El valor de l'energia eòlica.

Dos equips d'investigadors del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) han demostrat que l'energia eòlica ofereix un valor logístic, econòmic i ambiental als consumidors i les empreses elèctriques des de la costa d'Oregon fins a pobles remots d'Alaska.

En el primer estudi sobre els impactes de l'energia eòlica marina de la xarxa a Oregon, un equip del PNNL va emparellar el potencial de recursos eòlics marí de la costa d'Oregon amb altres fonts d'energia renovables variables, com ara l'eòlica terrestre i la solar. L'estudi va ajudar l'equip a entendre com l'eòlica marina podria servir la demanda d'electricitat a la xarxa de transport d'Oregon i al nord-oest del Pacífic.

En el segon estudi, un altre equip del PNNL va analitzar el valor de les turbines eòliques distribuïdes instal·lades a prop d'on es consumeix l'energia, com ara les llars, empreses i comunitats, per a la petita i allunyada comunitat de St. Mary's, Alaska. Els resultats de l'estudi podrien ajudar a les empreses elèctriques de la viabilitat econòmica per instal·lar generació eòlica en sistemes de microxarxes aïllats similars en altres pobles com St. Mary's. A més, l'estudi va mostrar possibles beneficis econòmics i ambientals per als consumidors d'electricitat del poble.

Energia eòlica a la costa d'Oregon

Els forts vents de la costa d'Oregon  tenen el potencial de produir més de 84 MWh d'energia, suficient per subministrar una part important de l'energia d'aquest estat.

L'estat d'Oregon també ha fomentat noves polítiques d'energia neta,  per reduir i regular les emissions de gasos d'efecte hivernacle;  que també exigeix ​​que les empreses elèctriques reduir les emissions al 100 % a l'any 2040. Per això, s'ha iniciat la planificació de fins a 3 GW de potencia eòlica marina flotant a les aigües federals d'Oregon per al 2030.

També cal afegir l'aturada de les plantes de carbó a la interconnexió que va  des de Oregon, Washington fins  Califòrnia, durant els propers 20 anys. L'augment de l'electrificació dels vehicles i dels edificis, així com el canvi climàtic, que afecta l'estacionalitat de l'energia hidroelèctrica, la eòlica es una font d'energia predominant  que completa les oportunitats per a l'eòlica marina.

En aquest estudi, s'ha utilitzat un marc de valoració desenvolupat per PNNL, com a mètode per avaluar el valor de l'eòlica marina. El marc estava format per una combinació d'atributs històrics eòlics, una comparació de compatibilitat d'altres recursos renovables variables a la regió i els models de costos de producció d'electricitat per crear simulacions amb la finalitat de distribuir recursos de generació elèctrica per a tota la regió.

L'estudi sobre els fluxos de les xarxes de transport elèctriques costaneres i regionals van demostrar que no només el vent marí pot augmentar la fiabilitat de l'electricitat a les zones costaneres d'Oregon, sinó que el desplegament eòlic marí obre la capacitat de transportar energia  a més zones.

Aquesta estratègia podria permetre que la xarxa de transport d'aquest corredor proporcioni més generació a partir de les zones equipades amb forts recursos d'energia renovable.

També es va descobrir que l'eòlica marina coincideix naturalment amb les tendències de les càrrega  horàries a Oregon millor que la generació eòlica a terra, durant les quatre estacions.

També es va demostrar que l'eòlica marina complementa els recursos solars  durant els mesos d'hivern, quan les càrregues augmenten a causa de les calefaccions.

No obstant això, de tots els recursos energètics variables i en totes les estacions de l'any, es va trobar que la millor relació complementària entre els recursos d'energia renovable és als mesos d'estiu.

Vent distribuït en microxarxes per a un servei resilient

El poble remot de St. Mary's, Alaska, acull una població de prop de 700 habitants. El poble es troba a l'oest d'Alaska al llarg del riu Andreafsky, prop de la cruïlla del riu Yukon.

