8.4: Fuentes de Energía y Transportadores
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Electricidad
Introducción
Durante el último siglo y medio la electricidad ha surgido como un portador de energía popular y versátil. La comunicación fue un uso generalizado temprano de la electricidad tras la introducción del telégrafo en la década de 1840. En las décadas de 1870 y 1880, los motores eléctricos y las luces se unieron al telégrafo como prácticos dispositivos eléctricos, y en la década de 1890 comenzaron a aparecer los sistemas de distribución eléctrica, los precursores de la red eléctrica actual. El telégrafo se convirtió en inalámbrico con la invención de la radio, demostrada en el laboratorio en la década de 1880 y para la comunicación transatlántica en 1901. Hoy en día, la electricidad se explota no sólo por sus diversos usos finales como la iluminación, el movimiento, la refrigeración, la comunicación y la computación, sino también como portador primario de energía. La electricidad es una de las dos estructuras principales del sistema energético moderno (los combustibles líquidos para el transporte son la otra), transportando energía de alta densidad a distancias cortas y largas para diversos usos. En 2009, la electricidad consumió la mayor parte de la energía primaria de Estados Unidos, 38 por ciento, con el transporte en un segundo lugar cercano con 37 por ciento (EIA Annual Energy Review, 2009). Estos dos sectores también representaron las mayores acciones de emisiones de carbono de Estados Unidos, 38 por ciento para la electricidad y 33 por ciento para el transporte (EIA Annual Energy Review, 2009). La figura\(\PageIndex{1}\) muestra el crecimiento de la electricidad como portador de energía desde 1949 y el creciente rango de sus usos.
Figura Cadena Energética Eléctrica muestra la cadena de energía eléctrica desde la generación hasta el uso. Con mucho, la mayor parte de la electricidad es generada por la combustión de combustibles fósiles para convertir turbinas de vapor o gas. Este es el paso menos eficiente en la cadena energética, convirtiendo solo el 36 por ciento de la energía química en el combustible en energía eléctrica, cuando se promedian sobre la mezcla actual de generación de gas y carbón. También produce todas las emisiones de carbono de la cadena eléctrica. Más allá de la producción, la electricidad es un portador notablemente limpio y eficiente. La conversión del movimiento rotativo de la turbina y el generador a electricidad, la entrega de electricidad a través de la red eléctrica y la conversión a movimiento en motores para su uso en la industria, el transporte y la refrigeración pueden ser más del 90 por ciento eficientes. Ninguno de estos pasos produce emisiones de gases de efecto invernadero. Es la versatilidad de posproducción, la limpieza y la eficiencia de la electricidad lo que la convierte en un portador de energía principal para el futuro. La generación de electricidad, basada en carbón y gas domésticos relativamente abundantes, está libre de preocupaciones inmediatas de seguridad de combustible. El advenimiento de los autos eléctricos promete aumentar la demanda de electricidad y reducir la dependencia del petróleo extranjero, mientras que el crecimiento de la generación eólica renovable y solar reduce las emisiones de carbono. Los principales desafíos de sustentabilidad para la electricidad como portador de energía están en el paso de producción: eficiencia y emisión de dióxido de carbono y toxinas.
La Red Eléctrica: Capacidad y Confiabilidad
Más allá de la producción, la electricidad enfrenta desafíos de capacidad, confiabilidad e implementación de almacenamiento y transmisión necesarios para adaptarse a la lejanía y variabilidad de las energías renovables. Los mayores desafíos de capacidad se encuentran en las zonas urbanas, donde vive el 79 por ciento de Estados Unidos y el 50 por ciento de la población mundial. La alta densidad de población de las áreas urbanas requiere una densidad de energía y energía eléctrica correspondientemente alta. En Estados Unidos, 33 por ciento de la energía eléctrica se utiliza en las 22 principales áreas metropolitanas, y se proyecta que la demanda de electricidad crezca 31 por ciento para 2035 (Annual Energy Outlook, 2011). Esto crea un “cuello de botella de energía urbana” donde los cables subterráneos se saturan, obstaculizando el crecimiento económico y las eficiencias de escala en el transporte, el uso de energía y la emisión de gases de efecto invernadero que vienen con una alta densidad de población (Owen, 2009). La saturación de la infraestructura de cables existente requiere la instalación de una nueva capacidad sustancial, una propuesta costosa para excavar nuevos túneles de cable subterráneos.
