Sobre la sostenibilidad de las renovables

Transcripción

Escrito por Alan
Viernes, 19 de Noviembre de 2010 15:57 - Actualizado Sábado, 20 de Noviembre de 2010 11:19
Cuando miramos el panorama energético actual, la primera impresión es que hay, no pocos,
esfuerzos puestos en la investigación y desarrollo de nuevos vectores y fuentes de energía. Y
a pesar de que los científicos están de acuerdo en la necesidad de reducir las emisiones de
co2 las tecnologías renovables más avanzadas están demasiado a menudo basadas en
recursos no renovables. Y no hay que olvidar que el otro gran problema de las energías no
renovables es que son finitas, algo que, en principio, deberíamos evitar en las renovables.
Si
bien en un universo con entropía la sostenibilidad es estrictamente una quimera, podemos
aprender mucho de la forma como la naturaleza capta, almacena y usa la energía de forma
eficiente. Nuestros retos tienen que ver con diferentes etapas de los procesos: los sistemas de
captación de energía son frecuentemente dependientes, directa o indirectamente de recursos
fósiles, el almacenamiento es muy ineficiente, el uso suele ser derrochador y la eficiencia muy
pobre al compararla a los sistemas vivos (por dar un dato se calcula que el 65% de la energía
se pierde en la conversión a las formas de energía que usamos habitualmente).
Sol y metales raros
La eficiencia de las células solares se mide por el porcentaje de luz que convierten a energía
eléctrica. Las celdas solares de silicio han llegado a un 25% a finales de diciembre de 2008,
pero las células solares multiunión pueden conseguir eficiencias superiores al 40%. Aunque
estas últimas están llamadas a ser el futuro de la energía solar, deben su eficiencia a las
características de un metal raro, el indio (unas 0’25 ppm en la corteza terrestre), que es mucho
menos abundante que el silicio sobre la corteza terrestre.
El indio es un metal por el que hubo escaso interés en la historia. No ha suscitado interés de
la industria hasta tiempos recientes. Usado como recubrimiento de motores de alto
rendimiento en la segunda guerra mundial, y posteriormente como componente en
transistores, hoy día la mayor parte del indio se usa en la fabricación de pantallas de LCD, una
industria que ha incrementado el precio de metal hasta los 1000$ el kilo. Y ahí está el
problema: las estimaciones hechas hasta la fecha, que no contemplaban una explosión en la
demanda para células solares, dicen que queda indio para unos diez años. Hay que tener en
cuenta también, dado el poco valor que tenía antes de la era electrónica, que algunos
científicos piensan que hay más Indio del que pensamos, incluso algunos aseguran que
podemos encontrar grandes depósitos provenientes de meteoritos
Si la energía solar tiene que ser una de las principales fuentes de energía, entonces encontrar
una alternativa al Indio parece buena idea, o bien deberemos aceptar la mayor superficie y
menor Tasa de Retorno Energético (TRE que algunos calculan inferior a 1) de las células de
silicio. La buena noticia, es que parece ser posible aumentar el rendimiento y/o la longevidad
de las placas de silicio. Hay actualmente en investigación otras placas solares desarrolladas
con nanotecnología, que parecen dar solución a algunos de estos problemas, pero habrá que
ver que TRE pueden conseguir.
El sueño del hidrógeno
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Ese prometedor vector energético, con esperanzadoras eficiencias en la conversión a
electricidad, y de relativa facilidad para almacenaje y transporte, también afronta un reto
similar dice Paul Adcock, de la compañía británica Intelligent Energy.
No se ha hallado todavía una forma barata de producir hidrógeno y a las nuevas
aproximaciones, como la fotoproducción biológica de hidrógeno les queda todavía tiempo
para ser comercialmente viables. Pero más allá de los retos tecnológicos, que parecen
depender tan solo del tiempo para ser superados, también debe afrontar la escasez de un
metal raro.
