Transicions energètiques.

Fa 140 anys, Thomas Edison va començar a generar electricitat en dues petites estacions de carbó, una a Londres (Holborn Viaduct), l'altra a la ciutat de Nova York (Pearl Street Station). No obstant això, tot i que l'electricitat era clarament el següetn gran avenc, va trigar més d'una vida a arribar a la majoria de la gent. Fins i tot ara, no totes les parts del món hi tenen fàcil accés. Per això, cal tenir en compte aquest  fet lent com un recordatori més que les transicions sistèmiques fonamentals són assumptes prolongats en el temps.

Aquestes transicions tendeixen a seguir una corba en forma de S: les taxes de creixement canvien de lenta a ràpida i després tornen a lent. Això es demostra observant alguns desenvolupaments clau en la generació d'electricitat i el consum residencial als Estats Units, que té estadístiques fiables per a totes les dècades menys les primeres dues del període elèctric.

El 1902, els Estats Units van generar només 6 TWh d'electricitat, i l'evolució centenària mostra una clara corba S. El 1912, la producció era de 25 TWh, el 1930 era de 114 TWh, el 1940 era de 180 TWh, i després tres successives duplicacions decenals  la van elevar fins a gairebé 1.600 TWh el 1970. Durant  la dècada de 1930 va ser l'única dècada en la qual la generació bruta d'electricitat no es va duplicar, però després del 1970 va trigar dues dècades a duplicar-se, i del 1990 al 2020, la generació elècrica només va augmentar en un terç.

A mesura que el procés va començar a madurar, al principi l'augment del consum d'electricitat va ser impulsat per la caiguda dels preus, i després per la creixent varietat d'usos de l'electricitat. La caiguda impressionant dels preus de l'electricitat ajustats a la inflació va acabar el 1970, i la generació d'electricitat va arribar a un màxim de al voltant de 4.000 TWh per any, el 2007.

La primera expansió de la generació es va destinar a la indústria, sobretot a la conversió de màquines de vapor a motors elèctrics i al comerç. L'ús domèstic d'electricitat es va mantenir amb restriccions fins després de la Segona Guerra Mundial.

L'any 1900, menys del 5 % de totes les llars tenien accés a l'electricitat; el salt d'electrificació més gran es va produir durant la dècada de 1920, quan la proporció d'habitatges amb connexions va passar d'un 35% a un 68%. El 1956 era pràcticament completa, fins al 98,8 %.

Però l'accés no es correlacionava fortament amb l'ús: el consum residencial es va mantenir modest, representant menys del 10 % de la generació total el 1930, i al voltant del 13 % a la vigília de la Segona Guerra Mundial. A la dècada de 1880, les bombetes d'Edison (ineficients i amb poca lluminositat) van ser els primers convertidors d'electricitat d'interior amb molta implantació. La il·luminació va continuar sent l'ús dominant de l'electricitat a la llar durant les tres dècades següents.

Els nous electrodomèstics van trigar molt de temps a marcar la diferència, perquè hi havia llacunes importants entre la patent i la introducció de nous electrodomèstics, incloent-hi la planxa elèctrica (1903), l'aspiradora (1907), la torradora (1909), els fogons elèctrics (1912), la nevera (1913) i la seva propietat generalitzada. La ràdio va ser la més ràpida de totes: el 75% de les llars la tenien el 1937.

La mateixa proporció dominant la van assolir els frigorífics i els fogons només a la dècada de 1940: els rentavaixelles el 1975, els televisors en color el 1977 i els forns de microones el 1988. De nou, com era d'esperar, aquestes difusions van seguir corbes S més o menys ordenades.

L'augment de la propietat d'aquests i d'altres grans usuaris d'electricitat va portar la proporció del consum residencial al 25% a finals de la dècada de 1960 i al voltant del 40% el 2020. Aquesta proporció està molt per sobre del 26% d'Alemanya i molt per sobre del 15% aproximadament de la Xina. S'està obrint un nou mercat per a l'electricitat, però lentament: fins ara, els nord-americans han estat compradors reticents de vehicles elèctrics i, notòriament, fa temps que han rebutjat la construcció d'una xarxa de trens elèctrics d'alta velocitat, com ha fet tots els altres països rics.

Font: Vaclav Smil Vaclav Smil  (IEEE Spectrum)

Reptes per la fiabilitat de la generació eòlica

Un d'aquests reptes és assegurar-se que la xarxa elèctrica està protegida si hi ha una fallada que genera un curtcircuit.

Per això cal afrontar com gestionar  la inèrcia de la generació en un sistema d'energia elèctrica que no la te. Per això es treballa per entendre com la planificació i la explotació de la xarxa podrien canviar amb un desplegament a gran escala de recursos de generació com és l'eòlica i la solar fotovoltaica, que utilitzen electrònica de potència en comptes dels generadors síncrons a les centrals elèctriques convencionals.

Es sabia que la disminució associada de la inèrcia del sistema d'energia suposava un repte important per mantenir un futur sistema d'energia fiable. 

