En camino hacia la electrificación de todo

Nuestra sociedad está viendo un esfuerzo concertado hacia la electrificación de todo, dentro de un objetivo más amplio de cambiar de combustibles fósiles a fuentes de energía renovable. La electrificación abarca desde automóviles con batería hasta reemplazar cocinas de gas por cocinas eléctricas, respaldada por actualizaciones a infraestructuras y tecnologías de redes inteligentes. Es especialmente notable la existencia de dispositivos como transistores basados en silicio de carburo (SiC) que permiten un cambio eficiente, junto con dispositivos de medición que habilitan las redes eléctricas inteligentes.

En términos generales, la electrificación de todo comenzó hace décadas, más por los beneficios inherentes que por las preocupaciones ambientales. El cuidado del césped, por ejemplo, fue una tarea fundamentalmente impulsada por gas o por energía humana. Hoy en día, los consumidores pueden comprar una cortadora de césped eléctrica que nunca tienen que llenar de gasolina y que es mucho más silenciosa que su equivalente de combustión. Esta misma tecnología nos permite usar herramientas eléctricas sin enchufarlas, así como cortacéspedes robóticos más avanzados que se encargan del césped por nosotros.

En el caso del smartphone, uno podría postular que la electrificación de todo permite una unificación de, si no todo, muchas cosas. Este paquete todo en uno incluye una cámara fija, grabadora de video, calculadora, localizador GPS y una biblioteca, a diferencia de cualquier cosa que el mundo haya visto. Los smartphones y la computación miniaturizada, en general, afectan casi todos los aspectos de nuestras vidas electrificadas.

Considere estas áreas donde la electrificación está destinada a expandir su influencia:

Hoy en día, hay aproximadamente 4 millones de vehículos eléctricos (EVs) en las carreteras de EE.UU., un número que se proyecta que llegue a 33 millones para el año 2030. También hemos visto la proliferación generalizada de bicicletas eléctricas (e-bikes), que ofrecen 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 consumo de energía primaria de EE.UU. fue para transporte. Una mayor electrificación en este campo podría representar un cambio importante en el consumo de combustibles fósiles.

Uno puede ver la electrificación desarrollándose también en el sector público, desde autobuses electrificados hasta trenes de alta velocidad que funcionan con electricidad. Esto, junto con la proliferación de bicicletas eléctricas, podría ayudar a reducir el tráfico y consumir menos energía total por persona-milla que los automóviles tradicionales. Como un beneficio actual relacionado con la electrificación, nuestra creciente dependencia del teletrabajo implica una menor necesidad de "estar allí" en persona. Esto podría no clasificarse estrictamente como "transporte electrificado", pero elimina gran parte de la necesidad de movimiento personal, resultando en el mismo efecto.

Se prevé que la gestión de edificios se vuelva más electrificada en los próximos años, especialmente la calefacción de edificios. Tradicionalmente, el calor se genera quemando combustibles fósiles en el sitio para calentar directamente o indirectamente un área. Esto puede ser una chimenea y hogar, un sistema de calefacción doméstico alimentado por gas natural, o un sistema de radiadores para todo el edificio usando vapor.

La entrada de calor eléctrico es una alternativa eficiente. El proceso básico de calentamiento eléctrico consiste en aplicar electricidad a una resistencia, la cual libera el exceso de energía a través del calor. Lo que normalmente es una ineficiencia y una molestia (calor en dispositivos electrónicos como una computadora que requiere refrigeración) es el resultado deseado. Al mismo tiempo, usar electricidad para calefacción por resistencia directa suele ser más caro que quemar gas u otros combustibles fósiles.

Como se detalla aquí, una opción de calefacción eléctrica más eficiente es utilizar una bomba de calor. Esto transfiere calor indirectamente a un hogar mediante un ciclo de compresión y funciona de manera opuesta a un acondicionador de aire. Aunque este método de calefacción no es ideal para temperaturas exteriores extremadamente bajas, puede funcionar bien para la calefacción de edificios en la mayoría de los climas.

Por supuesto, la gestión de la temperatura no es el único aspecto para mantener un edificio en su estado óptimo. Los sistemas de seguridad y contra incendios también son importantes, y el mantenimiento general puede ser asistido por técnicas de aprendizaje automático y predictivas. La funcionalidad de la interfaz de usuario generalmente se puede acceder mediante una computadora estándar o un teléfono inteligente, aprovechando de manera eficiente dispositivos multifuncionales para todo, en lugar de usar terminales dedicados.