Las células de combustible de hidrógeno son la forma más efectiva de convertir el gas en
electricidad. Pero éstas dependen del caro platino para catalizar la reacción. El problema es
que la cantidad de platino hace que el indio parezca muy abundante (el platino se encuentra
en unas 0.000003 ppm en la corteza terrestre) y se cotiza en $ por gramo, no por kilo. Las
estimaciones dicen que si la flota actual se convirtiera a las células de combustible todo el
platino del mundo se acabaría en 15 años.
Las células de combustible libres de platino están lejos de ser una realidad. Están en
desarrollo diversas células de combustible catalizadas por níquel u otros metales, pero con un
rendimiento del 10% respecto al de platino. La nanotecnología se presenta como una
alternativa más efectiva y barata que el platino, pero de nuevo el camino hasta la prospección
comercial es todavía largo.
Lo que se lleva el viento
Hay otro recurso renovable con retos que afrontar, la energía eólica. Las turbinas crean
electricidad mediante un proceso conocido como inducción electromagnética: moviendo un
conductor (normalmente cable de cobre) en un campo electromagnético, lo que crea una
corriente eléctrica. Es posible usar diferentes tipos de imanes o electroimanes en el generador,
pero los más populares son los imanes formados por neodimio hierro y boro (tipo Nd2Fe14B)
de gran intensidad de campo. Estos imanes son más baratos y potentes que los imanes de
samario-cobalto, y son comunes en productos como auriculares, altavoces, discos duros de
ordenadores, sensores etc.
Aunque el neodimio forma parte de las “tierras raras”, no se puede decir que esté en pequeñas
cantidades (38 ppm de la corteza terrestre). El reto del neodimio es que nunca se encuentra
en la naturaleza como elemento libre. Se encuentra en minerales tales como la arena de
monacita ((Ce, La, Th, Nd, Y) PO4) y basanita ((Ce, La, Th, Nd, Y) (CO3) F), que presentan en
su composición pequeñas cantidades de todos los metales de las tierras raras. También se
puede encontrar en el metal de Misch. Pero en todos los casos es difícil separarlo de otros
elementos de las tierras raras. En la actualidad se obtiene principalmente a través de un
proceso de intercambio iónico y extracción con disolventes y por reducción de haluros
anhidros (NdF 3 , NdCl 3 ) con calcio. El gasto energético de estos procesos no es muy alto, pero
tampoco negligible si tenemos en cuenta todo el proceso. Por otro lado el neodimio es tóxico
(clasificado con una toxicidad moderada a pesar de haber muy pocos estudios sobre su
seguridad) y cómo la mayoría de tierras raras debe manejarse con cuidado. En los animales
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acuáticos provoca daños a la membrana celular, lo que tiene varias influencias negativas en el
sistema reproductivo y en las funciones del sistema nervioso. Las sales o polvos de neodimio
son muy irritantes para membranas mucosas, ojos y en menor medida la piel. La inhalación de
parículas puede causar trastornos pulmonares, y su acumulación puede desembocar en
disfunciones hepáticas. De hecho se han intentado usar imanes de neodimio en aplicaciones
biomédicas, pero hay problemas de biocompatibilidad.
Del mismo modo que las celdas solares de indio y los catalizadores de platino, los
generadores de neodimio no parecen cumplir, con el desarrollo actual, los estándares de
sostenibilidad de las crecientes necesidades energéticas del mundo en expansión. De todos
modos los aerogeneradores tienen un fácil sustituto del neodimio a mano, habrá que ver para
los otros dos. A favor de los aerogeneradores está la relativamente alta tasa de retorno
energético.
Biomasa y Agrocombustibles
La energía de la biomasa y los agrocombustibles de primera generación comparten ciertas
características. Los dos usan grandes cantidades de superficie terrestre, muy a menudo en
forma de cultivos. No pocas veces implican la deforestación o reconversión de pastos, y aun
suponiendo que no causaran problemas de competencia con el mercado alimentario (algo en
lo que sí incurren actualmente) sus niveles de sostenibilidad quedan en entredicho por el
sistema de producción y la ocupación de tierra.