La confiabilidad de la red eléctrica presenta un segundo desafío. La red de Estados Unidos ha crecido continuamente desde sus orígenes a principios del siglo XX; gran parte de su infraestructura se basa en la tecnología y la filosofía de diseño que data de las décadas de 1950 y 1960, cuando el mayor desafío era extender la electrificación a nuevas áreas rurales y urbanas. Fuera de las zonas urbanas, la red se encuentra principalmente sobre el suelo, exponiéndola a condiciones climáticas y temperaturas extremas que causan la mayoría de los cortes de energía. La respuesta a las interrupciones es frustrantemente lenta y tradicional: las empresas de servicios públicos suelen ser alertadas primero de las interrupciones por quejas telefónicas de los clientes, y la respuesta requiere el envío de equipos para identificar y reparar daños, casi lo mismo que hicimos hace 50 años. La confiabilidad de la red de Estados Unidos es significativamente menor que para las redes más nuevas en Europa y Japón, donde el cliente típico experimenta de diez a 20 veces menos tiempo de interrupción que en Estados Unidos. La confiabilidad es especialmente importante en la era digital, cuando una interrupción de incluso una fracción de un ciclo puede apagar un centro de datos controlado digitalmente o una línea de fabricación, requiriendo horas o días para reiniciar.
Los problemas de confiabilidad se pueden abordar implementando una red inteligente con comunicación bidireccional entre las compañías de servicios públicos y los clientes que monitorea continuamente la entrega de energía, el estado operativo del sistema de entrega e implementa medidas de respuesta a la demanda ajustando la energía entregada a clientes individuales en de acuerdo con un protocolo de cliente único previamente establecido. Dicho sistema requiere la instalación de sensores digitales que monitoreen los flujos de energía en el sistema de entrega, tecnología digital de decisión y control y capacidad de comunicación digital como esa ya estándar para la comunicación a través de Internet. Para los clientes con capacidad de generación solar in situ, la red inteligente monitorearía y controlaría la venta de exceso de energía del cliente a la empresa de servicios públicos.
La figura\(\PageIndex{4}\) ilustra las características de comunicación bidireccional de la red inteligente. La red convencional en el panel superior envía energía de una manera, desde la estación generadora hasta el cliente, registrando cuánta energía sale del generador y llega al cliente. En la red inteligente, el flujo de energía se monitorea continuamente, no solo en el generador y el cliente, sino también en cada punto de conexión intermedio. La información sobre el flujo de energía en tiempo real se envía a través de Internet u otra red especial a la empresa de servicios públicos y al cliente, lo que permite tomar decisiones en tiempo real sobre agregar generación para cumplir con los cambios en la carga, abrir disyuntores para redirigir la energía en caso de una interrupción, reducir la energía entregada al cliente durante los períodos pico para evitar interrupciones (a menudo llamadas “respuesta a la demanda”) y rastrear los flujos de energía inversos para clientes con su propia capacidad de generación solar u otra. La red eléctrica convencional fue diseñada a mediados del siglo pasado para satisfacer la simple necesidad de entregar energía en una dirección. La incorporación de funciones modernas de comunicaciones y control de estilo Internet podría llevar a la red eléctrica a un nivel cualitativamente nuevo de capacidad y rendimiento requerido para adaptarse a la generación local y ofrecer una mayor confiabilidad.
Los componentes inteligentes incorporados en toda la red podrían detectar corrientes de sobrecarga y abrir interruptores para interrumpirlos de forma rápida y automática para evitar daños innecesarios y desencadenar una cascada de cortes de efecto dominó en amplias áreas como sucedió en el Northeast Blackout de 2003. Para una máxima efectividad, dichos sistemas inteligentes requieren una respuesta automática rápida en escalas de tiempo de milisegundos acordes con el tiempo de ciclo de la red. Incluso la comunicación digital simple cumple con este requisito, pero muchos de los componentes de la red en sí mismos no pueden responder tan rápido. Los disyuntores mecánicos convencionales, por ejemplo, tardan muchos segundos en abrirse y mucho más tiempo en cerrarse. Tales tiempos largos aumentan el riesgo de corrientes de sobrecarga peligrosas que dañen la red o propagan cascadas. Junto con las comunicaciones digitales, se necesita una nueva tecnología de interruptores, como la basada en limitadores de corriente de falla superconductores rápidos y autorreparables, para llevar el funcionamiento de la red eléctrica a la era moderna.
Integración de la Electricidad Renovable en la Red
Acomodar la generación de electricidad renovable por plantas eólicas y solares es uno de los desafíos más urgentes que enfrenta la red. El liderazgo en la promoción de la electricidad renovable ha pasado de los gobiernos federales a los estatales, muchos de los cuales han legislado los Estándares de Portafolio Renovable (RPS) que requieren que el 20 por ciento de la generación eléctrica estatal sea renovable para 2020. 30 estados y el Distrito de Columbia tienen tales requisitos, el más agresivo es California con 33 por ciento de electricidad renovable requerida para 2020 y Nueva York con 30 por ciento para 2015. Para poner en perspectiva este requisito legal, la energía eólica y solar representan ahora alrededor del 1.6 por ciento de la producción de electricidad en Estados Unidos; aproximadamente un factor de diez menos de los requisitos de RPS. (Crabtree & Misewich, 2010).
