Centrals hidroelèctriques reversibles

Com a un dels majors emissors de gasos d'efecte hivernacle del món, Indonèsia s'ha compromès a aconseguir la neutralitat de carboni l'any 2060.

Tanmateix, l'augment del nivell de vida, el creixement demogràfic i l'electrificació massiva augmentaran la demanda d'electricitat d'Indonèsia per 30, fins als 9.000 TWh per any. Aquest ràpid augment del consum d'electricitat genera preocupacions sobre la seguretat energètica i l'assequibilitat, i la sostenibilitat ambiental.

Un estudi mostra que el país podria cobrir les seves necessitats energètiques confiant en la seva abundant energia solar. Mitjançant la instal·lació de milers de milions de panells solars, Indonèsia podria recollir uns 190.000 TWh d'energia solar a l'any. Aquesta quantitat d'energia és més gran que el consum d'electricitat mundial en el 2020.

Tanmateix, confiar en l'energia solar significa que Indonèsia ha de ser capaç de fer front al risc d'escassetat perquè el sol no brilla sempre. Per equilibrar un sistema elèctric dominat pel solar durant la nit i durant els períodes de pluja, Indonèsia necessitarà grans quantitats d'emmagatzematge d'energia per això compta amb  una solució a aquest problema basada en la natura ja què, el país pot utilitzar el seu enorme potencial per a l'emmagatzematge d'energia hidràulica reversible (PHES).

El PHES és una tècnica per emmagatzemar energia mitjançant l'ús de l'excedent d'energia produïda per les plaques solars durant els dies assolellats i així bombar cap a un embassament més alt. Quan la generació d'energia minva per manca de Sol, els volums d'aigua emmagatzemats poden fluir per generar electricitat hidroelèctrica.

Per desenvolupar un sistema PHES calen dos llacs o embassaments molt espaiats d'aproximadament un quilòmetre quadrat cadascun que tinguin un desnivell d'uns 600 metres. Estan connectats per un túnel que conté una bomba-turbina.

A diferència dels PHES basades en rius, no es necessari construir preses als rius. També podem utilitzar jaciments miners antics, així com llacs i embassaments ja existents. Això significa que els sistemes PHES fora del riu poden tenir un menor impacte ambiental i socials.

La superfície de terra necessària per a un PHES d'aquest tipus també és relativament petita. Una central hidràulica reversible que no està en els rius de 150 GWh, requereix unes 8 hectàrees de terra per GWh. En comparació, el projecte Upper Cisokan PHES a l'oest de Java amb 7 GWh d'emmagatzematge requereix una àrea inundada de 340 ha (50 ha per GWh).

Amb una vida útil que va des dels 50 als 100 anys, aquests sistemes PHES també podrien reduir la  dependència de les bateries convencionals, que normalment tenen una vida útil d'emmagatzematge des de 10 fins 15 anys. Les bateries també contenen materials que són escassos com el liti i el cobalt .

Indonèsia té 26.000 llocs potencials de bombeig hidroelèctric, que és molt més del necessari. Escollint els millors recursos possibles a tot el país amb la màxima qualitat d'emmagatzematge i el menor cost, hi ha un potencial de 321 TWh .

Les regions de l'est d'Indonèsia (Sulawesi, Maluku Papua i Kalimantan) tenen el major potencial, amb baixos requisits d'emmagatzematge. Això contrasta amb la regió occidental d'Indonèsia (Java i Sumatra), que s'espera que tingui una demanda d'emmagatzematge substancial en el futur.

La figura següent il·lustra la mida del millor potencial de PHES a cada regió d'Indonèsia en comparació amb els requisits del 2060 per a una Indonèsia rica i descarbonitzada.

Potencial regional de PHES fora del riu a Indonèsia. Els cercles verds i vermells representen el potencial de les PHES i l'emmagatzematge necessari, respectivament.

Caldrà estudiar si Indonèsia necessita construir noves xarxes de transport elèctric d'est a oest o si el sistema funcionarà millor de manera independent a cada regió.

L'emmagatzematge hidràulic per bombeig és, amb diferència, la forma més barata d'emmagatzemar energia solar durant la nit i té, amb diferència, la part més gran del mercat mundial d'emmagatzematge d'energia.

