Energía

RAFAEL MOLINER

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Ecología humana y energía

Uno de los principales retos a los que se enfrenta la humanidad en un futuro inmediato es el agotamiento de los combustibles fósiles. El modelo energético, muy dependiente históricamente del petróleo y el carbón, ha empezado a buscar en los últimos años alternativas sostenibles, que según el autor han de aumentar la eficiencia en el uso de la energía, asegurar el abastecimiento y desacoplar el consumo energético de las emisiones de CO2.

La energía y el desarrollo humano
El consumo de energía es necesario para cualquier actividad humana. El desarrollo de la humanidad ha estado totalmente condicionado por la disponibilidad de energía, de modo que la explosión demográfica del último siglo solo ha sido posible gracias a que el desarrollo tecnológico ha permitido el fácil acceso a grandes cantidades de energía en forma de combustibles fósiles y fisionables. Los países en los que mayor DESTACADOSPerfil: Rafael Moliner
es la expectativa de vida son aquellos en los que mayor es el producto interior bruto (PIB), que a su vez son los que tienen un mayor consumo energético por habitante. Por tanto, cualquier programa de desarrollo social que se implemente para hacer avanzar a los países menos desarrollados pasará inexcusablemente por incrementar su consumo energético. No obstante, esta espiral de crecimiento demográfico-aumento del consumo energético no es sostenible con el actual sistema por dos motivos: 1) los recursos fósiles y/o fisionables en los que se basa nuestro actual consumo son limitados y 2) incluso antes de su agotamiento, habrá de restringirse su uso para mitigar el impacto medioambiental derivado de su utilización, que podría llegar a dañar gravemente a la especie. La búsqueda de nuevos recursos energéticos y la adecuada gestión de los mismos constituyen por tanto uno de los ejes esenciales de la ecología de la especie humana. La ciencia y la tecnología desempeñarán un papel fundamental en este proceso. España ha generado en los últimos años un buen número de grupos de investigación, muchos de ellos en el CSIC, punteros a nivel internacional en estos campos, lo que ofrece una gran oportunidad para contribuir al progreso humano al tiempo que se desarrolla una economía sostenible en nuestro país.




Principales retos en el uso de la energía
Los principales retos a los que la humanidad deberá responder a lo largo del presente siglo para asegurar su desarrollo sostenible son: reducir la intensidad energética del PIB, asegurar el abastecimiento energético y desacoplar el consumo energético de las emisiones de CO2.


Reducir la intensidad energética del PIB: aumentar la eficiencia energética
Si las economías emergentes incrementaran su PIB hasta igualar el de las actuales economías desarrolladas con la misma intensidad energética, la necesidad de energía crecería de un modo insostenible. Se hace por tanto necesario aumentar la eficiencia en el uso de la energía. El planteamiento de un modelo energético ecoeficiente, se ha de realizar desde cuatro enfoques fundamentales: a) productos: mejorar la eficiencia del producto en todo su ciclo de vida, desde las materias primas hasta los residuos generados; b) procesos: optimizar los procesos de fabricación mediante la aplicación de nuevas tecnologías y la mejora en la gestión de los recursos; La búsqueda de nuevos recursos energéticos y la adecuada gestión de los mismos son los ejes esenciales de la ecología de la especie humanac) procedimientos: implementar procedimientos que sirvan para distintos sectores de manera que el conocimiento de las mejores técnicas disponibles llegue a todos los agentes interesados; y d) promoción y difusión de medidas para obtener el máximo efecto multiplicador posible.


Asegurar el abastecimiento energético: diversificar recursos y proveedores y potenciar los recursos autóctonos
Las previsiones sobre fuentes de energía apuntan a que, durante la primera mitad de este siglo, la cesta energética a nivel mundial seguirá estando constituida principalmente por energías de origen fósil. Durante un periodo cuya duración es difícil de precisar, pero que se medirá en décadas, las energías renovables irán aumentando su cuota de participación, lo que ayudará en gran medida a resolver el reto del abastecimiento. No obstante, este proceso de tránsito desde las energías fósiles a las renovables es muy complejo y deberá hacerse de modo que la economía mundial y los sistemas sociales que sustenta no se vean afectados por incrementos inaceptables en los costos energéticos. Por otra parte, deberá hacerse teniendo en cuenta las peculiaridades de las energías renovables en cuanto a fluctuación y falta de predicción en el suministro.




Desacoplar el consumo energético de las emisiones de CO2
Para tener éxito en este tercer reto habrá que introducir nuevas tecnologías dirigidas a reducir las emisiones de CO2 en el uso de los combustibles fósiles y a aumentar la eficiencia de los recursos renovables y de su almacenamiento, al objeto de reducir costos y asegurar la estabilidad en el suministro. Para una mejor percepción de hacia dónde deben dirigirse los esfuerzos es necesario saber qué sectores son los principales emisores de CO2.

