Primera reacció nuclear en cadena.

Un munt de maons de grafit negre que contenien urani, va ser coneguda com la primera reacció nuclear en cadena autosostenible creada per humans. Vuitanta anys més tard.

Va ser un fred 2 de desembre de 1942, sota el camp de futbol de la Universitat de Chicago, Enrico Fermi i els seus col·legues, van dur a terme un experiment de física que va canviar per sempre el món. Un molt important pas endavant per als Estats Units en la seva carrera del Projecte Manhattan per burlar Alemanya en la recerca d'armes atòmiques, el secret experiment anomenat Chicago Pile 1, va accelerar el final de la Segona Guerra Mundial. També va obrir la porta als isòtops mèdics que tracten el càncer, els neutrons per a experiments de la tecnologia i la ciència dels materials i, l'energia nuclear segura i com a font renovable. Avui dia, aquesta energia ho alimenta tot, des de submarins fins a llars i empreses sense afegir cap  emissió de carboni a l'atmosfera.

L'experiment de Fermi va ser alhora complex i senzill. Una pila de maons de grafit de 6,6 m d'ample per 8,3 m d'alçada n'incloïa uns quants que contenien petites quantitats d'urani. Varetes llargues i verticals de fusta recobertes de cadmi, lligaven la pila per esdevenir un material que permetia frenar el moviment dels neutrons. A mesura que les les barres s'extreien, Fermi i el seu equip van demostrar que els àtoms que hi havien al nucli i eren d'urani, podrien provocar que es dividissin. Alguns dels neutrons que van ser expulsats dels àtoms originals van ser absorbits per altres àtoms d'urani, sempre alliberaven energia de manera segura fins que al tornar inserir les barres, era possible frenar la reacció en cadena fins a aturar-se per complet.

Va ser considerat un important èxit, l'experiment va rebre el sobrenom de CP-1. Va produir energia per encendre una petita bombeta. Ara, l'energia nuclear alimenta moltes llars d'arreu del món i també, molts  submarins. 

Convé que un experiment tan depenent del grafit, el material que es troba en la mina d'un llapis comú, segueixi escrivint història. L'èxit del CP-1, per a una generació va significar el final d'una guerra mundial i va inspirar la formació de  laboratoris que des de llavors,  han beneficiat a totes les generacions.

El primer, va ser el Laboratori Nacional d'Argonne del Departament d'Energia dels Estats Units, en van seguir setze més, creant una potent xarxa d'investigació i desenvolupament centrada inicialment en l'energia nuclear, però finalment també en moltes altres àrees de la ciència.

Actualment, Argonne utilitza el seu ric coneixement històric i experiència en l'energia nuclear per abordar altres qüestions, com ara el canvi climàtic, les energies renovables i la seguretat nacional. Tot i la història d'Argonne, avui dia s'està treballant amb nous dissenys i tecnologies,

El disseny del reactor nuclear ha recorregut un llarg camí des de la pila i les barres de control de fusta de Fermi. Hi ha reactors d'aigua lleugera, reactors d'aigua bullint, reactors refrigerats per sodi, reactors ràpids avançats i molts altres.

Hi ha plans per a ràpids micro-reactors que es poden construir en una planta i portar-los a un altre lloc per fer l'assemblatge. Aquests reactors tenen aplicacions per alimentar zones allunyades o àrtiques i assegurar bases militars. Fins i tot, pot ser que algun dia s'utilitzin per ser enviats a estacions de  recarregar camions elèctrics de llarg recorregut. Aquests reactors, es poden utilitzar per a aplicacions de calor industrial que ajudaran a descarbonitzar la indústria; Els reactors refrigerats per aigua es poden utilitzar per fer calor i així, reduir l'ús del gas natural.

En particular, aquests nous dissenys, tenen la capacitat d'augmentar la quantitat d'energia extreta de l'urani en un factor de 100. Això significa que redueixen significativament la quantitat de combustible nuclear usat que queda després de la generació d'energia i el que implica sobre quant de temps, el combustible nuclear usat continua sent perillós. 

