Flexibilitat d'energia elèctrica.

Quan la demanda d'energia supera l'oferta, el sistema elèctric col·lapsa. És evident que equilibrar l'oferta i la demanda és fonamental per a un  sistema elèctric  estable i funcional.

Llavors, es pot mantenir l'oferta i la demanda equilibrades amb l'augment de la generació distribuïda? Hi han diferents possibilitats. Una, és invertir de la mateixa manera que s'ha fet fins ara i construir una gran  infraestructura centralitzada. Això significaria instal·lar grans quantitats d'emmagatzematge d'energia, com ara grans bateries, invertir en centrals de bombeig hidroelèctriques reversibles, per emmagatzemar l'excés d'energia renovable que es genera quan no hi ha demanda, i interconnectar aquest emmagatzematge amb línies de transport d'alta tensió, de manera que l'oferta pugui satisfer la demanda. De fet, la Xina és líder en aquesta aposta, però certament,  és molt car i requereix d'una aposta política.

Hi ha una millor manera de fer i aquesta, passa per en comptes de fer créixer desmesuradament la infraestructura de la xarxa elèctrica, es podria coordinar la demanda en temps real per adaptar-se a l'oferta, que és cada cop més variable. L'analogia amb les xarxes de telecomunicacions fonamentada en la paquetització i la aleatorietat, fa possible  crear un sistema que podria coordinar l'energia distribuïda. Aquests conceptes, permeten que milions d'usuaris i milers de milions de dispositius es connectin a Internet sense cap programació ni control centralitzat.

La mateixa idea bàsica,  podria funcionar a la xarxa elèctrica. Utilitzant connectivitat de baix ample de banda i petits controladors que executin algorismes senzills que permetria utilitzar milions de dispositius elèctrics per equilibrar el flux d'electricitat a la xarxa elèctrica.

La demanda d'electricitat prové de moltes càrregues elèctriques. Aquestes es poden agrupar en dues  categories: 

1.- Càrregues comercials i industrials

2.- Càrregues residencials.

De les dues, les càrregues residencials estan molt més disperses de manera què totes aquestes càrregues (televisor, neveres, rentavaixelles, climatització, etc. ) juntament amb els carregadors de vehicles elèctrics poden ser  càrregues flexibles. A diferència del que passa amb la il·luminació o un televisor, hi han altres càrregues com seria un escalfador elèctric d'aigua, un congeladors que podrien  flexibilitzar el seu consum elèctric. És a dir, col·lectivament, hi ha molta flexibilitat de les càrregues elèctriques residencials que es podrien utilitzar per ajudar a equilibrar la variabilitat de la generació. Per exemple, si en un país com Espanya cada llar disposés d'un sol dispositiu que pogués consumir energia de manera flexible, s'obtindrien valors de potencia, entesa com a capacitat disponible, d'alguns MW.

Això és el que significa la flexibilitat quan, per exemple, tracta d'operar un escalfador elèctric d'aigua. Un petit escalfador elèctric te una potencia d'uns 2,5 kW. En el transcurs d'un dia normal, l'aparell està encès aproximadament una desena part del temps. Per reduir la demanda durant els períodes punta, calen programes de resposta a la demanda que  permetin controlar els escalfadors d'aigua, els aparells d'aire condicionat, etc. 

Tanmateix, si l'objectiu és equilibrar la xarxa en temps real, ja que la generació renovable flueix de manera imprevisible en funció del vent i el sol, no n'hi ha prou amb operar dispositius segons un calendari fix basat en el comportament del passat. Cal un enfocament més sensible, que vagi més enllà de la simple reducció de la demanda punta i ofereixi altre avantatges que millorin la fiabilitat de la xarxa, com ara la capacitat de resposta als preus, mitigar la generació renovable i la regulació de la freqüència.

Si és possible coordinar molts dispositius distribuïts i flexibles a nivell de kW, cadascun d'ells amb les seves pròpies necessitats i requisits, seria possible oferir un recurs agregat de MW que respongui a la variabilitat? Això porta a comparar un altre domini: els sistemes de comunicació digital.

Els sistemes digitals representen la veu, un correu electrònic o un videoclip com una seqüència de bits. Quan aquestes dades s'envien a través d'un canal, es divideixen en paquets. A continuació, cada paquet s'encamina de manera independent a través de la xarxa fins a la destinació prevista. Un cop han arribat tots els paquets, les dades es reconstrueixen a la seva forma original.