A pesar de haber sido mencionados por algunos gobiernos (especialmente Gran Bretaña)
como un pilar de un futuro sostenible, los últimos estudios relativizan tal afirmación. El informe
Biomass: Carbon Sink or Carbon Sinner, de la agencia ambiental del mismo país
(Environmental Agency o EA) oficializa lo que muchos científicos venían advirtiendo: para que
el balance energético y de emisiones sea sostenible hace falta usar métodos de cultivo
apropiados, normalmente ecológicos o de muy bajo nivel de insumos. Cabe resaltar que el
mayor factor de emisiones de CO2 y gasto energético en la agricultura convencional se debe
al uso de fertilizantes y pesticidas de síntesis, salvo en algunos casos en donde el manejo
puede ser determinante. El problema es mayor cuando para la producción de cultivos
energéticos se ocupan áreas anteriormente dedicadas a pastos o bosques, llegando incluso a
ser más contaminantes, algunos casos que los combustibles fósiles. Pero el problema se
extiende más allá de las emisiones y el gasto energético, los sistemas de cultivo actuales
conducen a la pérdida de las capas superiores del suelo, la zona más fértil, por medio de la
erosión del viento y la lluvia. En otros casos la acumulación de sales produce un daño
difícilmente reversible. Y, la pérdida de fertilidad de los suelos del mundo es otro problema que
no debería caer en el olvido.
Los biocombustibles de segunda generación, elaborados a partir de materias primas que no
se destinan a la alimentación y que se cultivan en terrenos no agrícolas o marginales parecían
dar solución a tal problema, todavía emiten CO2, aunque en cantidades menores que los
combustibles fósiles, y están exentos de NOx y SOx. No obstante, parece que la fiebre por los
biocombustibles ha ignorado en gran parte las nuevas ventajas. El caso paradigmático es el de
la Jatropa. La Jatropha curcas es un arbusto de la familia de las euphorbiaceae proveniente de
India, capaz de producir considerables cantidades de aceite en sus semillas. Se puede
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cultivar en zonas áridas requiere poco fertilizante, agua e insumos agrícolas, combate la
desertificación y no requiere replantación ya que vive entre 40 y 50 años. El único
inconveniente es que sólo crece bien en climas calientes, ya que no soporta las heladas.
Esta prometedora planta ha sido causa de discordia desde que se descubrió su potencial. Su
mayor ventaja, la de ocupar tierras no cultivables ha sido ignorada rápidamente. De hecho los
impactos resultantes han sido considerables: de ocupación de tierras agrícolas para el cultivo,
conversiones forzadas de cultivos tradicionales, desplazamiento de poblaciones rurales,
biopiratería (en concreto la multinacional D1), amenaza a la diversidad biológica... Algunos
científicos, como Vandana Shiva han sido muy críticos con la forma con que se extiende la
tecnología. Como a menudo sucede, la aplicación científica cae en manos codiciosas, lo que
limita el potencial, y repercute en la opinión pública.
Los biocombustibles de tercera generación provienen del campo de la biología sintética y la
biotecnología. Van enfocados a la manipulación de cultivos para la mejora de rendimientos,
mayor facilidad de conversión a biocombustibles u otras aplicaciones del estilo. La cara más
conocida es de este campo es Craig Venter, involucrado en la secuenciación del genoma del
árbol del aceite de palma. El inconveniente en este caso es aquél implícito en las tecnologías
del ADN recombinante, cuya seguridad ha quedado en entredicho últimamente. Los
organismos modificados genéticamente ya causan mucho rechazo en la sociedad europea y
otros lugares, habrá que ver que paso cuando vienen en forma de biocombustibles.