Soluciones para la producción de electricidad. Los combustibles fósiles
Las previsiones sobre producción de electricidad indican que, a nivel mundial, esta va seguir produciéndose de forma mayoritaria a partir de combustibles fósiles, y en particular, de carbón. La causa de ello hay que buscarla en el uso intensivo que de este recurso van a hacer China e India, y también EEUU.

El uso de los combustibles fósiles se debe a que presentan grandes ventajas: bajos costos, instalaciones industriales adaptadas a su uso y a precios conocidos y facilidad de almacenamiento. No obstante, presenta también serios Las energías renovables (EERR) pueden cubrir el 50% de la demanda energética mundial a mediados del presente siglo y dicho objetivo empieza a ser asumido por instituciones y Gobiernosinconvenientes como son el que los recursos son limitados y están concentrados en determinadas áreas geográficas, y que producen altas emisiones de CO2, con el consiguiente aumento del efecto invernadero y forzamiento del cambio climático.

La pregunta que surge es si pueden aprovecharse sus ventajas y superarse sus inconvenientes. La respuesta es: sí, mediante la captura y el secuestro del CO2 emitido (CCS). A través de esta tecnología, el CO2 es separado y capturado de los gases de chimenea y tras su compresión, trasladado a sumideros geológicos donde se mineraliza.

La CCS es una tecnología que está ya desarrollada a nivel comercial y existen diversas instalaciones en todo el mundo, si bien están ligadas a la extracción de gas natural y a la producción de hidrógeno por reformado de hidrocarburos. Su aplicación a plantas de producción de energía eléctrica se encuentra todavía a nivel precomercial, ya que se requieren mejoras que permitan reducir los costos y aumentar la eficiencia, en particular de la captura. Los gases obtenidos en la combustión de combustibles fósiles con aire contienen entre 4% y 16% de CO2. En consecuencia, es preciso separar el CO2 del resto de los gases que lo acompañan, principalmente nitrógeno, antes de proceder a su secuestro geológico. En la actualidad, existen diversos procesos de captura cada uno con sus ventajas e inconvenientes, por lo que no puede identificarse cuál de ellos va a imponerse en un futuro. Estos procesos se clasifican en tres grupos en función de la etapa en la que se realiza la captura: antes, durante o tras la combustión. Nuestro país es pionero en esta tecnología, de hecho ha sido seleccionado por la UE para ubicar en Compostilla (León) una de las veinte instalaciones que se quieren implantar en Europa con esta tecnología hasta el 2020.





La práctica totalidad de estos desarrollos se están llevando a cabo por el CSIC, que dispone de un significativo número de grupos de investigación muy activos en tecnologías relacionadas con el uso limpio de los combustibles fósiles. Así, se están desarrollando procesos de precombustión, denominados chemical looping, en los que el oxígeno para la combustión se aporta mediante óxidos metálicos, que se reducen a su fase metal, y son regenerados mediante aire en un reactor separado. De este modo el CO2 no se mezcla con el nitrógeno del aire y se facilita su separación y captura. En post-combustión, uno de los procesos más avanzados que se están ensayando se basa en tecnología desarrollada en el CSIC y consiste en ciclos de carbonatación y descarbonatación en los que se utiliza un absorbente, óxido de calcio, regenerable y de bajo costo. Un aspecto de enorme interés es el desarrollo de membranas capaces de separar el oxígeno del aire como alternativa a los actuales procesos criogénicos. El disponer de esta técnica permitirá abaratar costos en tecnologías de captura, como el oxi-fuel y los ciclos de carbonatación. Finalmente, se está también trabajando en el estudio y cuantificación de las formaciones salinas profundas existentes en nuestro país, susceptibles de ser utilizadas como sumideros de CO2.





Las energías renovables. Las energías renovables
(EERR) pueden cubrir el 50% de la demanda energética mundial a mediados del presente siglo y dicho objetivo empieza a ser asumido por instituciones y Gobiernos. No obstante, el desarrollo es todavía muy desigual y se encuentra concentrado en algunos países y basado en unas pocas tecnologías. Si bien hay ejemplos de cómo la instauración de incentivos y políticas de tarifas eléctricas primadas han dinamizado el sector de la energía eólica en algunos países como Alemania y España, la realidad es que la penetración masiva de las energías renovables precisa de una serie de hitos tecnológicos que permitan acelerar todo el proceso.

La energía eólica centra sus desafíos en la mejora de la predicción de viento, el desarrollo de grandes aerogeneradores, la implantación en terrenos complejos y ambientes extremos y en el desarrollo de la eólica distribuida con pequeños aerogeneradores. En biomasa, se ha de impulsar el crecimiento de los cultivos energéticos, las tecnologías avanzadas de utilización térmica y termoquímica, y la producción de bioetanol y biodiesel, a partir de variedades vegetales no convencionales y de bajo coste.

