Innovación en energía, la llave para luchar contra el cambio climático

 Contexto y definición del concepto

 Históricamente la escasez de las fuentes de energía utilizadas por la humanidad llevó a la búsqueda de nuevas fuentes. Esas nuevas formas de energía, unidas a desarrollos tecnológicos, posibilitaron a su vez nuevas aplicaciones que las anteriores, por sus características, no permitían.

Así, en el siglo XVII, la máquina de Newcomen, concebida inicialmente para poder extraer el agua que inundaba las minas del propio carbón, pronto se convirtió en la máquina de vapor de Watt que comenzó a usarse en telares, trenes, barcos, etc.

Comenzaba la revolución industrial: energía y tecnología se alimentan continuamente en un ciclo que ha permitido a la humanidad alcanzar cotas de desarrollo impresionantes.

Hoy nos encontramos ante un nuevo reto, en este caso no por la escasez de recursos, sino por la necesidad de recortar emisiones, aunque también contamos con nuevas tecnologías que han avanzado incluso más rápido que la propia transformación del sector energético, desde la digitalización de las redes y los hogares (internet en particular), hasta la movilidad sostenible, la drástica reducción de los precios de las energías renovables y la economía colaborativa.

¿Qué energías usaremos en el futuro?-  Tecnologías para descarbonizar la generación

Combustibles fósiles y captura y secuestro de CO2

La única posibilidad de que en el futuro se sigan utilizando los combustibles fósiles de manera masiva es mediante la utilización de la captura y el secuestro de CO2 (CCS por sus siglas en inglés). Por supuesto no todos los combustibles son iguales y la combustión del gas natural produce tres veces menos emisiones que la del carbón. Es por ello que se considera que el gas natural será una fuente de energía de transición que ayudará a mitigar el problema del cambio climático.

El primer paso en un proceso de CCS es la separación del nitrógeno y el CO2 (captura). Este proceso consume una cantidad significativa de energía, lo que reduce su eficiencia y por tanto incrementa los costes. Las investigaciones que se realizan en la actualidad en este ámbito van encaminadas a hacer el proceso lo más eficiente posible.

En un segundo paso el CO2 ya concentrado tiene que ser conducido (transporte) a un almacenamiento permanente (secuestro). Estos almacenamientos geológicos deberán ser capaces de almacenar de forma permanente millones de toneladas de CO2. A la dificultad de encontrar yacimientos adecuados, se une la necesidad de demostrar fehacientemente que el CO2 “secuestrado” no acabará “fugándose”. Adicionalmente hay que considerar la construcción de las infraestructuras de transporte.

El estado del arte de la tecnología a día de hoy no ofrece soluciones convincentes a los problemas antes señalados y los procesos de captura y secuestro de CO2 no han pasado de ser proyectos pilotos. Asimismo, su uso hasta el momento solo se considera posible para aquellos procesos energéticos “centralizados”, no existiendo ninguna posibilidad para la captura y secuestro de las emisiones de los llamados sectores difusos, como el transporte.

Las energías renovables

Las energías renovables parecen la solución más evidente al problema medioambiental del sistema energético actual. Asimismo, las tres fuentes principales -sol, viento y agua- están distribuidas por todo el planeta, lo que asegura su suministro y su uso por parte de todos.

La energía hidráulica es la fuente renovable que se ha usado desde hace más tiempo en la generación de electricidad  y se ha demostrado su eficacia con una potencia actual instalada de 1.300 GW. Se considera que todavía están sin explotar otros 2.600 GW, lo que sumaría un total de 5.000 GW.

En cuanto al viento y el sol, existen dos problemas que aún es necesario resolver para aprovechar todo su potencial: su coste y los derivados de su intermitencia. Hoy en día, parece evidente que tanto la energía eólica como la solar son fuentes renovables con recurso suficiente y previsiones de coste razonables. Las otras fuentes energéticas renovables, o bien no ofrecen recursos tan abundantes, como es el caso de la geotermia, o bien generan claros problemas de reducción de costes, como en el caso de las energías de las olas o de las mareas.

En cuanto a la energía renovable de origen vegetal, si descontamos la biomasa de origen forestal, el cultivo para uso energético se ha encontrado con una fuerte oposición, por “competir” con el uso alimentario de los terrenos y el agua que utilizan. Sin embargo, es necesario permanecer atentos, en el medio plazo, a los avances que se puedan producir en el campo de la ingeniería genética. Es posible que, en un futuro, los organismos genéticamente modificados, capaces de transformar la luz del sol de forma muy eficiente, pudieran llegar a suponer una alternativa viable para la producción de combustibles líquidos. Existen en la actualidad empresas dedicadas a esta actividad que han conseguido resultados positivos, aunque todavía a un elevado coste.

La energía eólica es, hoy en día, una fuente de energía renovable que puede considerarse madura. Desde que, a partir de los años 80, la tecnología basada en aerogeneradores con tres palas, que se consolidó como la alternativa más adecuada, su reducción de costes ha llevado al kWh eólico hasta los 60€/kWh. Esto ha sido posible gracias al desarrollo de una industria que ha conseguido economías de escala a través de un volumen creciente, apoyada por la tecnología que ha permitido máquinas más eficientes, gracias al aumento de la potencia y de los tamaños de los rotores. La explotación de los emplazamientos más ventajosos en determinados países ha impulsado a la industria a buscar nuevos proyectos en el mar. Sin embargo, la complejidad de los parques eólicos marinos está impidiendo, por el momento, la bajada de costes necesaria para que esta alternativa sea competitiva sin primas.

