar la manera en com  múltiples RAS  interactuen  en una àmplia gamma de circumstàncies.

Figura 2. Desplegament de RAS autònoms a la SCE.

Esquema d'acció  i resolució centralitzada (CRAS)

La SCE creu que un esquema d’acció de resolució centralitzada (CRAS), és la solució més factible per a tres raons principals:

1.- El CRAS, pot gestionar la complexitat del RAS que caldrà per interconnectar un gran nombre de projectes de generació agrupats geogràficament.

2.-  El CRAS, accelerarà els horaris per implementar RAS i agilitzarà la feina necessària per posar en línia nous generadors.

3.- Els costos del CRAS versus els RAS autònoms, es compensen significativament amb els estalvis de diversos conjunts de relés que es requereixen per resoldre  contingències comunes o quan les unitats generadores estan implicades en múltiples independents RAS.

Un CRAS, es diferencia d'un tradicional RAS autònom perquè la lògica per mitigar un problema es controla en un únic processador central, en comptes dels propis relés. Això supera la limitació de la complexitat lògica inherent al firmware natiu dels relés, cosa que permet una gestió més precisa de la interdependència entre la generació i el transport. Les millores dels CRAS respecte a les dels RAS autònoms inclouen:

1.- El processament lògic (analítica) es troba als centres de control en lloc de a la subestació, cosa que es tradueix en una facilitat de canvi de processament lògic significativament més gran

2.- La arquitectura està molt millorada, la qual, condueix a un millor disseny per protegir els actius del transport.

3.- Una millor estabilitat i consciència del sistema, que permet un abast global entre els RAS incorporats i la capacitat d’incorporar dades externes del sistema, inclosos els sincrofasors. Això també ajuda a prevenir fallades en cascada entre RAS interrelacionats

3.- Millorades Funcions d’automatització i de simulació, que permeten proves, depuració i anàlisi d’incidències de forma  més exhaustiva. Un valor afegit d’aquesta millora és una reducció significativa durant les posades en servei en el que es refereix a la mà d’obra mitjançant procediments de prova automatitzats.

Aplicacions avançades habilitades per CRAS

La SCE considera al CRAS com una plataforma per a enfocaments programàtics per controlar la xarxa. Més enllà de la funcionalitat comunes del RAS, la SCE preveu utilitzar la plataforma CRAS per millorar la resiliència de la xarxa i la seguretat. S’està investigant la capacitat de processar dades des dels sincrofasors per utilitzar-la en la detecció de cables trencats de les xarxes de transport i la interrupció del flux de la línia abans que el conductor toqui a terra, evitant així provocar incendis forestals. També s’espera que el flexible processament lògic del CRAS permeti un dia procediments automatitzats de Blackstart i la restauració programada  de la càrrega mitjançant comptadors intel·ligents de nova generació. També es poden incloure altres aplicacions avançades (figura-3): control de la bateria de xarxa, control de tensió i VAR i classificació de línia dinàmica.

 Figure 3. CRAS-Enabled Advanced Applications

Font: IEEE Smart Grids

La fam energètica està relacionada amb el passat econòmic.

De la mateixa manera que un organisme viu necessita contínuament menjar per mantenir-se, una economia consumeix energia per treballar i per mantenir les coses. Aquest consum comporta, però, el cost de les emissions de gasos d’efecte hivernacle i el canvi climàtic. Com es pot fer servir l'energia per mantenir l'economia viva sense cremar el planeta?

L'actual consum energètic mundial, està lligat a una invariable producció econòmica del passat. La possibilitat de sortir d'aquest ritme creixent  en les emissions de carboni, pot ser que no esdevingui  necessàriament una eficiència energètica, de fet pot ser el contrari.

Com s'aconsegueix una economia en estat estacionari on existeix una producció econòmica creixent sense augmentar les  necessitats energètiques? Es pot sobreviure només  canviant simultàniament la infraestructura fòssil existent a una no fòssil?

Termo-economia

Els fenòmens atmosfèrics, inclosos l'augment del nivell de diòxid de carboni i el canvi climàtic, estan lligats a l'activitat econòmica humana. Com que es modela el sistema terrestre com a sistema físic, seria possible modelar sistemes econòmics d'una manera similar?

No només cal pensar en sistemes econòmics en termes de lleis físiques. De fet, hi ha un camp d’estudi anomenat termo-economia. Així com la termodinàmica descriu com la calor i l’entropia (trastorn) flueixen a través dels sistemes físics, la termo-economia explora com la matèria, l’energia, l’entropia i la informació flueixen a través dels sistemes humans.