Variabilidad Renovable
La red se enfrenta a grandes desafíos para adaptarse a la variabilidad de la electricidad eólica y solar. Sin una capacidad de almacenamiento significativa, la red debe equilibrar con precisión la generación con la demanda en tiempo real. En la actualidad, la variabilidad de la demanda controla el proceso de balanceo: la demanda varía tanto como un factor de dos de noche a día a medida que las personas pasan por sus rutinas diarias. Esta variabilidad predecible se acomoda cambiando las fuentes de generación de reservas dentro y fuera en respuesta a las variaciones de la demanda. Con la generación renovable, la variación puede ser de hasta 70 por ciento para la electricidad solar debido a las nubes que pasan y 100 por ciento para el viento debido a días tranquilos, mucho mayores que la variabilidad de la demanda. En el nivel actual de 1.6 por ciento de penetración eólica y solar, la variación relativamente pequeña en la generación se puede acomodar cambiando dentro y fuera de los recursos convencionales para compensar las fluctuaciones eólicas y solares. Al 20 por ciento de penetración que requieren los Estándares de Portafolio Renovables estatales, acomodar la variación en la generación requiere un aumento significativo en la capacidad de reserva convencional. En niveles altos de penetración, cada adición de capacidad eólica o solar requiere una adición casi igual de capacidad convencional para proporcionar generación cuando las energías renovables están en reposo. Esta doble instalación para asegurar la confiabilidad aumenta el costo de la electricidad renovable y reduce su efectividad en la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Una complicación importante de la variación renovable es su imprevisibilidad. A diferencia de la variabilidad de la demanda, que es confiablemente alta por la tarde y baja por la noche, la generación renovable depende del clima y no sigue ningún patrón. Anticipar la variabilidad de la generación eólica y solar impulsada por el clima requiere pronósticos más sofisticados con mayor precisión y mayores niveles de confianza de los que están disponibles ahora. Debido a que los pronósticos actuales a menudo no cumplen con el objetivo de rendimiento real, las reservas convencionales adicionales deben mantenerse listas para cubrir el riesgo de imprecisiones, lo que agrega otro aumento al costo de la electricidad renovable.
El almacenamiento de electricidad renovable ofrece una ruta viable para enfrentar el desafío de generación variable. El almacenamiento de electricidad en la red abarca muchas más opciones que el almacenamiento portátil de electricidad requerido para los autos eléctricos. A diferencia del almacenamiento de vehículos, el almacenamiento en red puede ocupar un espacio grande con poca o ninguna restricción de peso o volumen. El almacenamiento en red se puede alojar en un ambiente controlado, eliminando grandes variaciones de temperatura y humedad que afectan el rendimiento. El almacenamiento en red debe tener una capacidad mucho mayor que el almacenamiento de vehículos, del orden de 150 MWh para un parque eólico versus 20-50 kWh para un vehículo. Debido a estas diferencias, la estrategia de investigación para el almacenamiento de energía de la red y el vehículo es muy diferente. A la fecha, se ha prestado mucha más atención a cumplir con los requisitos de almacenamiento de electricidad de los vehículos que a los requisitos de almacenamiento
Hay muchas opciones para el almacenamiento en red. El almacenamiento hidroeléctrico bombeado, ilustrado en la Figura\(\PageIndex{5}\), es una tecnología establecida apropiada para regiones con recursos hídricos de alta y baja elevación. El Almacenamiento de Energía por Aire Comprimido (CAES) es un equivalente de aire comprimido de hidro bombeado que utiliza el exceso de electricidad para bombear aire bajo presión a formaciones geológicas subterráneas para su posterior liberación para impulsar generadores. Esta opción se ha demostrado en Huntorf, Alemania y en Mcintosh, Alabama. Las baterías de sodio-azufre de alta temperatura que operan a 300 °C tienen una alta densidad de energía, una larga vida útil proyectada y una alta eficiencia de ida y vuelta; son las tecnologías de baterías más maduras sugeridas para la red. Las baterías de flujo son una opción atractiva y relativamente inexplorada, donde la energía se almacena en el estado de carga alta de un electrolito líquido y se elimina por conversión electroquímica a un estado de carga baja. Cada batería de flujo requiere un electrolito con un estado de carga alta y baja y una reacción química que lleva una a la otra. Existen muchos electrolitos y reacciones químicas de este tipo, de las cuales solo se han explorado unos pocos, dejando una serie de oportunidades prometedoras para el futuro. La capacidad de almacenamiento de energía depende únicamente del tamaño del tanque de almacenamiento, que puede diseñarse de manera totalmente independiente de la capacidad de energía que depende del tamaño del reactor electroquímico. Las baterías de azufre y flujo de sodio almacenan carga eléctrica y se pueden usar en cualquier lugar de la red eléctrica. Por el contrario, el almacenamiento térmico se aplica únicamente a las tecnologías de concentración de energía solar, donde los espejos enfocan la radiación solar para calentar un fluido de trabajo que impulsa una turbina y un generador convencionales. En estos sistemas, la energía térmica se puede almacenar como una sal fundida en un recinto altamente aislado durante horas o días, permitiendo que la electricidad solar se genere bajo demanda después del atardecer o en días nublados. Todas estas opciones son prometedoras y requieren investigación y desarrollo para explorar innovaciones, rendimiento y límites de costos.