Seguint amb l'analogia, moltes persones i molts dispositius utilitzen Internet cada dia. Els usuaris tenen els seus dispositius, les necessitats i patrons d'ús individuals —que es podrien considerar com a demanda—, mentre que la pròpia xarxa te dinàmiques associades amb el seu ample de banda —el seu subministrament, en altres paraules. No obstant això, la demanda i l'oferta a Internet es combinen en temps real sense cap programador centralitzat. Així mateix, milers de milions d'aparells elèctrics, cadascun amb la seva pròpia dinàmica, s'estan connectant a la xarxa elèctrica, el subministrament de la qual és, cada cop més variable.

Aquesta similitud, porta a una gestió d'energia en paquets per coordinar l'ús d'energia dels dispositius flexibles. 

Tornant a l'escalfador d'aigua elèctric, i sota un funcionament convencional, l'escalfador d'aigua està controlat pel seu termòstat. Aquest,  s'encén quan la temperatura de l'aigua arriba a un límit inferior i funciona contínuament (a 2,5 kW) durant 20 ó 30 minuts, fins que la temperatura de l'aigua arriba al límit superior. 

En base a la gestió d'energia per paquets, cada càrrega podria funcionar de manera independent i amb unes regles de control  senzilles. En lloc d'escalfar només quan la temperatura de l'aigua arriba al seu límit inferior, un escalfador d'aigua sol·licitaria periòdicament consumir un "paquet" d'energia, on un paquet es defineix com un consum d'energia durant un curt període de temps curt, per exemple, 5 minuts. La coordinació gracies a una plataforma basada al cloud, podria aprovar o denegar aquestes sol·licituds de paquets en funció d'un senyal que reflecteixi les condicions de la xarxa, com ara la disponibilitat d'energia renovable, el preu de l'electricitat, etc.

Per garantir una priorització en base a les necessitats d'energia cada dispositiu ajustaria el ritme de les seves sol·licituds en funció de les seves necessitats. Quan l'aigua és menys calenta, un escalfador d'aigua ho sol·licitaria més sovint. Quan l'aigua és més calenta, la demana seria menys sovint. Així, el sistema prioritza dinàmicament els dispositius d'una manera totalment descentralitzada, ja que les probabilitats de fer peticions dels paquets són proporcionals a la necessitat d'energia dels dispositius. 

Això permetria gestionar les sol·licituds de paquets entrants per donar forma activa a la càrrega total de molts dispositius "empaquetats", sense necessitat d'optimitzar de manera centralitzada el comportament de cada dispositiu. Des de la perspectiva del client, no ha canviat res de l'escalfador d'aigua, ja que aquestes peticions es produeixen sense afectar al confort del client.

Aquests mateixos conceptes es podrien aplicar a una àmplia gamma de dispositius que consumeixen energia. Per exemple, un carregador de vehicles elèctrics o un sistema de bateries residencial pot comparar l'estat de càrrega actual de la bateria amb el seu valor desitjat, equivalent a la seva necessitat d'energia, traduir-ho en una probabilitat de sol·licitud. D'aquesta manera, els dispositius d'energia flexibles es comuniquen utilitzant un llenguatge comú i senzill de les sol·licituds de "paquets" d'energia. 

Ramon Gallart

La flexibilitat i la resiliència de la xarxa elèctrica.

La previsió de l'increment de fonts d'energia renovable distribuïda (DER) amb un cost operatiu molt baix  farà que el futur mix energètic permeti la substitució dels combustibles fòssils en sectors com el de la calefacció, la refrigeració, els processos industrials i el transport. 

La intermitència d'aquests recursos energètics implica importants requeriments sistèmics com els que resol la flexibilitat. Això significa que són necessàries importants activitats d'innovació en els camps de la flexibilitat del sistema elèctric. Simultàniament, les complexitats i les interdependències dels components del sistema i la multitud d'actors, augmenten els riscos en la qualitat del servei.

Els impactes de l'escalfament global són irrefutables, la variabilitat i la incertesa de la generació d'energia mitjançant DER i el paper cada cop més proactiu dels consumidors en el funcionament del sistema elèctric, complementat per les seves opcions tecnològiques en expansió (per exemple, fotovoltaica, vehicles elèctrics endollables, etc.), impulsen la necessitat d'un sistema elèctric amb més flexibilitat. En aquest context, es defineix a la flexibilitat com la modificació dels patrons de generació i/o consum en resposta a un senyal extern que pot ser per preu o per una activació activació determinada com podria ser resoldre una congestió. 