S'ha modelat un hipotètic emplaçament de 150 GWh  (Wonosobo Regency a Java central) amb una capacitat de potència de 7,5 GW. Aquest sistema podria funcionar a plena potència de generació durant 20 hores. El jaciment té un desnivell entre els embassaments de 741 metres, una longitud de túnel de 4 km i requereix 4 hectàrees de terreny inundat per GWh.

Font: The convesations

Cases connectades i la flexibilitat.

El sistemes de control behind the meter,  poden convertir la majoria de les llars en actius amb capacitat de gestionar els recursos elèctrics d'un país.

Aquest sistema de control ha de ser capaç de transformar eficaçment les calefacció, neveres, congeladors,  aires climatitzats  i els escalfadors d'aigua en aparells intel·ligents que pugin gestionar el seu consum de manera que ajudin la xarxa per coordinar l'oferta i la demanda. 

Aquesta solució, ha de ser econòmica, senzilla d'instal·lar i d'utilitzar, i que permeti als usuaris formar part activa del sistema elèctric per això cal que una casa estigui connectada.

Una casa connectada conté aparells intel·ligents amb capacitats de comunicació i control, que permeten que els aparells responguin automàticament a la informació que requereix el mercat elèctric mitjançant els agregadors.  Les cases connectades jugaran un paper clau en la transició cap a un futur sistema energètic descarbonitzat.

Com que l'energia solar i eòlica tenen característiques variables, és a dir, la seva generació depèn del sol i del vent i, com la xarxa requereix  gestionar la demanda de manera que eviti a la xarxa una inestabilitat i també, cobrir les necessitats elèctriques econòmicament. Les fonts de generació que actualment ajuden a salvar la aquesta situació, són, en general, les centrals de combustibles fòssils, que augmenten les emissions de diòxid de carboni i contribueixen al canvi climàtic global.

Les cases connectades, poden ajudar a abordar la naturalesa variable de l'energia solar i eòlica, així com altres condicions de la xarxa. Els electrodomèstics amb controls intel·ligents que tenen en compte les preferències de confort, treballant conjuntament amb els agregadors, poden canviar de manera ràpida i automàtica la seva demanda d'electricitat per ajudar a equilibrar les variacions.

Aquesta capacitat de "demanda flexible", si es realitza en desenes de milions de llars, donarà més marge a la xarxa per coordinar l'oferta i la demanda en moments en què potser no hi ha energia neta disponible. Les cases connectades són cada cop més habituals, ja sigui per la demanda dels consumidors o per codis energètics dels edificis actualitzats.

A mesura que els clients intenten estalviar diners en les seves factures, substituir els electrodomèstics per altres de més eficients o simplement, si estan interessats en altres maneres d'interactuar amb les seves llars, requereix d'investigació objectiva en aquest camp. 

En general, les llars utilitzen més d'un terç de l'electricitat d'un país i representen una gran oportunitat per aconseguir una demanda flexible. Per això, un sistema de control eficaç i econòmic instal·lat a les cases  no només és bo per a les operacions de la xarxa, sinó per proporcionar energia més barata a les llars. 

Una forma per fer-ho possible passa per una solució dissenyada per als milions de llars que podrien beneficiar-se sobre les quals,  no es poden permetre la compra d'electrodomèstics intel·ligents. Una manera  es permetre aprofitar els programes que ofereixen tarifes elèctriques beneficioses i altres incentius per a les llars per reaccionar a les necessitats de la xarxa i/o el mercat elèctric.

El electrodomèstics  amb més potencial per oferir flexibilitat, són els forns elèctrics, escalfadors elèctrics, les bombes de calor i els aparells d'aire condicionat. El sistema de control s'hauria de veuré ajudat o suportat mitjançant una plataforma de programari dissenyada per ajudar a connectar/desconnectar aquest aparells per gestionar la seva demanda. Els candidats que més potencials tenen, són els escalfadors d'aigua elèctrics i l'aire condicionat.

Hi han estudies en que els escalfadors d'aigua, mostren un potencial d'aconseguir reduccions de la demanda d'electricitat entre el 34% al 83% depenent dels nivells d'ús d'aigua calenta.

Dissenyar que aquest servei permeti ajudar els aparells d'aire condicionat a mantenir les temperatures fresques i a reduir el consum d'electricitat sense perdre confort, són un exemple, que podrien reduir el consum elèctric en un  40%  gràcies a fer possible una diferència de 20 ºCs entre la temperatura interior i exterior. 

Font: Ramon Gallart

La lent de Fresnel, va revolucionar els Fars.