Los biocombustibles de cuarta generación acoplan la tecnología de secuestro y almacenaje de
carbono (o CCS en sus siglas en inglés) para producir biocombustibles con balance negativo
de emisiones. También incluyen organismos transgénicos que ayuden a conseguir un balance
más negativo, tanto en las cosechas como en los procesos biotecnológicos de extracción. La
viabilidad y fiabilidad de las tecnologías CCS todavía está por ver, ya que hay pocos
proyectos en marcha. Tendremos que esperar a que se avance en el estudio.
Cabe mencionar un tipo de fuente específica para la producción de biocombustible (a veces
llamado también de tercera generación aunque no implica generalmente la manipulación
genética): las algas. La primera planta en el mundo para producir industrialmente
biocombustible a partir de algas se está construyendo este año en México y comenzará a
operar a finales de 2010, con una oferta energética que a mediano plazo equivaldrá a la mitad
de la producción actual de Brasil, vanguardia en la producción de biocombustibles a partir de
la caña de azúcar. La algas son organismos con un espectacular crecimiento, de pocos
requerimientos y pueden producir hasta 30 veces más por hectárea que otros cultivos
energéticos como la soja. El principal problema es la extracción del biocombustible que
todavía es complicada, pero los estudios recientes presentan un futuro prometedor.
En resumen, las tecnologías de biocombustibles avanzan rápido. El chasco de los
biocombustibles de primera generación ha generado mala prensa, a la vez que impulsado la
investigación y desarrollo de biocombustibles avanzados, de mayores rendimientos y menores
emisiones. No obstante quedan preguntas por contestar e investigaciones por hacer, y la que
más me preocupa es la que no depende de los científicos. ¿Serán el gobierno y la industria
capaces de implantar los biocombustibles de forma sostenible? Es decir que no compitan
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realmente con la alimentación, que no pongan en riesgo la biodiversidad, dañen la fertilidad de
los suelos, respeten la ecología, y prevean una limitación al máximo de área a ocupar para tal
fin.
¿La PanaGea?
Algunos entusiastas apuntan a la energía geotérmica como el futuro. Y no es extraño, tras
leer el artículo del MIT (The future of geothermal energy. 2006) uno se queda sorprendido de
las posibilidades de esta tecnología: hay unos 13.000 ZJ/año disponibles en la Tierra, 2.000
ZJ/año de los cuales son posibles de obtener fácilmente en un periodo corto de tiempo. Los
humanos usamos 0,5 ZJ/año.
Entonces ¿Cual es el problema? Las otras fuentes de energía comercializadas, mencionadas
hasta ahora no cumplen las expectativas de uno o más factores: abundancia, eficiencia,
sostenibilidad o fiabilidad. Pero la geotérmica no usa materiales escasos ni recursos fósiles, es
muy abundante, no depende de la climatología (o negligible comparado con la solar y la eólica)
y parece adecuada para satisfacer las necesidades de las economías emergentes.
Hay muchos tipos de instalaciones geotérmicas. Genéricamente podemos hablar de las que
usan agua (hidrotérmicas), el calor de los rayos del sol a poca profundidad, las que usan el
calor producido a altas profundidades que poseen mayor eficiencia y capacidad (dentro de
este tipo se encuentran las EGS o Sistemas Geotérmicos Mejorados en sus siglas en inglés).
En éstas últimas, el proceso de generación de electricidad en las centrales geotérmicas
inyectan agua a varios kilómetros de profundidad, donde se produce un intercambio de calor
con las rocas. El agua se calienta y se devuelve a la superficie donde es usada para generar
electricidad, normalmente el vapor mueve un generador. El agua es reinyectada después,
volviendo a empezar el ciclo.
