Por Jeremy Cook
Nuestra sociedad está experimentando un auge concertado por la electrificación de todo, dentro de un objetivo más amplio de cambiar de combustibles fósiles a fuentes de energía renovables. La electrificación abarca desde automóviles a batería hasta el reemplazo de cocinas a gas por cocinas eléctricas, respaldada por actualizaciones de la infraestructura y tecnologías de redes inteligentes. De especial atención son dispositivos como transistores de carburo de silicio (SiC) que permiten una conmutación eficaz, junto con dispositivos de medición que permiten la existencia de redes de energía inteligentes.
Usos de la electrificación
En términos generales, la electrificación de todo comenzó hace varias décadas, más por los beneficios inherentes que las preocupaciones medioambientales. El cuidado del césped, por ejemplo, alguna vez fue una tarea fundamentalmente impulsada por gasolina o por humanos. Hoy en día, los consumidores pueden comprar una cortadora de césped eléctrica a la que nunca tendrán que cargar gasolina y que es mucho más silenciosa que su equivalente de combustión. Esta misma tecnología nos permite usar herramientas eléctricas sin tener que enchufarlas, así como incluso cortadoras de césped robóticas mucho más avanzadas que se encargan de cuidar el césped por nosotros.
En el caso de los teléfonos inteligentes, uno podría plantear que la electrificación de todo permite una unificación de, si no es todo, muchas cosas. Este paquete todo en uno incluye una cámara fotográfica, una grabadora de video, una calculadora, un localizador GPS y una biblioteca, como nada que el mundo haya visto. Los teléfonos inteligentes y la computación en miniatura, en general, afectan a prácticamente todos los aspectos de nuestras vidas electrificadas.
Considere estas áreas donde la electrificación puede ampliar su influencia:
Uso n.° 1: Transporte personal
Hay aproximadamente 4 millones de vehículos eléctricos (VE) en las calles de EE. UU. hoy en día, una cifra que se proyecta llegue a 33 millones en 2030. También hemos visto la proliferación generalizada de bicicletas eléctricas (e-bikes), lo que brinda una opción de transporte personal eficiente en muchas circunstancias. La Administración de Información Energética de EE. UU. informa que, a partir de 2022, el 27 % del principal consumo de energía en EE. UU. fue para el transporte. Una mayor electrificación en este campo podría representar un importante cambio en el consumo de combustibles fósiles.
Uno puede ver la evolución de la electrificación en el sector público también, desde buses electrificados hasta trenes de alta velocidad que funcionan con electricidad. Esto, junto con la proliferación de bicicletas eléctricas, podría ayudar a aliviar el tráfico y consumir menos energía total por persona/kilómetro que los automóviles tradicionales. Como una victoria actual relacionada con la electrificación, nuestra mayor dependencia del teletrabajo significa una menor necesidad de "estar allí" en persona. Puede que esto no se clasifique como "transporte electrificado" de manera estricta, pero sí elimina gran parte de la necesidad de traslados de personas, lo que tiene el mismo efecto.
Uso n.º 2: Administración de edificios
Se prevee que la administración de edificios se electrifique más en los próximos años, especialmente en cuanto a la calefacción de edificios. De manera tradicional, el calor se produce en la forma de quema de combustibles fósiles en el lugar para calentar de manera directa o indirecta un área. Esto puede ser una chimenea, un sistema de calefacción domiciliaria a gas natural o una configuración de radiadores en todo el edificio a vapor.
El calor generado con electricidad es una alternativa eficiente. El proceso básico de calentamiento eléctrico consiste en aplicar electricidad a un resistor, lo que produce energía en exceso a través del calor. Lo que normalmente es una ineficiencia y una molestia (calor en dispositivos electrónicos como una computadora que requiere enfriamiento) es el resultado que se desea. Al mismo tiempo, el uso de electricidad para la calefacción por resistencia directa normalmente es más costoso que quemar gas u otros combustibles fósiles.
Como se analiza en detalle aquí, una opción de calefacción eléctrica más eficiente es usar una bomba de calor. Esto transfiere calor de manera indirecta a una vivienda a través de un ciclo de compresión y funciona de manera opuesta al aire acondicionado. Si bien este método de calefacción no es ideal para temperaturas exteriores muy bajas, puede funcionar bien para la calefacción de edificios en la mayoría de los climas.
Por cierto que el control de la temperatura no es el único aspecto para mantener un edificio en su estado óptimo. Los sistemas contra incendios y de seguridad también son importantes, y el mantenimiento general puede ser asistido por técnicas predictivas y de aprendizaje automático. A la funcionalidad de la interfaz del usuario normalmente se puede acceder desde una computadora o teléfono inteligente estándar, aprovechando de manera eficiente dispositivos multipropósitos para todo, en lugar de usar terminales dedicados.