Una font d'electricitat per a aquesta petita comunitat és el gasoil, que és costós per fer arribar als pobles allunyats com St. Mary's. A més, el seu lliurament sovint es  veu afectat pel clima o altres perills.

La central elèctrica amb un motor dièsel, dóna servei no només a St. Mary's, sinó a altres dues comunitats remotes: Pitka's Point i Mountain Village. Les tres microxarxes d'aquest pobles allunyats, tot i que estan connectades conjuntament, estan aïllades de qualsevol xarxa de transport. A una zona propera de Pitka's Point, una turbina d'energia eòlica autònoma amb un generador de 900 kW està connectada a la microxarxa de St. Mary's i reforça el servei als tres pobles. 

La central elèctrica dièsel i la turbina eòlica són propietat i són operats per Alaska Village Electric Cooperative (AVEC).

S'ha trobat que el major benefici per a AVEC és el estalviar el cost del combustible del motor dièsel, que es tradueix en un estalvi de 5,3 milions de US$ durant la vida útil de la turbina. També es va observar  que el valor més gran,  corresponen als beneficis econòmics per a l'estat d'Alaska, sobre la construcció i l'operació i el manteniment de les turbines durant la seva vida útil, estimats en uns 8 milions d' US$.

Un important altre benefici, és la reducció de les emissions de diòxid de carboni derivat de l'ús dels generadors amb un motor dièsel, per un valor de 2 milions d'US$.

No s'ha inclòs el valor d'altres contaminants que s'han evitat, per tant, és probable que hi hagi un valor addicional que no s'ha tingut en compte.

No obstant això,  s'ha trobat que els incentius i les subvencions poden ajudar a reduir els elevats costos inicials que les cooperatives elèctriques com AVEC podrien no tenir muscle financer per fer-hi front. El finançament públic podria ajudar a superar els costos, amb beneficis socials per un total de 9,8 milions d'US$ en comparació dels 5,4 milions d'US$ en ajuts federals i estatals que van estar per finançar el projecte de St. Mary.

Futurs treballs per la valoració eòlica distribuïda, podria ampliar altres aspectes, com ara la resiliència; impactes amb el medi ambient dels sistemes eòlics distribuïts; i l'economia dels sistemes híbrids que utilitzen eòlica, solar i emmagatzematge d'energia .

Font: Més informació: Travis C. Douville et al, Exploring the Grid Value of Offshore Wind Energy in Oregon, Energies (2021). DOI: 10.3390/en14154435

Sarah Barrows et al, Valuation of Distributed Wind in an Isolated System, Energies (2021). DOI: 10.3390/en14216956

Nou catalitzador per obtenir hidrogen.

La crisi climàtica requereix augmentar l'ús de fonts d'energia renovables com és la solar i l'eòlica, però donada la seva naturalesa de disponibilitat variable, l'emmagatzematge d'energia esdevé necessari.  

L'hidrogen, especialment l'hidrogen verd aconseguit des de font de generació  sense carboni, s'ha convertit en una prometedora opció per fer possible el transport amb energia neta i també una alternativa per l'emmagatzematge d'energies renovables com la solar i l'eòlica. Si be és cert  que la seva combustió no provoca emissions de carboni a l'atmosfera, actualment és costós i complex per obtenir-lo. 

Una manera de produir hidrogen verd és mitjançant la divisió electroquímica de l'aigua. Aquest procés consisteix a fer passar l'electricitat a través de l'aigua en presència de catalitzadors (substàncies que milloren la reacció) per produir hidrogen i oxigen. 

Els investigadors de l'Institut de Tecnologia de Geòrgia i l'Institut d'Investigació Tecnològica de Geòrgia (GTRI) han desenvolupat un nou procés que maximitza l'eficiència de la producció d'hidrogen verd, convertint-lo en una opció assequible i accessible per al sector industrial que vol passar-se al consum de hidrogen verd. per fer possible l'emmagatzematge d'energia renovable en lloc de la producció convencional d'hidrogen que emet carboni a partir del gas natural.