Cómo transmitir electricidad a largas distancias
El desafío final para acomodar las energías renovables es la transmisión a larga distancia. Como\(\PageIndex{6}\) muestra la Figura, los mayores recursos eólicos, ubicados en el medio continente, y los mayores recursos solares, en el suroeste, están lejos de los centros de población al este de Mississippi y en la costa oeste. Si se van a utilizar estos recursos, se debe desarrollar una transmisión de larga distancia de mayor capacidad para llevar la electricidad renovable al mercado. Aunque tal entrega a larga distancia es posible donde se han localizado líneas especiales de transmisión de alto voltaje, la capacidad y el número de tales líneas es limitado. La situación es muy similar al transporte de automóviles antes de que se construyera el sistema de carreteras interestatales en la década de 1950. Era posible conducir de costa a costa, pero el tiempo de conducción era largo e incierto y la ruta indirecta. Para utilizar los recursos eléctricos renovables de manera efectiva, debemos crear una especie de sistema de carreteras interestatales para la electricidad.
Resumen
La electricidad y el petróleo líquido son los dos principales portadores de energía en Estados Unidos y en el mundo. Una vez producida, la electricidad es limpia y versátil, lo que la convierte en un portador de energía atractivo para el futuro. Los desafíos a los que se enfrenta la red eléctrica son la capacidad, la confiabilidad y el alojamiento de fuentes renovables como la solar y la eólica, cuya producción es variable y cuya ubicación está alejada de los centros de población. Se necesita almacenamiento de electricidad y transmisión de larga distancia para dar cabida a estos recursos renovables.
Combustibles Fósiles (Carbón y Gas)
En la actualidad los combustibles fósiles utilizados para la generación de electricidad son predominantemente carbón (45 por ciento) y gas (23 por ciento); el petróleo representa aproximadamente 1 por ciento (ver Figura\(\PageIndex{7}\)). La electricidad del carbón tiene sus orígenes a principios del siglo XX, cuando era el combustible natural para las máquinas de vapor dada su abundancia, alta densidad energética y bajo costo. El gas es una adición posterior a la mezcla de electricidad fósil, llegando en cantidades significativas después de la Segunda Guerra Mundial y con su mayor crecimiento desde 1990 como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). De los dos combustibles, el carbón emite casi el doble de dióxido de carbono como gas para la misma producción de calor, lo que lo hace significativamente mayor contribuyente al calentamiento global y al cambio climático.
El futuro del gas y el carbón
El desarrollo futuro del carbón y del gas depende del grado de preocupación pública y regulatoria por las emisiones de carbono, y del precio relativo y la oferta de los dos combustibles. Los suministros de carbón abundan en Estados Unidos, y la cadena de transporte de las minas a las centrales eléctricas está bien establecida por una larga experiencia. El principal factor desconocido es el grado de presión pública y regulatoria que se colocará sobre las emisiones de carbono. La fuerte presión regulatoria sobre las emisiones de carbono favorecería el retiro del carbón y la adición de centrales eléctricas de gas. Esta tendencia se ve reforzada por la reciente expansión dramática de las reservas de gas de esquisto en Estados Unidos debido a los avances tecnológicos en la perforación horizontal y la fracturación hidráulica (“fracking”) de los yacimientos de gas de esquisto. La producción de gas de esquisto ha aumentado 48 por ciento anual en los años 2006 — 2010, con más aumentos esperados (EIA Annual Energy Outlook, 2011). Una mayor producción de gas de esquisto en Estados Unidos reducirá gradualmente las importaciones y eventualmente podría convertir a Estados Unidos en un exportador neto de gas natural.