Els avenços en la seguretat dels reactors nuclears han anat progressant amb el disseny del reactor Argonne. Per exemple, el laboratori va provar amb èxit la seguretat inherent (es basa en la idea que un reactor es podria refredar mitjançant la seva pròpia física) durant un hipotètic accident simulat. Els resultats van ajudar al Japó durant i després de l'accident de la central elèctrica de Fukushima I del 2011.

Els recursos informàtics d'alt rendiment d'Argonne, als científics també els permet accelerar els complexos càlculs físics que Fermi i el seu equip van realitzar manualment. La intel·ligència artificial i els models i simulacions d'alta fidelitat, permeten als enginyers crear bessons digitals de nuclis de reactors. Les tecnologies i el programari que Argonne desenvolupa per als reactors nuclears es comparteixen amb la indústria perquè tots els dissenys nuclears es beneficiïn de la comprensió fonamental de la física iniciada per Fermi i els seus col·legues.

Argonne, ha dut a terme milers i milers d'experiments i són analitzats amb el mateix programari informàtic que es fa servir per dissenyar nous reactors. D'aquesta manera, es vinculen els dissenys basats en ordinador a la física real.

Combinades, aquestes millores donen lloc a una energia neta i segura que és cada cop més rendible. Vuitanta anys després del innovador experiment de Fermi, l'energia nuclear (de pau) està preparada per un proper gran moment.

Font: Laboratori Nacional d'Argonne

V2G i la xarxa elèctrica.

Avui dia, el més habitual és que els vehicles elèctrics (VE) estiguin connectats a les estacions de recàrrega per carregar les  bateries amb electricitat de la xarxa elèctrica. Però ls cotxes també poden tenir la capacitat d'invertir el flux i enviar energia cap a la xarxa.

A mesura que augmenta el nombre de vehicles elèctrics, les seves bateries podrien servir com a font d'energia rendible i a gran escala, amb un impacte en la transició energètica.

El vehicle-to-grid (V2G) pot impulsar el creixement de l'energia renovable, desplaçant la necessitat d'emmagatzematge estacionari d'energia i disminuir la dependència de generació amb gas natural, la qual, avui en dia s'utilitzen per gestionar la intermitència de les fonts renovables.

Una nova combinació d'algoritmes que integren factors com els objectius d'emissió de carboni, la generació d'energia renovable variable (VRE) i els costos d'emmagatzematge, autoconsum, etc. i, les  infraestructures de distribució i  transport permetrà, no només com els vehicles elèctrics podrien proporcionar servei a la xarxa, sinó també el valor de les aplicacions V2G per a tot el sistema energètic i si els vehicles elèctrics, podrien reduir el cost de descarbonitzar el sistema elèctric.

A mesura que les nacions persegueixen estrictes objectius per limitar les emissions de carboni, l'electrificació del transport s'ha disparat i la taxa d'adopció de vehicles elèctrics s'accelera. (Algunes projeccions mostren que els vehicles elèctrics substituiran els vehicles de combustió interna durant els propers 30 anys.) Amb l'augment de la conducció sense emissions, però, augmentarà la demanda d'energia. Llavors, el repte és garantir que hi hagi prou electricitat per carregar els vehicles com que aquesta electricitat provingui de fonts renovables.

Però l'energia solar i eòlica són intermitents per això calen instal·lacions d'emmagatzematge d'energia, per exemple, o centrals elèctriques que generen amb gas natural o hidrogen. Per tant, assolir els objectius d'energia neta resultarà difícil de fer.

Precisament aquí és on el V2G pot tenir un paper destacat i ser benvingut ja que les bateries de vehicles elèctrics podrien tenir en moments de màxima demanda gràcies a la tecnologia V2G que té la capacitat de tornar a injectar electricitat al sistema, de manera que no cal instal·lar ni invertir en turbines de gas natural. 

Hi han intensos debats a favor i en contra sobre si les xarxes elèctriques podran suportar els vehicles elèctrics. La resposta és un "potser" matisat. Depèn de diversos factors, com ara la velocitat de la modernització dels components de la xarxa, el volum de vendes de vehicles elèctrics, on es produeixen i quan, quins tipus de càrrega de vehicles elèctrics s'estan fent i quan, les decisions polítiques i reguladores i, sobretot, l'economia.