La energía solar es la otra gran alternativa de la que dispone la humanidad para abastecerse de energía en el futuro. Hasta la fecha se han seguido dos grandes líneas. La primera trata de concentrar la radiación del sol para conseguir elevadas temperaturas y poder mover de esta manera ciclos termodinámicos, lo que se denominado energía solar termoeléctrica. La segunda utiliza la capacidad que tienen algunos semiconductores para captar la energía de los fotones y crear una diferencia de potencial en un circuito eléctrico.

A estas alturas parece claro que la energía eléctrica de origen termosolar no es capaz de seguir el mismo ritmo de reducción de precios que la energía solar fotovoltaica, lo que ha hecho que la segunda sea la preferida a la hora de desarrollar proyectos solares.

Los avances en la industria electrónica y un mayor conocimiento del comportamiento de los materiales semiconductores han permitido el desarrollo de células fotovoltaicas cada vez más baratas. A medida que los costes se reducían, el uso de las aplicaciones de la energía de origen fotovoltaico se ha ido ampliado, desde para la industria espacial hasta para la generación de electricidad en sistemas aislados o para ser considerada una opción competitiva de generación de energía eléctrica a gran escala.

La energía nuclear

La energía nuclear ha demostrado en el pasado su capacidad de generar una energía competitiva y libre de emisiones, de forma continua y fiable. Los reactores comerciales usan la energía liberada en el proceso de fisión de determinados isótopos del uranio o del plutonio. Asimismo, desde hace años se investiga en la construcción de un reactor que obtenga energía al fusionar dos átomos de hidrógeno, produciendo uno de helio en una reacción similar a la que sucede en el sol.

Sin embargo, a pesar del gran esfuerzo realizado por la industria nuclear para dotarse de las mayores medidas de seguridad posible, los accidentes producidos en “The three mile islands” (USA), Chernobyl (URSS) y Fukushima (Japón) han sembrado dudas sobre esta fuente de energía. En la actualidad, los crecientes requisitos de seguridad que se exigen a los nuevos proyectos han disparado los costes asociados, lo que ha llevado a que se haya producido un cierto estancamiento en el desarrollo de esta fuente de energía.

Cómo usaremos la energía en el futuro?-  Tecnologías para la descarbonizar la demanda

La electrificación de la economía

En la actualidad, los productos energéticos listos para usar por los consumidores (los llamados vectores energéticos) son principalmente los derivados del petróleo, el gas natural y la electricidad.

La electricidad es el vector energético que destaca por su versatilidad, tanto a la hora de ser producido por muy diversas fuentes de energía, como a la hora de ser usado prácticamente en cualquier aplicación.

La electricidad puede ser transformada en cualquier tipo de energía necesaria para el hombre sin producir contaminación local y, una vez construida la infraestructura, se puede transportar de forma inmediata desde los centros de producción hasta el consumidor.

Sin embargo, su principal problema radica en la dificultad que entraña su almacenamiento, lo que ha impedido hasta el momento la penetración significativa de la electricidad en el sector del transporte (más del 25% del consumo total de energía). No obstante, esta situación podría cambiar en un futuro muy próximo.

De nuevo, los avances tecnológicos producidos en el campo de los materiales, unidos a la demanda de baterías más duraderas y seguras para los dispositivos móviles, han permitido avances significativos en este campo. Solo es cuestión de tiempo que se produzcan el salto de las nuevas químicas de baterías, basadas principalmente en el ion-litio, al sector del transporte.

Las bicicletas y motocicletas eléctricas, los coches híbridos y los coches eléctricos puros están comenzando una etapa de desarrollo que incrementará las economías de escala, reduciendo precios a medida que se desciende por la curva de experiencia. Solo la fábrica que está construyendo Tesla en Nevada servirá para doblar la producción mundial de baterías.

Además del transporte, la electrificación de la economía vendrá a través de su uso cada vez más frecuente en la climatización de edificios en particular y, en general, en todos aquellos procesos que requieran calor (en total más del 40% de la demanda final de energía). El uso de bombas de calor con eficiencias superiores al 400%, que son capaces de extraer (“bombear”) calor desde fuentes con menor temperatura, será clave para que la electricidad alcance una mayor penetración en este ámbito.

La eficiencia energética

Por último, el uso que hagamos de la energía en el futuro tendrá que proporcionarnos más servicios con menor gasto energético. La intensidad energética es la magnitud que mide la relación entre la energía consumida por PIB producido, y ya se puede afirmar que, en países desarrollados, se ha desacoplado el crecimiento económico del consumo energético.

De nuevo, la tecnología debe ser la gran protagonista en este cambio. En sectores como la iluminación, la aparición de la tecnología LED proporciona la misma luminosidad pero con un gasto energético unas diez veces menor que el de las lámparas incandescentes.

En el sector residencial, un adecuado aislamiento de las viviendas puede proporcionar un ahorro de hasta el 50% del gasto energético en climatización. Asimismo, la paulatina introducción de medidas de eficiencia en motores eléctricos y equipos electrónicos está permitiendo el desarrollo y despliegue de toda una generación de electrodomésticos clase A, con un ahorro del 50% en el consumo de energía respecto a la tecnología anterior.

En el sector transporte, la eficiencia energética está siguiendo dos vías paralelas. Por un lado, la mejora continua de los motores de combustión está permitiendo una reducción continuada del consumo por kilómetro recorrido gracias a la introducción paulatina de tecnologías como el “start-stop” (ahorro del 8%) o la transmisión variable continua (ahorro 6%).

Asimismo, la introducción de los motores eléctricos en la automoción a través de los vehículos híbridos abre un mundo nuevo de posibilidades, como la recuperación de la energía en la frenada o la optimización de los ciclos de combustión.

En un último paso, cuando las baterías alcancen un mayor desarrollo, los vehículos eléctricos puros reducirán el consumo a menos de 20 kWh/100km, comparado con los aproximadamente 60kWh/100 km que puede consumir un vehículo de combustión interna.