La técnica de fracturación hidráulica de esquisto utiliza fluidos de alta presión para fracturar los depósitos de esquisto normalmente duro y liberar gas y petróleo atrapados dentro de la roca. Para promover el flujo de gas fuera de la roca, se incluyen pequeñas partículas de sólidos en los líquidos de fracturación para alojarse en las grietas de esquisto y mantenerlas abiertas después de que los líquidos sean despresurizados. Aunque la fracturación hidráulica se ha utilizado desde la década de 1940, es tecnológicamente factible, económica y se ha demostrado que mejora la recuperación de gas y petróleo, se enfrenta a considerables desafíos ambientales. En los acuíferos que recubren las formaciones de esquisto Marcellus y Utica del noreste de Pensilvania y el norte del estado de Nueva York, se ha reportado contaminación por metano del agua potable asociada a la extracción de gas de esquisto (Osborn, Vengosh, Warner y Jackson, 2011). La reacción pública a estos reportes ha sido fuerte y negativa, lo que ha motivado llamados a una mayor transparencia, investigación científica y control regulatorio para establecer claramente la seguridad, sustentabilidad y confianza pública en la técnica. Consulte el Módulo 10.2 para obtener más información sobre el proceso de fracturación hidráulica y sus riesgos asociados.
Más allá de una tendencia del carbón al gas para la generación de electricidad, existe la necesidad de lidiar con las emisiones de carbono de la producción fósil de electricidad. Figura Ciclo Global del Carbono, 1990 muestra el tamaño de estas emisiones en comparación con los flujos naturales entre el océano y la atmósfera y de la vegetación y el uso del suelo. Los flujos antropogénicos son pequeños en comparación, pero tienen un gran efecto en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. La razón es la dinámica escalonada del ciclo del carbono. El depósito de almacenamiento definitivo para las emisiones de carbono es el océano profundo, con abundante capacidad para absorber el flujo relativamente pequeño de la combustión de combustibles fósiles. El traslado al océano profundo, sin embargo, ocurre en tres pasos: primero a la atmósfera, luego al océano poco profundo, y finalmente al océano profundo. El cuello de botella es la lenta transferencia de dióxido de carbono del océano poco profundo al océano profundo, gobernado por la gran cinta transportadora oceánica o circulación termohalina ilustrada en la Figura Gran Cinta Transportadora Oceánica. La gran cinta transportadora oceánica tarda entre 400 y 1000 años en completar un ciclo. Mientras el dióxido de carbono espera ser transportado a las profundidades del océano, satura el océano poco profundo y “retrocede” en la atmósfera provocando el calentamiento global y amenazando el cambio climático. Si las emisiones de carbono van a ser capturadas y almacenadas (o “secuestradas”) deben quedar atrapadas durante miles de años mientras la atmósfera se ajusta a las emisiones de carbono pasadas y futuras (Leron, 2006).
El secuestro de dióxido de carbono en formaciones geológicas subterráneas es un proceso que, en principio, tiene la capacidad de manejar las emisiones de carbono de combustibles fósiles (Olajire, 2010); la reacción química del dióxido de carbono a una forma sólida estable es otro (Stephens & Keith, 2008). Para el secuestro, existen desafíos fundamentales que deben entenderse y resolverse antes de que el proceso pueda implementarse a gran escala.
Se desconocen en gran medida las reacciones químicas y las rutas de migración a través de las rocas porosas en las que se almacena el dióxido de carbono Dependiendo del entorno rocoso, se podrían formar compuestos sólidos estables que eliminarían efectivamente el dióxido de carbono secuestrado del ambiente. Alternativamente, podría permanecer como dióxido de carbono o transformarse en una especie móvil y migrar largas distancias, encontrando finalmente una ruta de escape a la atmósfera donde podría retomar su contribución al calentamiento del invernadero o causar nuevos daños ambientales. El requisito de secuestro a largo plazo es grave: una tasa de fuga del 1 por ciento significa que todo el dióxido de carbono secuestrado en el primer año se escapa en un siglo, un abrir y cerrar de ojos en la escala temporal del cambio climático.
Resumen
El carbón (45 por ciento) y el gas (23 por ciento) son los dos principales combustibles fósiles para la producción de electricidad en Estados Unidos. La combustión de carbón produce casi el doble de emisiones de carbono que la combustión de gas. La creciente opinión pública y la presión regulatoria para reducir las emisiones de carbono están desplazando la generación de electricidad hacia el gas y lejos del carbón. El suministro doméstico de gas está aumentando rápidamente debido al gas de esquisto liberado por la fracturación hidráulica, una tecnología con un potencial significativo de impacto ambiental dañino. Reducir el impacto de los gases de efecto invernadero de la producción de electricidad requiere capturar y secuestrar el dióxido de carbono emitido por las centrales eléctricas. El almacenamiento de dióxido de carbono en formaciones geológicas subterráneas enfrenta desafíos de transformación química, migración y longevidad.