Uso n.° 3: Procesos industriales
La calefacción industrial es un uso destacado donde la electrificación enfrenta los mismos desafíos fundamentales que los escenarios de administración de edificios. Se están desarrollando nuevas tecnologías a la medida de la industria, como kits de adaptación que pueden sustituir de manera eficiente los quemadores a gas por elementos calefactores eléctricos. Junto con cambiar de combustibles fósiles a calefacción eléctrica, se hacen esfuerzos para que las configuraciones de calefacción existentes sean más eficientes, lo que potencialmente puede mitigar algunas necesidades de energía.
Más allá de la calefacción, las industrias pueden observar otras ineficiencias energéticas del proceso, como reducir el uso de aire comprimido o cambiar a iluminación LED en lugar de bombillas incandescentes menos eficientes. Tales proyectos pueden tener un retorno inmediato y fácilmente mensurable de la inversión: una ventaja a nivel corporativo y medioambiental general.
Tecnología habilitante n.° 1: tecnologías de redes inteligentes
Si bien la electrificación de todo parece ser un objetivo noble, el elefante en la habitación es el hecho de que nuestra infraestructura esté fabricada para las necesidades de hoy. Una mayor electrificación significa una mayor demanda eléctrica, y requiere robustez y flexibilidad en el suministro. Un concepto innovador es una "central eléctrica virtual", donde los recursos renovables y las entidades de almacenamiento de la red se fusionan y administran cuidadosamente para utilizar adecuadamente fuentes de energía dispares. Este concepto requiere capacidades como la medición bidireccional y una estructura de control sofisticada para permitir que los conceptos de red de energía inteligente funcionen de manera óptima.
Componentes de red inteligente como transistores de carburo de silicio, IGBT de alta calidad y MOSFET de silicio más tradicionales pueden permitir la administración de potencia con mínimas pérdidas entre las fuentes de energía y los consumidores de energía (cualquiera sea el que pueda cambiar los roles, según lo requiera la situación). Las tecnologías de detección de corriente serán fundamentales para saber cuándo suministrar electricidad a recursos o consumir electricidad de recursos en una red eléctrica inteligente y cómo facturar estas situaciones cambiantes.
Tecnología habilitante n.º 2: avances en la tecnología de baterías portátiles
Si bien la calefacción de procesos es un asunto decididamente cableado, muchas "cosas" electrificadas son portátiles y, por lo tanto, necesitan fuentes de alimentación autónomas (baterías). Avances relativamente recientes en las baterías [especialmente en las tecnologías de iones de litio (Li-ion) y polímeros de litio (Li-Po)] hacen posible dispositivos portátiles como automóviles eléctricos y teléfonos inteligentes.
Desde un punto de vista de dispositivo portátil, espere un mayor desarrollo en la tecnología de baterías de Li-Po/Li-ion, junto con infraestructura de fabricación asociada para permitir una mayor producción de celdas. Al mismo tiempo, la tecnología de baterías actual tiene limitaciones. Es posible que, en un futuro no muy lejano, veamos tomar el control a un paradigma de baterías fundamentalmente nuevo. Como se explora aquí, los investigadores experimentan con grafeno para el almacenamiento de energía eléctrica, lo que podría permitir ciclos de carga y descarga eléctrica mucho más rápidos que lo que es actualmente posible.
Avances futuros, mayor electrificación
El ritmo y la metodología de la electrificación es una pregunta abierta. Salvo circunstancias imprevistas masivas, la tendencia es ciertamente una mayor electrificación. Una mayor potencia de procesamiento informático en la periferia y en la nube mediante dispositivos con Internet de las cosas ayudará a sacar esto adelante desde el punto de vista de la infraestructura, junto con los avances en SiC y en otras tecnologías relacionadas.
Cualquiera sea la manera en que la electrificación se desarrolle en las próximas décadas, puede que, al igual que la proliferación de teléfonos inteligentes, pase desapercibida sin una consideración consciente. En algún momento, estos automóviles eléctricos, bicicletas eléctricas y otras tecnologías recientemente electrificadas estarán sobre nosotros, serán tácitamente aceptadas y (con suerte) harán de nuestro mundo un lugar mejor. Por otro lado, se necesita más trabajo para que estas tecnologías sean viables y para implementar las mejoras a la infraestructura de la red inteligente que impulsarán nuestro mundo más electrificado.
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