La energía solar presenta un gran número de opciones tecnológicas con desarrollos a potenciar. En fotovoltaica es prioritario el aumento de la eficiencia, así como la reducción de material mediante el empleo de láminas delgadas o el uso de La implantación de los vehículos eléctricos dependerá en gran medida de la mejora de los sistemas de almacenamiento de energíaconcentración solar. En solar termoeléctrica resulta esencial la implantación de las primeras plantas comerciales y el avance hacia generación directa de vapor y sistemas de almacenamiento térmico a gran escala.

El CSIC mantiene grupos activos en diversas líneas de investigación. En el campo de la eólica, está introduciendo tecnologías basadas en superconductores, lo que permitirá desarrollar generadores de bajo peso, muy aptos para su instalación en aerogeneradores. En el campo de la fotovoltaica, se pretende transferir el conocimiento necesario para aumentar la velocidad de aprendizaje de esta industria, consiguiendo la reducción de costes necesaria para permitir una penetración masiva de esta tecnología.

En el campo termosolar o de concentración, se está trabajando en nuevos materiales que permitan aumentar la temperatura de los fluidos de transferencia de calor hasta los 600ºC, lo que aumentaría significativamente la eficiencia de la plantas.


El almacenamiento de energía
Se ha hablado mucho sobre los costos asociados a la producción de electricidad mediante EERR. No obstante, el problema principal, para su penetración masiva a largo plazo, más allá de su costo, es el derivado de las dificultades tecno-económicas de su almacenamiento, lo que repercute en falta de predecibilidad y escasa garantía en el suministro. En la actualidad, puede decirse que el almacenamiento centralizado de electricidad no está técnicamente resuelto para los valores típicos de un campo de EERR (50 MW). Los costos del almacenamiento son muy altos, pudiendo incluso superar, para algunas tecnologías, al de producción. Por ello, cada vez se contemplan con mayor interés las tecnologías de almacenamiento descentralizado que permitirán almacenar electricidad a pequeña escala, en puntos distribuidos por territorio al que se suministra y compartiendo costos. En este sentido, se prevé que la implantación de una red de vehículos eléctricos enchufables a la red que actúen como puntos de micro almacenamiento contribuirá de forma decisiva al problema del almacenamiento global, facilitando así el despliegue de las EERR. Desde este punto de vista, los avances que se están consiguiendo en las tecnologías de almacenamiento, para su implantación en vehículos eléctricos, servirán también para la utilización en las redes eléctricas, si bien estas tecnologías no son totalmente intercambiables dada la enorme diferencia, de varios órdenes de magnitud, en la capacidad de almacenamiento que deben poseer.

La implementación del concepto de almacenamiento distribuido requerirá el desarrollo de las denominadas Redes Inteligentes, de mucha mayor complejidad que las actuales y que requieren una I+D específica para su implantación.





Soluciones tecnológicas en el transporte
La mayor transformación que se prevé para el futuro en el sector transporte es la introducción del vehículo eléctrico (VE). Este proceso será gradual y empezará a ser significativo a partir del año 2030, con la pretensión de que la mitad del parque sea eléctrico en el 2050. Con un parque automovilístico eléctrico de un millón de vehículos, el incremento de consumo eléctrico, alimentado por sistemas distribuidos en baja tensión, se estima que sea del orden de los 4.000 GWh año, y el sistema podrá tener acoplados a la red de forma activa 22.000 MW de potencia gestionable en las baterías, potencia cuatro veces superior a la disponible en el actual sistema eléctrico en las instalaciones de bombeo reversible. La disminución de importación de petróleo por millón de vehículos eléctricos se estima en 14.500 GWh año, lo que supone un gran ahorro energético comparado con los 4.000 GWh de incremento del consumo eléctrico. Este nuevo escenario permitirá el desarrollo de tecnologías de generación distribuida integradas en microrredes locales, de forma que la contribución de las energías renovables captada en instalaciones locales constituirá un factor esencial en la implantación de un nuevo escenario energético de descentralización activa sin emisiones y con una óptima eficiencia.