Energía Nuclear
Desde una perspectiva de sustentabilidad, la electricidad nuclear presenta un dilema interesante. Por un lado, la electricidad nuclear no produce emisiones de carbono, una ventaja sustentable importante en un mundo que enfrenta el calentamiento global inducido por el ser humano y el potencial cambio climático. Por otro lado, la electricidad nuclear produce combustible gastado que debe ser almacenado fuera del medio ambiente durante decenas o cientos de miles de años, produce plutonio y uranio de grado bomba que podrían ser desviados por terroristas u otros para destruir ciudades y envenenar el medio ambiente, y amenaza a lo natural y ambiente construido a través de fugas accidentales de radiación de larga duración. Científicos reflexivos, responsables políticos y ciudadanos deben sopesar el beneficio de esta fuente de electricidad libre de carbono contra el riesgo ambiental de almacenar combustible gastado durante miles o cientos de miles de años, el riesgo social de proliferación nuclear y el impacto de las emisiones accidentales de radiación de reactores operativos. Hay muy pocos ejemplos de humanos que tengan el poder de cambiar permanentemente la dinámica de la tierra. El calentamiento global y el cambio climático por las emisiones de carbono son un ejemplo, y la radiación de la explosión de un número suficiente de armas nucleares es otro. La electricidad nuclear toca ambas oportunidades, en el lado positivo para reducir las emisiones de carbono y en el lado negativo por el riesgo de proliferación nuclear.
Debate sobre Energía Nuclear
La electricidad nuclear llegó a la escena energética notablemente rápido. Tras el desarrollo de la tecnología nuclear al final de la Segunda Guerra Mundial con fines militares, la energía nuclear rápidamente adquirió un nuevo camino en tiempos de paz para la producción económica de electricidad. Once años después del final de la Segunda Guerra Mundial, en 1956, muy poco tiempo en términos energéticos, el primer reactor nuclear comercial produjo electricidad en Calder Hall en Sellafield, Inglaterra. El número de reactores nucleares creció de manera constante a más de 400 en 1990, cuatro años después del desastre de Chernobyl en 1986 y once años después de Three Mile Island en 1979. Desde 1990, el número de reactores operativos se ha mantenido aproximadamente plano, con el desmantelamiento de nuevas construcciones equilibradas, debido a la renuencia pública y gubernamental a continuar con los planes de expansión de la electricidad nuclear. Figura Crecimiento de Combustibles Utilizados para Producir Electricidad en Estados Unidos y Figura Nuclear Cuota de Estados Unidos Generación de Electricidad muestran el desarrollo y estatus de la energía nuclear en Estados Unidos, reflejo de su crecimiento mundial.
El resultado de este debate (Ferguson, Marburger, & Farmer, 2010) determinará si el mundo experimenta un renacimiento nuclear que se está gestando desde hace varios años (Grimes & Nuttall, 2010). La discusión global se ha visto fuertemente impactada por el improbable accidente nuclear en Fukushima, Japón, en marzo de 2011. El desastre nuclear de Fukushima fue causado por un terremoto y tsunami que inhabilitó el sistema de enfriamiento para un complejo de energía nuclear consistente en operar reactores nucleares y piscinas de almacenamiento para el almacenamiento subacuático del combustible nuclear gastado, lo que finalmente provocó una fusión parcial de algunos de los núcleos del reactor y liberación de radiación significativa. Este evento, 25 años después de Chernobyl, nos recuerda que la seguridad y la confianza pública son especialmente importantes en la energía nuclear; sin ellas la expansión de la energía nuclear no va a suceder.
Existen dos vías básicas para manejar el combustible gastado de los reactores nucleares: una vez a través y reprocesamiento (World Nuclear Association; Kazimi, Moniz, & Forsberg, 2010). Una vez a través de las tiendas de combustible gastado después de un solo paso a través del reactor, primero en piscinas en el sitio del reactor mientras se enfría radioactiva y térmicamente, luego en un sitio de almacenamiento geológico a largo plazo, donde debe permanecer durante cientos de miles de años. El reprocesamiento separa la fracción utilizable del combustible gastado y la recicla a través del reactor, utilizando una mayor fracción de su contenido energético para la producción de electricidad, y envía los residuos de alto nivel restantes al almacenamiento geológico permanente. La principal motivación para reciclar es un mayor uso de los recursos de combustible, extrayendo ~ 25 por ciento más energía que el ciclo de una vez a través. Una motivación secundaria para el reciclaje es una reducción significativa del espacio de almacenamiento geológico permanente (por un factor de ~ 5 o más) y el tiempo (de cientos de miles de años a miles de años). Si bien estas ventajas parecen naturales y atractivas desde una perspectiva de sustentabilidad, se complican por el riesgo de robo de material nuclear del ciclo de reprocesamiento para su uso en la producción ilícita de armas u otros fines no sostenibles. En la actualidad, Francia, Reino Unido, Rusia, Japón y China se dedican a alguna forma de reprocesamiento; Estados Unidos, Suecia y Finlandia no reprocesan.