La resiliència del sistema elèctric reflecteix l'impacte que provoquen les incidències greus (com ara les situacions meteorològiques adverses provocades pel canvi climàtic, la ciberseguretat, etc.) i és un concepte general que cobreix tot l'espectre del sistema elèctric, des de com fer el disseny, les inversions fins a la planificació, operacions & manteniment,  gestió d'actius. 

La flexibilitat fa referència a la capacitat del sistema elèctric per gestionar els canvis, amb característiques de flexibilitat capaços de millorar les característiques de resiliència del sistema amb una amplia visió dels sistemes, sempre que estiguin integrats en la planificació de la xarxa, en els plans d'explotació i avaluats adequadament en el disseny del mercat energètic. Les capacitats de flexibilitat s'han de considerar des de l'etapa de la seva planificació, utilitzant un enfocament holístic orientat a que les xarxes siguin per disseny, flexibles i resilients. Els recursos de flexibilitat també poden facilitar el procés de restaurar una avaria mitjançant l'explotació de les capacitats d'una apagada general, inclòs l'acoblament sectorial, que afegeix una nova dimensió al necessari patró d'interacció entre el TSO  i el DSO, amb altres sectors. 

La dependència integrada de la flexibilitat, afecta directament la resiliència del sistema elèctric, per tant, les solucions de flexibilitat destinades a proporcionar suport de resiliència han de ser estables i segures.

El Pacte Climàtic Europeu, pretén implicar els ciutadans, les organitzacions i totes les parts de la societat en l'acció climàtica, convidant a les persones, comunitats i organitzacions a prendre decisions conscients de  com impacten en el clima i així, provocar el canvi de comportament dels consumidors. 

 Per tant, la dimensió local, en la qual les accions dels consumidors es consideren activament com a part del funcionament del sistema elèctric, cada cop és més, essencial a causa del nou marc del sector elèctric.

Reconèixer la flexibilitat local derivada del comportament dels consumidors que poden participar de la demanda al mercat energètic és indiscutible, però també requereix més atenció a mesura que la necessitat de flexibilitat distribuïda es fa més omnipresent. En resposta a això, la utilització de la flexibilitat proporcionada a nivell residencial mitjançant solucions com ara la gestió de la demanda, la utilització de l'emmagatzematge, es podrien incloure per a un efectiu funcionament tant per a les xarxes de transport com les de distribució.

La flexibilitat de la demanda (DSF) es refereix a permetre als clients finals ser actius al mercat, però també als operadors del sistema per fer el millor ús d'aquesta flexibilitat per garantir un funcionament eficient del sistema.

A més dels consumidors, els DSO i els TSO tenen un paper crucial donat què, són els responsables de garantir que l'electricitat del sistema pugui fluir de manera segura i fiable entre els usuaris de la xarxa. Des de la seva perspectiva, la DSF podria salvaguardar una disponibilitat contínua de la capacitat de la xarxa, reduint les càrregues a les xarxes energètiques i, per tant, podria ser una alternativa per al reforç (a curt termini) de la xarxa i/o la construcció de noves xarxes elèctriques. Tècnicament, és possible resoldre reptes operatius, per exemple, el problema de la capacitat de la xarxa mitjançant la DSF a la banda del consumidor sobre tot si es pot disposar de mesura adequada a les instal·lacions del client de manera que, d'aquesta manera, és possible una millor observabilitat de la xarxa de distribució. Més concretament, les mesures de comptadors intel·ligents, es podrien utilitzar per a l'avaluació de la flexibilitat en temps real si aquest actius evolucionen. Malgrat aquestes oportunitats, s'han d'abordar diverses qüestions per fer possible el potencial de la flexibilitat , en destaquen:

1.- La manca de consciència del client sobre quines oportunitats hi ha per participar en la flexibilitat de la demanda.

2.- L'augment de la quantitat de flexibilitat disponible per la demanda que no té l'estratègia d'operació.

3.- Els productes comercialitzats en diferents mercats. Per exemple, el mercat de regulació de freqüència.

4.- La legislació dels països.

Les oportunitats de la flexibilitat estan en constant evolució a causa del desenvolupament de noves tecnologies energètiques i solucions de mercat i la necessitat d'un sistema energètic que acumuli una alta quota de Recursos Energètics Distribuïts.

