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Dos nuevos desarrollos tecnológicos interesantes fueron anunciados la semana pasada en Japón.

El primer anuncio vino de la Universidad de Osaka, la cual reveló que está utilizando la inteligencia artificial para analizar la tecnología de la fotovoltaica orgánica. En su comunicado, la entidad dijo que aprendizaje automático podría acelerar enormemente el desarrollo de las células solares, ya que predice instantáneamente resultados que llevarían meses en el laboratorio.

La células fotovoltaicas orgánicas (OPV), de otra parte, han tenido dificultades para alcanzar eficiencias de conversión de energía comercialmente competitivas, a pesar de que varias compañías en todo el mundo han invertido grandes sumas en I + D relacionadas con la tecnología. Los paneles fotovoltaicos orgánicos están hechos de materiales económicos y livianos que son seguros de manejar y son fáciles de producir. Sin embargo, sus eficiencias de conversión de energía (PCE) son aún demasiado bajas para la comercialización a gran escala. Las PCE dependen de las capas orgánicas y de polímeros y los químicos han experimentado con diferentes combinaciones sin encontrar una mejora suficiente en la eficiencia hasta la fecha.

La informática de Big Data puede ayudar a los científicos a navegar por conjuntos de datos grandes y complejos, identificando tendencias estadísticas potencialmente importantes. Los científicos japoneses mencionaron en el artículo datos de 1.200 tipos de fotovoltaica orgánica provenientes de alrededor de 500 estudios en un paquete de inteligencia artificial, para navegar por la fase de prueba y error, que de otro modo consumiría mucho tiempo. Al analizar el rendimiento de cada material utilizado, y considerando su interacción con otros compuestos, el software de aprendizaje automático puede sacar conclusiones sobre posibles combinaciones de diferentes moléculas orgánicas y polímeros más rápido que los humanos. La IA hace predicciones de rendimiento de las nuevas constelaciones de material que genera.

Otro anuncio interesante vino del grupo japonés Toshiba, el cual dijo que su filial Toshiba Energy System & Solutions Corporation (Toshiba ESS) está realizando una serie de demonstraciones del funcionamiento de una cadena de suministro holística de hidrógeno para la generación de electricidad.

Toshiba ESS construyó una planta hidroeléctrica de 200 kW en la presa Shoro en Shiranuka, cerca de la costa pacífica de Hokkaido. La planta se utiliza para alimentar una instalación de electrólisis de hidrógeno, con una capacidad de 35 m³ de hidrógeno por hora. El gas es luego transportado por Iwatani a los sistemas de almacenamiento de hidrógeno Toshiba ESS ubicados en granjas lecheras, una piscina cubierta y un centro de bienestar y salud cerca de la instalación de generación de hidrógeno. Además, una porción del hidrógeno será entregada al campo de pruebas Shibetsu de Toyota para vehículos con celdas de combustible.

Toshiba ESS cita los abundantes recursos de energía renovable de Hokkaido, incluidos los eólicos, hidroeléctricos y fotovoltaicos. La cadena de suministro de hidrógeno podría funcionar con energía fotovoltaica en lugar de energía hidroeléctrica.

Con el aumento de las instalaciones de energía renovable, el almacenamiento de energía y, por lo tanto, la energía para el gas, se han convertido en un tema candente para todos los involucrados en el sector. El hidrógeno, sin embargo, ha tenido problemas para competir contra las baterías de iones de litio, ya que su eficiencia para la conversión de energía ha sido muy baja. La pérdida inicial durante la electrólisis es de alrededor del 30 %, con un 5-10 % adicional perdido durante el transporte como resultado del enfriamiento y la compresión del gas. Otra mitad de la energía potencial se disipa en calor, en lugar de electricidad durante su conversión final en la celda de combustible.

Otra noticia muy interesante vino de Alemania, donde el instituto científico especializado en la energía solar Fraunhofer ISE ha anunciado haber desarrollado un inversor de alta tensión estabilizador de red.