Resumen
La electricidad nuclear ofrece el beneficio sustentable de la electricidad baja en carbono a costa de almacenar el combustible gastado fuera del medio ambiente por hasta cientos de miles de años. La energía nuclear se desarrolló en solo 11 años, inusualmente rápido para una tecnología energética importante, y se ralentizó igualmente rápido debido a las preocupaciones públicas sobre la seguridad después de Three Mile Island y Chernobyl. El accidente del reactor de Fukushima en marzo de 2011 ha suscitado nuevas preocupaciones serias sobre la seguridad; su impacto en la opinión pública podría afectar drásticamente el curso futuro de la electricidad nuclear. El reprocesamiento del combustible gastado ofrece las ventajas de una mayor eficiencia energética y menores requisitos de almacenamiento de combustible gastado con la desventaja de un mayor riesgo de proliferación de armas a través del desvío de la corriente de combustible reprocesado.
Energía Renovable: Solar, Eólica, Hidroeléctrica y Biomasa
Un fuerte interés por las energías renovables en la era moderna surgió en respuesta a los choques petroleros de la década de 1970, cuando la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) impuso embargos petroleros y elevó los precios en pos de objetivos geopolíticos. La escasez de petróleo, especialmente gasolina para el transporte, y la eventual subida del precio del petróleo por un factor de aproximadamente 10 de 1973 a 1981 trastornó la operación social y económica de muchos países desarrollados y enfatizó su precaria dependencia de los suministros energéticos extranjeros. La reacción en Estados Unidos fue un cambio de petróleo y gas a abundante carbón doméstico para la producción de electricidad y la imposición de estándares de economía de combustible para los vehículos para reducir el consumo de petróleo para el transporte. Otros países desarrollados sin grandes reservas fósiles, como Francia y Japón, optaron por enfatizar la energía nuclear (Francia al nivel del 80 por ciento y Japón al 30 por ciento) o desarrollar recursos renovables domésticos como la energía hidroeléctrica y eólica (Escandinavia), la geotérmica (Islandia), la solar, la biomasa y para la electricidad y calor. A medida que los precios del petróleo colapsaron a finales de la década de 1980, el interés por las energías renovables, como la eólica y la solar que enfrentaban importantes barreras técnicas y de costos, disminuyó en muchos países, mientras que otras renovables, como la hidroeléctrica y la biomasa, continuaron experimentando crecimiento.
El aumento del precio y la volatilidad del petróleo desde 1998, y la creciente dependencia de muchos países desarrollados del petróleo extranjero (60 por ciento del petróleo de Estados Unidos y 97 por ciento del petróleo japonés se importó en 2008) estimularon un renovado interés por las alternativas renovables para garantizar la seguridad energética. Una nueva preocupación, no conocida en anteriores crisis petroleras, agregó más motivación: nuestro conocimiento de la emisión de gases de efecto invernadero y su creciente contribución al calentamiento global, y la amenaza del cambio climático. Una motivación económica adicional, el alto costo de los pagos extranjeros de petróleo a los países proveedores (aproximadamente 350 mil millones de dólares anuales para Estados Unidos a precios de 2011), creció cada vez más importante a medida que los países desarrollados lucharon por recuperarse de la recesión económica de 2008. Estas preocupaciones sobre la seguridad energética, las emisiones de carbono y el cambio climático impulsan aumentos significativos en los estándares de economía de combustible, el cambio de combustible del transporte de petróleo extranjero incierto y volátil a electricidad doméstica y biocombustibles, y la producción de electricidad a partir de fuentes bajas en carbono.
Origen Físico de la Energía Renovable
Si bien la energía renovable suele clasificarse como hidroeléctrica, solar, eólica, biomasa, geotérmica, ola y marea, todas las formas de energía renovable surgen de solo tres fuentes: la luz del sol, el calor de la corteza terrestre y la atracción gravitacional de la luna y el sol. La luz solar proporciona, con mucho, la mayor contribución a las energías renovables, ilustrada en la Figura\(\PageIndex{1}\). El sol proporciona el calor que impulsa el clima, incluyendo la formación de áreas de alta y baja presión en la atmósfera que hacen viento. El sol también genera el calor requerido para la vaporización del agua del océano que finalmente cae sobre tierra creando ríos que impulsan la energía hidroeléctrica, y el sol es la fuente de energía para la fotosíntesis, que crea biomasa. La energía solar puede capturarse directamente para agua y calefacción de espacios, para impulsar turbinas convencionales que generan electricidad y como energía de excitación para electrones en semiconductores que impulsan la energía fotovoltaica. El sol también es responsable de la energía de los combustibles fósiles, creados a partir de los restos orgánicos de plantas y organismos marinos comprimidos y calentados en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante decenas a cientos de millones de años. La escala de tiempo para la regeneración de combustibles fósiles, sin embargo, es demasiado larga para considerarlos renovables en términos humanos.