Recentment, experts climàtics acorden que l'hidrogen serà fonamental perquè els principals sectors industrials del món assoleixin els seus objectius de zero emissions.  S'espera substituir el gas natural i el carbó, que actualment s'utilitzen per emmagatzemar energia elèctrica a  la xarxa, per hidrogen verd perquè no contribueix a les emissions de carboni, cosa que el converteix en un mitjà més respectuós amb el medi ambient per emmagatzemar electricitat renovable. El focus de la seva investigació és l'electròlisi, o el procés d'utilitzar l'electricitat per dividir l'aigua en hidrogen i oxigen.

Materials menys costosos i més duradors

També es preveu, que l'hidrogen verd sigui menys costós i més durador mitjançant materials híbrids per a l'electro-catalitzador. Avui, el procés es basa en components de metalls nobles cars com el platí i l'iridi, els catalitzadors preferits per produir hidrogen mitjançant electròlisi a gran escala. Aquests elements són cars, cosa que no ajuda a fer possible substituir el gas per energia basada en hidrogen. De fet, l'hidrogen verd va representar menys de l'1% de la producció anual d'hidrogen del 2020, en gran part a causa d'aquesta despesa, segons la firma d'investigació de mercat Wood Mackenzie. 

Aquesta nova proposta, disminuirà l'ús d'aquests metalls nobles, augmentant la seva activitat i les opcions d'utilització.  En una investigació publicada a les revistes  Applied Catalysis B: Environmental and Energy & Environmental Science, es van destacar les interaccions entre les nanopartícules metàl·liques i l'òxid metàl·lic per donar suport al disseny de catalitzadors híbrids d'alt rendiment.  

Es van dissenyar una nova classe de catalitzador on es va trobar un millor substrat d'òxid que utilitza menys elements nobles. Aquests catalitzadors híbrids van mostrar un rendiment superior tant per a l'oxigen com per a l'hidrogen (divisió).

Anàlisi a escala nanomètrica

Si s'utilitzen els raigs X, es pot controlar els canvis estructurals del catalitzador durant el procés de divisió de l'aigua, a escala nanomètrica. Això permet investigar el seu estat d'oxidació o configuracions atòmiques en condicions de funcionament.

Per tant es podria reduir la barrera del cost de l'equip utilitzat en la producció d'hidrogen verd. A més de desenvolupar catalitzadors híbrids, s'ha perfeccionat la capacitat de controlar la forma dels catalitzadors així com la interacció dels metalls. Les prioritats clau van ser reduir l'ús del catalitzador al sistema i, al mateix temps, augmentar la seva durabilitat, ja que el catalitzador representa una part important del cost de l'equip.

Es vol utilitzar aquest catalitzador durant molt de temps sense degradar-ne el rendiment, per això, cal entendre la mecànica de la reacció que hi ha darrere. Es preveu que aquest nou desenvolupament  ajudarà a donar suport a la comprensió fonamental de la reacció de divisió de l'aigua en els catalitzadors.

La forma del catalitzador importa

La forma del catalitzador en la producció d'hidrogen basat en l'estructura superficial del catalitzador és molt important per determinar si és òptim per a la producció d'hidrogen. És per això que s'intenta controlar la forma del catalitzador així com la interacció entre els metalls i el material del substrat.

Algunes de les aplicacions que primer es poden beneficiar serien les estacions d'hidrogen per a vehicles elèctrics de pila de combustible, que avui només operen a l'estat de Califòrnia, i les microxarxes, un nou enfocament comunitari per dissenyar i operar xarxes elèctriques que depenen de garantia del subministrament.