Com es correlaciona  el consum d’energia i la producció actual, o el producte interior brut? Si s'adopta un enfocament diferent; el  concepte de sistema econòmic comença amb la idea centenària d’un motor de calor. Un motor de calor consumeix energia a altes temperatures per fer Treball i emet calor. Però només consumeix, no creix.

Llavors, com pensar un motor de calor com un organisme, que utilitza energia per fer Treball i créixer?.

A causa del creixement passat, es necessita una quantitat cada vegada més gran d'energia per mantenir-se. Per als humans, l’energia prové dels aliments. La majoria es destina al sosteniment i una mica al creixement. I des de la infància fins a l’edat adulta, creix la  gana. Es menga més i s'exhaureix una quantitat cada vegada més gran de diòxid de carboni. 

"Hem mirat l'economia en general per veure si es podrien aplicar idees similars per descriure el nostre manteniment i creixement col·lectius", afirma Garrett. Mentre que les societats consumeixen energia per mantenir la vida quotidiana, una petita part de l’energia consumida passa a produir més i a fer créixer la nostra civilització.

El creixement com a símptoma

Per provar aquesta hipòtesi, es  van utilitzar dades econòmiques des del 1980 fins al 2017 per quantificar la relació entre la producció passada econòmica acumulada i la taxa actual a la qual es consumeix energia. Independentment de l'any examinat, es va trobar que per cada US· de milions de US$ de producció econòmica mundial ajustada a la inflació, corresponia a una civilització  que requeria 5,9 GW addicionals de producció d'energia per mantenir-se. En una economia fòssil, que és equivalent a al voltant de 10 plantes elèctriques de carbó, comporta  que cada any al voltant de 1,5 milions de tones de CO2, són  emeses a l'atmosfera. El consum actual d'energia és, doncs, la conseqüència natural de la producció econòmica acumulada anterior.

Llavors:

1.- Millorar la eficiència mitjançant la innovació és un distintiu dels esforços per reduir l’ús d’energia i les emissions de gasos d’efecte hivernacle, l’eficiència té els efectes secundaris de facilitar que la civilització creixi i consumeixi més.

2.- És possible que les taxes actuals de creixement de la població mundial no siguin la causa de l’augment de les taxes de consum d’energia, sinó que és un símptoma dels guanys d’eficiència passats.

Els defensors de l'eficiència energètica per a la mitigació del canvi climàtic poden semblar raonables, però el seu argument només funciona si la civilització es manté en una mida fixa. En canvi, una civilització eficient és capaç de créixer més ràpidament. Pot utilitzar els recursos energètics disponibles amb més eficàcia per aconseguir més coses, incloses les persones. L'expansió de la civilització s'accelera en lloc de disminuir, i també de les seves exigències energètiques i les seves emissions de CO2.

Un futur descarbonitzat en estat constant?

Què signifiquen aquesta conclusió per al futur sobretot pel que fa al canvi climàtic?  Avui dia, no es pot deixar de consumir energia, existeix una inèrcia. Aprofitar el consum d'energia però, la civilització no deixi d'emetre's, resulta inútil.  Però, és possible desfer els avenços econòmics i tecnològics que han portat la civilització fins a aquest moment? 

Cal que l’economia aconsegueixi mantenir-se en estat constant, on l’energia que utilitza es dediqui a mantenir la  civilització i no a expandir-la. L'energia del futur no es pot basar en combustibles fòssils. 

A les taxes de creixement actuals, només per mantenir les emissions de diòxid de carboni al seu nivell actual ràpidament caldrà construir instal·lacions renovables i nuclears, aproximadament una gran central elèctrica al dia. I d'alguna manera s'haurà de fer sense recolzar involuntàriament la producció econòmica, de manera que les demandes de combustibles fòssils també augmentin.

Es un compromís que cal trobar entre eliminar les innovacions anteriors basades en el combustibles fòssils que van accelerar l'expansió de la civilització, amb la innovació de les noves tecnologies de combustibles no fòssils. Tot i que aquesta economia en estat constant es pogués estabilitzar les emissions de CO2, el ritme d’escalfament global s’alentiria, no s’eliminaria. Els nivells atmosfèrics de CO2, encara arribarien al doble del seu nivell preindustrial abans d'equilibrar-se.

Qualsevol forma d’economia o civilització necessita energia per treballar i sobreviure. El truc és equilibrar-ho amb les conseqüències climàtiques. El canvi climàtic i l'escassetat de recursos són els reptes que defineixen aquest segle. No es pot esperar sobreviure en aquesta situació ignorant les lleis físiques.

Font: Universitat de Utah