El primer inconveniente de esta tecnología es que requiere de una tipología de terreno
especial que posea reserva geotérmica (cierta temperatura a cierta profundidad), lo que
normalmente las emplaza en fallas o zonas con riesgo sísmico. Requiere considerables
cantidades de agua, lo que la hace no apta para zonas áridas. Los costes de perforación,
construcción y mantenimiento son altos, y frenan los inversores, pero según MIT usando la
energía geotérmica mejorada (EGS en sus siglas en inglés) podrían disminuir los costes
considerablemente. Por otro lado si es usada a escala mundial, y más allá de impacto
ambiental local (que suele ser menor que el de las demás formas de energía renovable),
debemos preguntamos sobre el hecho de estar sacando calor continuamente del interior del
planeta y extrayéndolo hasta la atmosfera. Algo que no parece muy adecuado (aunque el
análisis de impacto del MIT no lo ve como un peligro por las pequeñas magnitudes), se ha
especulado sobre generadores subterráneos, pero todavía queda mucho camino por recorrer.
A menudo olvidada, no se dedicó ningún espacio en la última Financial Times Energy
Conference en Londres, la energía geotérmica parece ser la única renovable en satisfacer los
criterios mínimos para ser considerada sostenible. Una energía al parecer sin emisiones
durante el funcionamiento (incluido el CO2), de bajo impacto ambiental, inagotable (a escala
humana claro) y no fluctuante. Quedan algunos retos que superar, como los depósitos de
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silicio que se forman cuando se enfría el agua, mejorar la tecnología de extracción y
perforación y controlar el riesgo de seísmos, pero sin duda parece encajar en un futuro basado
en la sostenibilidad. Comparte dos de los mayores retos con otras renovables, por eso la
distribución y almacenaje de energía.
El agujero negro: almacenando energía
El mayor problema al que se enfrentan las renovables es la poca capacidad de regulación que
tenemos sobre las mismas. Para poder aprovechar los picos de producción de algunas de las
tecnologías renovables, la opción más lógica sería almacenar la energía no consumida en
baterías para poder usarla en los momentos de mayor demanda. Las baterías son también la
herramienta básica para la construcción de coches híbridos, cuya demanda crecerá
exponencialmente en los próximos años. El litio es la materia prima principal para la
construcción de estas baterías y afortunadamente es mucho más abundante que los metales
anteriormente citados. Pero desde luego es conveniente encontrar alternativas que pudieran
evitar una dependencia del litio en la economía y tuvieran una toxicidad menor.
Hasta ahora hemos hablado de algunos de los sistemas de captación, que como el lector
habrá notado, más que afrontarse a problemas unívocos presenta retos de muy diversa índole.
La conclusión que se puede extraer es que no hay una solución única. La diversidad debe ser
una característica intrínseca de nuestro futuro escenario energético. Y otro imperativo debería
ser la descentralización de las redes energéticas. Como argumenta Jeremy Rifkin, mejora su
autonomía, estabilidad y resiliencia, el claro ejemplo lo tenemos con Internet; pero parece que
la descentralización choca con muchos intereses de gobiernos y grandes lobbies
empresariales.
Del mismo modo que las emisiones de CO2 son una prioridad, también deberían serlo la
disponibilidad de materiales en los productos para comercializar a gran escala, y sobretodo el
diseño de una red energética diversa y descentralizada, que sea fiable, sostenible, de uso
local, con poca distribución, poco almacenamiento y muchos lugares de producción. Aunque
el tema de la descentralización se merece un post íntegro. Ya hablaremos más adelante.
Como hemos visto, las energías renovables son la esperanza para un desarrollo sostenible,
pero será necesaria la superación de retos tecnológicos, e incluso económico-sociales, para
que las energías que hoy conocemos como renovables puedan ser realmente sostenibles. Una
advertencia que nos recuerda que la energía más sostenible es aquella que no se consume.
Fuentes:
Future of Geothermal Energy. MIT
International Energy Outlook 2008
La sostenibilidad de las energías renovables
Biomass: Carbon Sink or Carbon Sinner
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Sobre la sostenibilidad de las renovables

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