La implantación de los VE dependerá en gran medida de la mejora de los sistemas de almacenamiento de energía. Las nuevas baterías de ión-litio admiten autonomías en el entorno de los 80-100 km y ya se anuncian mejoras que podrán duplicar este valor. No obstante, el salto significativo se espera que se produzca con la introducción de las baterías de Li-aire, que permitirán densidades energéticas próximas a las de la gasolina, si bien la comercialización de este tipo de baterías requiere todavía de mejoras tecnológicas muy importantes. En este contexto, se prevé que la configuración de VE más difundida sea la denominada ER-VE, vehículo eléctrico con autonomía ampliada, en el que la autonomía la proporciona un combustible que alimenta un generador, el cual a su vez recarga la batería durante la marcha. En este escenario, merece una atención especial el desarrollo del hidrógeno como nuevo vector energético para sustituir a los derivados del petróleo, y el remplazo de los actuales generadores mecánicos por los basados en principios electroquímicos, las denominadas pilas de combustible. En este campo existen todavía importantes retos tecnológicos por resolver.

El CSIC mantiene actualmente grupos activos en líneas de investigación que pretenden dar respuesta a los retos científicos y tecnológicos mencionados. En la mayor parte de los casos, la investigación se está desarrollando dentro de proyectos europeos.




Con respecto a la producción de hidrógeno mediante electrolisis, se están desarrollando nuevos electrocatalizadores para electrolizadores alcalinos, que tiene como objetivos la reducción de costos, mediante la sustitución del platino por otros metales como el níquel, y el incremento de la eficiencia, mediante la utilización de nanopartículas metálicas, tanto en el ánodo como en el cátodo. En la producción a partir de gas natural se están implementando nuevos catalizadores para el reformado con vapor y autotérmico. Asimismo, se están poniendo en marcha nuevos procesos en los que se minimiza la emisión de CO2 mediante la descomposición termo-catalítica del gas natural, DTC. En el campo de las baterías de ión-litio, se están ensayando nuevos materiales grafíticos para el ánodo que permitan una mayor capacidad de almacenar litio de forma reversible. En el lado del cátodo se están desarrollando nuevos óxidos metálicos mixtos, que mejoran el comportamiento de los actualmente utilizados. La investigación se extiende también al uso de líquidos iónicos como electrolitos, en sustitución de los medios orgánicos actuales, lo que aumentará significativamente su seguridad.

En el campo de las baterías de Li-aire, se están estudiando nuevas aleaciones de litio para el ánodo y nuevos cátodos para la reducción del oxígeno. Igualmente, se están diseñando dispositivos para la captura de oxígeno seco del aire. Estas nuevas aproximaciones se combinan con la utilización de líquidos iónicos como electrolito.

Los supercondensadores son también objeto de investigación. Estos dispositivos electroquímicos permiten potencias de carga y descarga mucho más elevadas que las de las baterías, aunque acumulan menos energía, por lo que su utilización conjunta aportará grandes ventajas. Se están buscando materiales carbonosos, de bajo costo y alta eficiencia, que en combinación con el uso de líquidos iónicos mejoren las prestaciones.

Por otro lado, en el área de las pilas de combustible, la investigación se orienta hacia catalizadores que reduzcan o eviten el uso de platino, así como hacia nuevos materiales para las membranas de intercambio protónico que permitan elevar la temperatura de operación y aumenten su durabilidad. La eficiencia global de funcionamiento de todos estos dispositivos depende de la gestión integrada de los mismos, para lo que se estudian sistemas electrónicos de gestión del automóvil. En esta línea, se investigan materiales de bajo peso, altas prestaciones y fácil reciclado que aumentaran significativamente la eficiencia global de todo el ciclo de vida del automóvil. Finalmente, el desarrollo de elementos de estabilización y almacenamiento de energía, basados en superconductores, permitirá un salto cualitativo en el desarrollo de redes inteligentes que permitirán gestionar la oferta y la demanda de forma eficiente.

Perfil: Rafael Moliner

Profesor de investigación del CSIC, en la actualidad desempeña el cargo coordinador del Área de Química y Tecnologías Químicas del CSIC, que agrupa un total de doce Institutos con más de 360 investigadores.

Es el director del Grupo de Investigación “Conversión de Combustibles” del Instituto de Carboquímica de Zaragoza. Sus líneas de investigación están relacionadas con el uso limpio y eficiente de los combustibles fósiles y el desarrollo de nuevos materiales con aplicaciones energéticas y medioambientales. Ha dirigido numerosos proyectos de investigación y ha publicado más de 140 artículos en revistas de alto impacto del SCI (Science Citation Index). Es coautor de cuatro patentes y ha dirigido 10 Tesis Doctorales.

Ha formado parte de diversos comités de gestión, valoración y análisis de prospectiva de la I+D en el sector de la Energía. Entre ellos cabe destacar el que elaboró la Estrategia Aragonesa para el Cambio Climático, para el Gobierno Aragonés, y el Libro Blanco del Instituto de Investigación en Cambio Climático, para el Ministerio de Ciencia e Invocación y el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. vocal de la Comisión Ejecutiva del Centro Nacional del Hidrógeno, con sede en Puertollano y del Consejo Rector del I2C2, con sede en Zaragoza

Publicado en Núm. 04


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