Actualment, els vaixells  utilitzen sistemes de ràdionavegació per satèl·lit, GPS i altres eines queels permet prevenir accidents. Però a principis del segle XIX, els fars guiaven els vaixells lluny de les costes rocoses mitjançant un llum d'oli col·locat entre un mirall còncau i una lent de vidre per produir un feix de llum.

Els miralls no eren gaire efectius i les lents eren tèrboles. La llum era difícil de veure des de lluny en una nit clara, i molt menys en la boira intensa o en una tempesta.

El 1822, l'enginyer civil francès Augustin-Jean Fresnel, va inventar un nou tipus de lents que produïa un feix de llum molt més fort. La lent de Fresnel encara s'utilitza avui en dia als fars actius de tot el món. També es pot trobar en projectors de pel·lícules, lupes, naus espacials i altres aplicacions.

A causa de les queixes dels pescadors i capitans de vaixells francesos sobre la mala qualitat de la llum que emanava dels fars, el 1811 la Comissió Francesa de Fars va establir un comitè sota l'autoritat del Cos de Ponts i Carreteres per investigar com es podria millorar la il·luminació dels fars.

Un dels membres d'aquest comitè era Fresnel, que treballava com a enginyer al cos de la funció pública francesa. Tenia una gran experiència en òptica i ones de llum. De fet, el 1817 va demostrar  la seva teoria ondulatòria en la que afirmava que el moviment ondulatori de la llum és transversal i no longitudinal. En les ones transversals, una ona oscil·la perpendicularment a la direcció del seu recorregut. Les ones longitudinals, com el so, oscil·len en la mateixa direcció que l'ona.

L'anàlisi de Fresnel sobre la tecnologia contemporània dels Fars, va trobar que les lents eren tan gruixudes que només la meitat de la llum produïda brillava .

Va decidir que podria fer-ho millor utilitzant la seva teoria ondulatòria. El seu disseny consistia en 24 prismes de vidre de diferents formes i mides disposats en cercles concèntrics dins d'una gàbia. Els prismes, col·locats tant davant com darrere de quatre làmpades d'oli, van substituir tant el mirall com la lent de vidre del mètode anterior. Els prismes propers al cercle, refracten la llum una mica més que els que estan  més propers al centre, de manera que els raigs de llum tots surten en paral·lel. Això, gairebé permetia  enfocar el 98 % dels raigs generats per les làmpades, produint un feix que es podia rebre a més de 32 km de distància.

Es va utilitzar un mecanisme de rellotge, que s'havia d'enrotllar a mà cada poques hores, per fer girar el marc metàl·lic al voltant dels llums per produir patrons de llum únics per a fars específics. Un far podria enviar un flaix regularment cada 5 segons, per exemple, o podria tenir un període de foscor de 10 segons i un període de brillantor de 3 segons. Els capitans van comptar el nombre de flaixos enviats per un far per calcular la ubicació dels seus vaixells.

Les lents venien en diverses mides, conegudes com a comandes. L'ordre més gran, l'Hiper-Radial, tenia un diàmetre de 1.330 mil·límetres. El més petit,  tenia un diàmetre de 75 mm i es podia trobar als fars de les badies i rius.

El 1823 el comitè de la Comissió Francesa de Fars va aprovar l'ús de la lent de Fresnel a tots els fars de França. Aquell mateix any, el primer es va instal·lar al far de Cordouan , al sud-oest de França. La lent finalment es va adoptar en altres països. A la dècada del 1860, tots els fars dels Estats Units havien estat equipats amb una lent de Fresnel, segons la Smithsonian Institution .

Fresnel va continuar modificant la lent durant diversos anys. El seu disseny final, que va completar el 1825, podia girar 360 graus i va ser la primera lent fixa/intermitent. Va produir una llum fixa seguida d'un flaix brillant seguit d'una altra llum fixa.

Amb la invenció de les eines de navegació modernes, els Fars ha quedat obsolets per a la seguretat marítima. Però la lent inventada encara s'utilitza als miralls laterals utilitzats en camions, panells solars i equips d'il·luminació fotogràfica.

Font: Joanna Goodrich és l'editor adjunt de The Institute, que cobreix el treball i els èxits dels membres de l'IEEE i esdeveniments relacionats amb l'IEEE i la tecnologia. Té un màster en comunicacions sanitàries per la Universitat de Rutgers, a New Brunswick, NJ