Per exemple, la ciutat de Palo Alto, Califòrnia, és un microcosmos de molts d'aquets problemes. Palo Alto compta amb la taxa d'adopció de vehicles elèctrics més alt dels Estats Units: el 2020, una de cada sis llars de la ciutat era propietari d'un vehicle elèctric. Dels 52.000 vehicles matriculats a la ciutat, 4.500 són vehicles elèctrics, i els dies feiners, els viatgers condueixen entre 3.000 i 5.000 vehicles elèctrics més per desplaçar-se al seu treball. Els residents poden accedir a uns 1.000 endolls o ports de recàrrega repartits en 277 estacions de recàrrega públiques, amb uns altres 3.500 endolls de recàrrega que hi han situats a les llars.

El govern de Palo Alto ha establert un Pla d'Acció per a la Sostenibilitat i el Clima molt agressiu amb l'objectiu de reduir les seves emissions de gasos d'efecte hivernacle a un 80 %  per sota del nivell de 1990 per a l'any 2030. En comparació, l'objectiu de l'estat és aconseguir aquesta quantitat el 2050. Per fer possible aquesta reducció, Palo Alto ha de tenir el 80 % dels vehicles en els propers vuit anys matriculats a la ciutat elèctrics (uns 100.000 en total).

Per assolir els objectius de reducció d'emissions de Palo Alto per al 2030, la ciutat, que és propietària i opera de la companyia elèctrica, vol augmentar significativament la quantitat d'energia renovable local que s'utilitza per a la generació d'electricitat, inclosa la capacitat d'utilitzar els vehicles elèctrics distribuïts com a recursos energètics (connexions vehicle-to-grid (V2G) ). Per això, s'han proporcionat incentius per a la compra tant de vehicles elèctrics com de carregadors, la instal·lació d'escalfadors d'aigua amb bomba de calor i la instal·lació de sistemes solars i d'emmagatzematge de bateries.

Hi ha, però, aspectes per resoldre per complir els objectius d'emissions de la ciutat per al 2030. Per exemple, a la ciutat, avui encara hi han llocs, on ni tan sols es pot instal·lar una bomba de calor més sense haver de reconstruir part del sistema de distribució elèctrica o, ni tan sols es possible tenir un carregador de vehicles elèctrics.

El sistema de distribució elèctrica de Palo Alto es va construir per a les càrregues elèctriques dels anys 50 i 60, quan la calefacció, l'aigua i la cuina de la llar funcionaven principalment amb gas natural. Sota aquesta situació, el sistema de distribució no té la capacitat de suportar els vehicles elèctrics. A més, el sistema va ser dissenyat per una arquitectura d'alimentació unidireccional i no, per a dispositius d'energia renovable distribuïda que modifiquen el flux d'energia.

Un gran problema són els 3.150 transformadors de distribució de la ciutat. Segons un estudi d'impacte de l'electrificació del 2020, es va trobar que més del 95 % dels transformadors residencials estaran sobrecarregats si Palo Alto assoleix els seus objectius de vehicles elèctrics per al 2030.

El sistema de distribució elèctrica de Palo Alto necessita una actualització completa per permetre a la companyia equilibrar els pics de càrrega, gestionar els fluxos d'energia bidireccionals, instal·lar el nombre necessari d'endolls de càrrega dels vehicles elèctrics i aparells elèctrics per donar suport als objectius de reducció d'emissions de la ciutat i subministrar energia i, d'una manera segura, fiable, sostenible i cibersegura. 

De fet, Palo Alto està considerant invertir 150 M US$ per modernitzar el seu sistema de distribució, però això necessitarà de dos a tres anys de planificació, així com altres tres o quatre anys o més per realitzar tota la feina necessària. A més, com altres indústries, el negoci de l'energia s'ha digitalitzat, el que significa que les habilitats necessàries són diferents de les que es requerien anteriorment.

Font:  Robert N. Charette es  internacionalment reconegut en tecnologia de la informació i gestió del risc dels sistemes.