El inversor trifásico de Fraunhofer utiliza transistores de carburo de silicio de alta tensión (SiC), lo que permite que el inversor se conecte a la red de media tensión sin la necesidad de un transformador adicional. Al regular la potencia reactiva y filtrar los armónicos indeseables en la red eléctrica, el inversor contribuye a la estabilización de las redes eléctricas con una gran proporción de energías renovables. Si bien existen otros medios para el filtrado de armónicos, se dice que las aplicaciones de alto voltaje como esta son más efectivas que aquellas que trabajan a voltajes más bajos y que requieren un transformador de 50Hz.

Actualmente, la electrónica de potencia está acoplada a la red eléctrica principalmente en un rango de bajo voltaje. Para la estabilización de la red, los convertidores de potencia STATCOMs –compensador estático síncrono– suministran potencia reactiva continua inductiva o capacitiva. El acoplamiento a la red de media tensión se ve afectado por un transformador de 50 Hz.

El producto de Fraunhofer puede alimentar directamente a la red de media tensión sin transformador, debido al uso de transistores de alta tensión hechos de carburo de silicio (SiC). Para ello, se utilizaron prototipos de componentes con una tensión de bloqueo de 15 kV.

Los transistores de silicio disponibles comercialmente tienen una tensión de bloqueo de 6,5 kV, lo que requiere estructuras de componentes más complicadas con un mayor número de componentes y una mayor complejidad arquitectónica, con más posibilidades de fallo, debido a ello. Otra ventaja de la nueva tecnología es que los transistores pueden funcionar con frecuencias más altas, debido a requisitos de energía de conmutación más bajos, y a pérdidas de potencia inferiores a las de los transistores de silicio normales, lo que da como resultado una mejor dinámica de control del inversor. Debido a la frecuencia más alta, el inversor puede actuar como un filtro activo para compensar los armónicos en la red de media tensión. Con STATCOMS esto solo es posible en una medida limitada, debido al efecto de paso bajo del transformador de 50 Hz.

“El uso de transistores de SiC de alto bloqueo, sin embargo, también nos presenta nuevos desafíos”, dice Dirk Kranzer, director del proyecto. “Los transistores cambian muy rápido. La velocidad extremadamente pronunciada del aumento de voltaje durante la conmutación puede causar fallos o provocar descargas parciales o progresivas en el aislamiento. Al desarrollar los circuitos, se deben realizar grandes esfuerzos para minimizar estos efectos indeseables. Antes de que la implementación comercial sea posible, se necesitan más desarrollos tecnológicos, por ejemplo, en los módulos de potencia o en los componentes inductivos y capacitivos “.

El demostrador para la inyección a la red de 10 kV tiene una potencia de 100 kVA. La frecuencia es de 16 kHz, aproximadamente diez veces mayor que en los convertidores de voltaje medio basados en semiconductores de silicio. Se usaron MOSFET de potencia de carburo de silicio de alta tensión (15 kV / 10 A) para los transistores. Los componentes inductivos fueron desarrollados por la empresa y el socio del proyecto Spezial-Transformatoren-Stockach GmbH (STS).

Además de estabilizar la red de media tensión, existen otras aplicaciones posibles para los componentes de carburo de silicio de alta tensión. “Para la electrónica de potencia, vemos un gran potencial para aplicaciones futuras en el rango de media tensión”, dice el Catedrático Dr. Bruno Burger, Jefe de Grupo de Nuevos Componentes y Tecnologías en Fraunhofer ISE. “En el futuro, son concebibles arquitecturas de sistemas totalmente nuevas para plantas de energía renovable, por ejemplo, grandes plantas fotovoltaicas o parques eólicos en el rango de megavatios. La nueva tecnología también promete aplicaciones en la industria ferroviaria o en grandes bancos de almacenamiento de baterías”.