La quantitat de DER i RES continuarà creixent, per tant, requereix que els operadors del sistema elèctric  implementin estratègies operatives i serveis innovadors per mantenir la seguretat de subministrament de tot el sistema energètic. Aquestes estratègies operatives haurien d'estar alineades amb els següents tres punts d'acció del Pla Estratègic de Tecnologia Energètica de la UE (Pla SET):

1.- Mantenir el lideratge tecnològic desenvolupant tecnologies renovables d'alt rendiment i la seva integració al sistema energètic de la UE.

2.- Crear tecnologies i serveis per a llars intel·ligents que proporcionin solucions intel·ligents als consumidors d'energia.

3.- Augmentar la resiliència, la seguretat i la intel·ligència del sistema energètic.

No obstant això, qualsevol implementació també s'ha de recolzar amb models de negoci sòlids que permetin al mercat i als consumidors beneficiar-se dels serveis de flexibilitat

Molts projectes internacionals i nacionals proporcionen un coneixement molt rellevant a la pregunta de Com la flexibilitat pot donar suport a la resiliència de la xarxa elèctrica?.

De fet, mostren la rellevància i els potencials valors que cal superar,  algunes de les àrees són:

1.- Rendiment tècnic del sistema.

2.- Desenvolupament de la xarxa alternativa.

3.- Models de negoci innovadors i aprofitar els actius locals dels distribuïdor. 

Com a resultat, mitjançant la implementació del coneixement acumulat, el valor econòmic que proporcionen les solucions de flexibilitat podrien augmentar alts nivells de resiliència i, per tant, proporcionar incentius per a les inversions que millorin la resiliència. A més, la ciberseguretat és una àrea que cal més atenció com a part de la digitalització del sistema elèctric. Finalment, l'estandardització de les solucions són importants per augmentar la fiabilitat i l'acceptació per tal de desplegar la flexibilitat.

Ramon Gallart.

Generador portàtil per alimentar petits dispositius de seguretat.

Un nou dispositiu semblant a un pal que en el seu interior te aigua, pot convertir l'energia del moviment en electricitat. Aquesta es podria utilitzar per alimentar dispositius portàtils, com podrien ser les llums de seguretat.

Amb el creixent interès per l' Internet de les coses i la petita electrònica, hi ha una gran demanda de fonts d'energia portàtils. Una manera de produir energia és recollir energia del medi ambient, com l'energia tèrmica, solar o mecànica. Per capturar l'energia mecànica, s'ha desenvolupat nanogeneradors triboelèctrics, que poden produir electricitat mitjançant la fricció.

Els nanogeneradors triboelèctrics són una de les eines més efectives per capturar energia mecànica gràcies a la seva capacitat de generació elèctrica, baix cost i fàcil accessibilitat

Els generadors triboelèctrics es carreguen elèctricament quan dos materials diferents es toquen i després se separen. Per exemple, quan es frega un globus amb la roba, el globus es carrega amb electricitat estàtica. Tanmateix, la fricció entre dos materials inevitablement te un desgast i afecta a la vida útil del dispositiu.

L'ús de líquids pot reduir la fricció de manera què, aquests generadors tenen una menor capacitat de produir energia elèctrica. També ha d'haver un compromís entre  la mida del dispositiu  perquè el líquid es mogui i generi electricitat, alhora que sigui prou compacte per ser portàtil.

El dispositiu té un disseny senzill semblant a un pal i conté 10 ml d'aigua, un cilindre de polímer i elèctrodes. El material polimèric del contenidor està carregat negativament. L'aigua es mou cap amunt i cap avall quan es sacseja el dispositiu, adquirint una càrrega positiva que es transfereix als elèctrodes per generar un tensió elèctrica.

A causa del seu mecanisme i  senzill disseny, aquest  petit i lleuger dispositiu, pot tenir usos  per a la vida quotidiana donat que es pot produir energia elèctrica simplement sacsejant-lo.

S'han provat diferents dissenys, amb diferents mides segons la proporció dels elèctrodes, l'espai físic entre els elèctrodes i la quantitat d'aigua per tal de determinar l'òptica combinació Es va trobar que el generador en forma pal portàtil, podia generar una tensió de fins a 710 V quan es disposa de suficient espai per moure l'aigua conjuntament amb una amplia superfície d'elèctrodes. S'ha demostrat que el generador podria alimentar 100 llums LED.

Font:  Universitat de Chung-ang a la República de Corea.