La calefacción industrial es una aplicación notable donde la electrificación enfrenta los mismos desafíos fundamentales que los escenarios de gestión de edificios. Se están desarrollando nuevas tecnologías dirigidas hacia la industria, como kits de actualización que pueden sustituir eficientemente los quemadores de gas por elementos de calefacción eléctricos. Junto con el cambio de combustibles fósiles a calefacción eléctrica, se están realizando esfuerzos para hacer que las configuraciones de calefacción existentes sean más eficientes, lo que potencialmente podría aliviar algunas necesidades de energía por completo.

Más allá de la calefacción, las industrias pueden considerar otras ineficiencias del proceso energético, como reducir el uso de aire comprimido o cambiar a iluminación LED en lugar de bombillas incandescentes menos eficientes. Estos proyectos pueden tener un retorno de la inversión inmediato y fácilmente medible, una ganancia tanto a nivel corporativo como ambiental.

Si bien la electrificación de todo parece un objetivo noble, la cuestión clave es el hecho de que nuestra infraestructura está diseñada para las necesidades actuales. La mayor electrificación significa un aumento de la demanda eléctrica y requiere una robustez y flexibilidad en el suministro. Un concepto innovador es una “central eléctrica virtual” donde los recursos renovables y las entidades de almacenamiento en red se combinan y gestionan cuidadosamente para utilizar correctamente fuentes de energía dispares. Este concepto requiere capacidades como la medición bidireccional y una estructura de control sofisticada para permitir que los conceptos de redes inteligentes de energía funcionen de manera óptima.

Los componentes de la red inteligente como transistores basados en carburo de silicio, IGBTs de alta calidad y MOSFETs de silicio más tradicionales pueden permitir la gestión de energía con pérdidas mínimas entre fuentes de energía y consumidores de energía (cualquiera de los cuales puede cambiar de rol según lo dicte la situación). Las tecnologías de detección de corriente serán críticas para saber cuándo proporcionar electricidad a o consumir electricidad de los recursos en una red eléctrica inteligente y cómo facturar estas situaciones cambiantes.

Si bien la calefacción por proceso es un asunto definitivamente conectado, muchos "objetos" electrificados son portátiles y, por lo tanto, necesitan fuentes de energía autónomas (baterías). Los avances relativamente recientes en baterías, sobre todo las tecnologías de iones de litio (Li-ion) y polímero de litio (Li-Po), hacen posibles dispositivos portátiles como automóviles eléctricos y teléfonos inteligentes.

Desde el punto de vista de los dispositivos portátiles, buscaremos un mayor desarrollo en la tecnología de baterías de Li-Po/Li-ion, junto con la infraestructura de fabricación asociada para permitir una mayor producción de células. Al mismo tiempo, la tecnología de baterías actual tiene limitaciones. Es posible que veamos un paradigma de batería fundamentalmente nuevo imponerse en un futuro no muy lejano. Como se explora aquí, los investigadores están experimentando con el grafeno para el almacenamiento de energía eléctrica, lo que podría permitir ciclos de carga y descarga eléctrica mucho más rápidos de lo que actualmente es posible.

El ritmo y la metodología de electrificación es una cuestión abierta. A excepción de algunas circunstancias imprevistas masivas, la tendencia es ciertamente más electrificación. Una mayor capacidad de procesamiento en el borde y en la nube a través de dispositivos IoT ayudará a impulsar esto desde el punto de vista de la infraestructura, junto con avances en SiC y otras tecnologías relacionadas.

Sin embargo, por más que la electrificación se desarrolle en las próximas décadas, puede que, al igual que la proliferación de los teléfonos inteligentes, pase desapercibida sin una consideración consciente. En algún momento, estos coches eléctricos, bicicletas eléctricas y otras tecnologías recién electrificadas estarán entre nosotros, serán aceptadas tácitamente y (con suerte) mejorarán nuestro mundo. Por otro lado, se necesita más trabajo para que estas tecnologías sean viables y para implementar las mejoras en la infraestructura de la red inteligente que impulsarán nuestro mundo más electrificado.