Font: Myeongjin Kim et al, Comprensió de les interaccions sinèrgiques metall-òxid de nanopartícules metàl·liques dissoltes in situ sobre un suport d'òxid de piroclor per millorar la divisió de l'aigua, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/d0ee02935a

Myeongjin Kim et al, El paper dels passos superficials en l'activació dels llocs d'oxigen superficial en nanocristalls d'Ir per a la reacció d'evolució d'oxigen en medis àcids, catàlisi aplicada B: ambiental (2021). DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120834

Informació de la revista: Applied Catalysis B: Environmental , Energy and Environmental Science  

Nou programari per desenvolupar noves cel·les solars.

Nova eina de modelatge per fer cel·les solars i puguin extreure tota l'energia de la llum solar. Aquests simuladors  permeten avaluar com els petits ajustaments de paràmetres com seria l'estructura del dispositiu, els materials utilitzats i el gruix de les diferents capes de material, poden afectar en la potència obtinguda final.

Hi han disponibles diversos simuladors gratuïts de cel·les solars. No obstant, aquestes eines segueixen sent lentes i no permeten optimitzar simultàniament diferents paràmetres de disseny. El nou programari d'un equip d'investigadors del MIT i Google Brain, podria racionalitzar la millora i  fer possible nous dissenys de cel·les solars.

Les tradicionals eines computacionals prenen  com a entrada variables per fer un disseny concret de cel·les solars  i s'obté la potència nominal. Però amb el nou programari, a part d'obtenir resultats, també mostren com canviaria l'eficiència si es  modifiquen algun dels paràmetres d'entrada de manera que, es possible canviar contínuament els paràmetres d'entrada  i veure un gradient de com canvia la sortida.

Això redueix el nombre de vegades que cal executar aquestes simulacions que requereixen molt de temps. Només fent una simulació,  automàticament s'obté tota la informació que cal. Aquest nou programari, s'ha anomenat simulador de cel·les diferenciables solars el qual ha estat  publicat en un article a la revista Computer Physics Communications.

Les cel·les solars comercials tenen eficiències de llum a electricitat que queden per sota dels valors teòrics màxims dels dispositius. Els simuladors de cel·les solars permeten entendre com els factors físics per exemple conseqüència dels defectes de materials, afecten el rendiment final de les cel·les solars. Els simuladors ja han ajudat a millorar les tecnologies fotovoltaiques comunes, com ara les cel·les de pel·lícula prima a base de cadmi i les cel·les de perovskita.

Hi ha dues maneres en què la nova eina hauria d'ajudar al desenvolupament de cel·les solars. El primer és l'optimització. Per exemple, suposar un fabricant vol fer una cel·la solar d'alt rendiment però no coneix l'efecte del material que absorbeix la llum sobre l'eficiència general, llavors, normalment hi ha un òptim gruix per a aquesta capa de material  que es la que crearà la majoria de portadors de càrrega a partir de la llum que absorbeix. El programari ajuda a definir el paràmetre òptim que maximitzi l'eficiència.

De manera similar, el programari es podria utilitzar per avaluar valors òptims per a altres variables, com ara la quantitat de dopatge de les capes de material, el bandgap o la constant dielèctrica de les capes aïllants.

Aquest programari , també ajuda a l'enginyeria inversa d'una determinada cel·la solar. En aquest escenari, es possible mesurar la corba IV, la funció que dóna corrent per a cada voltatge, d'una cel·la solar i emparellar aquestes mesures experimentals mitjançant el simulador. A partir de les dades, el programari pot ajudar a calcular els valors de paràmetres específics del material que fins ara, es desconeixen.

Aquest és el primer simulador de codi obert que combina xarxes neuronals. El paquet de programari es troba a GitHub, cosa que hauria de facilitar que qualsevol pugui utilitzar-lo i fer millores.

Es possible combinar-ho amb algorismes propis d'optimització o un sistema de deep learning. Això hauria d'accelerar el desenvolupament de cel·les solars més eficients permetent una ràpida avaluació d'una gran varietat de possibles materials i estructures de dispositius.

Font:  Prachi Patel