Aquestes peces descriuen com, tot i que el creixement dels recursos basats en electrònica de potencia reduirà la quantitat d'inèrcia a la xarxa, hi ha diferents solucions per mantenir o fins i tot millorar la fiabilitat del sistema, de manera que el transporti la distribució, no s'hauran de preocupar.

La inèrcia és un dels diversos reptes que cal abordar a mesura que la xarxa evoluciona. Tot i que no s'ha parlat àmpliament sobre la inèrcia, la protecció de fallades és un altre tema que cal treballar-lo a mesura que la generació basada en electrònica de potencia s'anirà implantant.

Vídeo

El tipus d'avaria més típic és un curtcircuit. A la xarxa elèctrica, es poden produir curtcircuits, per exemple, quan es toquen dos cables o quan un arbre toca un cable. Això fa que els generadors produeixin una gran aportació de corrent elèctric. Això s'anomena corrent de defecte i pot provocar incendis i danyar l'equip si no es corregeix.

En el sistema elèctric actual, el corrent de defecte es produeix principalment per generadors síncrons en les centrals de generació de gas, nuclears i hidroelèctriques, que de manera inherent poden produir grans quantitats de corrent. Tanmateix, la tecnologia basada en electrònica de potencia, no acostuma a estar dissenyada per produir grans quantitats de corrent de defecte, de manera que en una xarxa amb alts nivells de fonts de generació solar fotovoltaic i eòlic, el sistema elèctric li caldrà noves maneres de proporcionar protecció contra els diferents defectes.

Per això, cal una visió general dels sistemes de protecció i els corrents de defecte per mantenir un sistema elèctric estable, fiable i segur. 

Hi ha una sèrie d'opcions que poden mantenir la protecció del sistema que podrien esdevenir nous esquemes de protecció que no es basen en un gran corrent de defecte el quals, podrien proporcionar els mateixos nivells de protecció o fins i tot més alts a un cost més baix. 

Tot i que hi ha pocs dubtes que els futurs sistemes d'alimentació poden mantenir una protecció adequada contra defectes amb un major desplegament de renovables, encara hi ha una significativa incertesa sobre quin serà la millor manera d'aplicar-ho. 

El repte més gran es trobar la combinació entre els recursos òptims i els seus costos.

Ramon Gallart.

Capturar i convertir CO2 del aire.

A mesura que les emissions de CO2 continuen creixent, el món cada cop més depèn de l'eliminació de diòxid de carboni de l'atmosfera per assolir els urgents objectius climàtics.

La captura directa d'aire (DAC) és una prometedora nova tecnologia per a l'extracció de diòxid de carboni de l'aire ambient mitjançant sorbents líquids o sòlids. El CO2 proporcionat per aquest procés es pot emmagatzemar en formacions geològiques o utilitzar-se com a matèria primera per a la producció de combustibles neutres en carboni i portadors d'energia. 

El creixement necessari de les energies renovables requereix del desenvolupament de mesures per equilibrar les fluctuacions inherents associades a fonts com l'energia solar i eòlica. En aquest sentit, el power-to-X (PtX) sovint es planteja quan es parla del futur sistema d'energies renovables. PtX es refereix a tecnologies que converteixen l'electricitat en una varietat de combustibles o portadors d'energia mitjançant un procés de dos passos. L'hidrogen es produeix inicialment mitjançant l'electròlisi de l'aigua i es converteix en un portador d'energia gasosa o líquida mitjançant la síntesi amb CO o CO2. Els enllaços químics d'aquests portadors proporcionarien una manera molt eficient i escalable d'emmagatzemar i transportar grans quantitats d'energia renovable.

A més, la descarbonització total de la societat no es produirà d'un dia per l'altre, ja que alguns sectors (com l'aviació) requereixen un salt tecnològic crucial per independitzar-se totalment de les fonts de carboni. La utilització de portadors densos d'energia produïts a partir de carboni atmosfèric i hidrogen renovable reduiria o fins i tot eliminaria les emissions de fonts distribuïdes i difícils de descarbonitzar com la associada al sector del transport.

La captura directa d'aire (DAC) segueix sent una tecnologia molt cara amb un alt potencial de millora. L'elevat cost dels processos actuals del DAC donaria un pes considerable a l'economia de qualsevol sistema de captura i utilització de CO2. Per tant, un primer objectiu  seria optimitzar els processos DAC per tal de reduir-ne els costos. Llavors, cal investigar en els processos més madurs i eficaços DAC, que capturen CO2 mitjançant solucions aquoses d'hidròxid de potassi o per adsorció sobre diferents materials sòlids. A més, també cal dissenyar nous processos basats en tecnologies electroquímiques amb la finalitat de poder-se integrar fàcilment amb fonts d'energia renovables, ja que l'única entrada d'energia és l'electricitat. 

També, cal identificar com fer una integració de processos òptima entre el DAC i la metanització de diòxid de carboni. La regeneració del sorbent requereix una energia considerable, mentre que la reacció del CO2 amb l'hidrogen és exotèrmica, és a dir, allibera calor. 

Font: Universitat d'Eindoven