Canvi del panorama hidroelèctric a Espanya

La poca capacitat hidroelèctrica representa un exemple d'alguns dels canvis que es donaran en un món que s'escalfa.

A finals del del segle XIX, es van començar a construir preses per fer que els rius funcionin com màquines formades per una sèrie de rescloses i turbines. Aquestes rescloses van transformar els cursos dels rius que fluïen lliurement i eren capaços de donar vida a diferents especies de peixos d'aigua dolça. Aquest fet va permetre il·luminar habitatges i negocis, i fer funcionar diferents procesos productius, el tèxtil en el cas del riu Ter.

A Espanya,  l'evolució anual de la potència hidràulica instal·lada va arrivar als 17. 097 MW al 2023 i va represen al voltant del 12% de la capacitat de generació d'energia (https://www.ree.es/es/datos/generacion). Però moltes de les centrals d'aquests rius s'acosten o han superat els seus 100 anys i algunes empreses de generació han d'afrontar cares actualitzacions, poden haver casos que els sigui mes rendible tancar-les.

Fa anys que es ve arrossegant sequeres dels rius. En temps de sequera, aixó a fet necessari generar amb central de combustibles fòssils que ha fet incrementar les emissions de gasos d'efecte hivernacle.

Aquesta disminució de la generació d'energia hidroelèctrica a Espanyaa a fet que segons un nou informe de l'Observatori de Sostenibilitat, assenyalés que la sequera va determinar una disminució del 40% a la generació hidroelèctrica, mentre es van disparar les emissions de les centrals de gas i carbó. De fet, Espanya va augmentar les emissions del mercat de carboni un 9% el 2022 on  les emissions de gasos efecte hivernacle associades a la producció d'energia van augmentar un 24% per la qual cosa no es pot dir que s'avancés en la descarbonització l'any 2022. 

Pel que fa a la producció d'energia del 2022, la sequera va significar una disminució del 40% en la generació hidroelèctrica, mentre es van disparar les emissions de les centrals de gas, que van augmentar la producció un 53% i les centrals de carbó, que van augmentar la producció un 56%.

Una altre perspectiva pot portar a pensar que fins i tot, l'energia hidroelèctrica no és 100% neutral en carboni donat què els embassaments de tota mena són fonts de metà que es genera per la descomposició de la matèria orgànica que hi ha sota l'aigua.

Per tant, aquesta creixent vulenrabilitat de les centrals hidroelèctriques, cal tneir-les en compte en els models de transició de la xarxa energètica.

L'energia hidroelèctrica sempre ha estat variable, en gran part segons els capricis de la pluja i la neu per això, les preses que hi han a Espanya poden tenir dos tipus d'aprofitaments hidroelèctrics:

1.- El fluent, en aquelles on no hi ha capacitat d'emmagatzematge i es turbina en continu,

2.- Els aprofitaments de regulació en què independentment del cabal, es pot graduar la quantitat d'aigua i produir energia hidroelèctrica quan es necessiti, ja que l'aigua s'emmagatzema aigües amunt. 

Dins dels aprofitaments hidroelèctrics de regulació, hi ha dos tipus de bombament:

1.- El bombament pur en què no hi ha aportació del riu i tota l'aigua procedeix d'un dipòsit artificial construït per emmagatzemar el recurs hídric i deixar-lo anar quan es necessita produir energia,

2.- El bombament mixt, en què l'aigua procedeix de les aportacions del riu i del bombament, en què l'aigua es torna a elevar per produir energia.

Al PNIEC es va publicar una advertència ambiental a les possibles actuacions en els sistemes hidroelèctrics i de bombament hidràulic de manea que tindran en compte les possibles afeccions dels cabals als rius, ja que podrien afectar el bon estat de les aigües.

Dins del pla del Ministeri per a la Transició Ecològica, es va publicar que reglamentàriament, es podran habilitar els mecanismes que permetin aplicar a les noves concessions que s'atorguin una estratègia de bombament, emmagatzematge i turbinat per maximitzar la integració d'energies renovables,

Ramon Gallart.