La energía geotérmica se origina del calor que sube a la superficie a partir del núcleo de hierro fundido de la tierra creado durante la formación y compresión de la tierra temprana, así como del calor producido continuamente por la desintegración radiactiva de uranio, torio y potasio en la corteza terrestre. La energía de las mareas surge de la atracción gravitacional de la luna y del sol más distante en los océanos de la tierra, combinada con la rotación de la tierra. Estas tres fuentes —la luz solar, el calor atrapado en el núcleo de la tierra y generado continuamente en su corteza, y la fuerza gravitacional de la luna y el sol sobre los océanos— dan cuenta de toda la energía renovable.
Como relativamente recién llegados a la producción de energía, la energía renovable generalmente opera con menor eficiencia que sus contrapartes convencionales. Por ejemplo, los mejores módulos solares fotovoltaicos comerciales operan con aproximadamente un 20 por ciento de eficiencia, en comparación con casi el 60 por ciento de eficiencia para las mejores turbinas de gas natural de ciclo combinado. Los módulos fotovoltaicos en el laboratorio operan por encima del 40 por ciento de eficiencia pero son demasiado caros para uso general, lo que demuestra que hay un amplio margen para mejoras de rendimiento y reducciones de costos. Las turbinas eólicas están más cerca de su límite teórico del 59 por ciento (conocida como la ley de Betz) a menudo logrando una eficiencia del 35 al 40 por ciento. La biomasa es notoriamente ineficiente, convirtiendo típicamente menos del uno por ciento de la luz solar incidente en energía almacenada en los enlaces químicos de sus raíces, tallos y hojas. La reproducción y la modificación genética pueden mejorar esta pobre eficiencia energética, aunque cientos de millones de años de evolución desde la aparición de organismos multicelados no han producido un avance significativo. La energía geotérmica ya está en forma de gradientes de calor y temperatura, por lo que se pueden aplicar técnicas estándar de ingeniería térmica para mejorar la eficiencia. La energía de las olas y las mareas, aunque demostrada en varias plantas de trabajo, se encuentran en etapas tempranas de desarrollo y su desarrollo tecnológico permanece en gran parte inexplorado.
Capacidad y Distribución Geográfica
Si bien las energías renovables como la eólica y la solar han experimentado un fuerte crecimiento en los últimos años, todavía constituyen una pequeña fracción de las necesidades energéticas totales del mundo. Figura Energía Renovable Participación del Consumo Global Final de Energía, 2008 muestra la contribución de las energías fósiles, nucleares y renovables al consumo final de energía global en 2008. La mayor parte proviene de la biomasa tradicional, en su mayoría leña reunida en las sociedades tradicionales para la cocina y la calefacción domésticas, a menudo sin tener en cuenta el reemplazo sustentable. La energía hidroeléctrica es el siguiente contribuyente más importante, una tecnología establecida que experimentó un crecimiento significativo en el siglo XX. Los otros contribuyentes son más recientes y menores en contribución: agua y calefacción de espacios por combustión de biomasa o cosecha de calor solar y geotérmico, biocombustibles derivados del maíz o caña de azúcar, y electricidad generada a partir de energía eólica, solar y geotérmica. La electricidad eólica y solar, a pesar de su gran capacidad y su significativo crecimiento reciente, aún aportaron menos del uno por ciento de la energía total en 2008.
El potencial de los recursos energéticos renovables varía drásticamente. La energía solar es, con mucho, la más abundante, entregada a la superficie de la tierra a una tasa de 120,000 Teravatios (TW), en comparación con el uso humano global de 15 TW. Para poner esto en perspectiva, cubrir 100x100 km 2 de desierto con 10 por ciento de células solares eficientes produciría 0.29 TW de energía, alrededor del 12 por ciento de la demanda humana mundial de electricidad. Para abastecer todas las necesidades de electricidad de la tierra (2.4 TW en 2007) requeriría 7.5 de tales cuadrados, un área aproximadamente del tamaño de Panamá (0.05 por ciento de la superficie terrestre total de la tierra). Las reservas mundiales de petróleo convencional se estiman en tres billones de barriles, incluyendo todo el petróleo que ya ha sido recuperado y que queda para su futura recuperación. El equivalente de energía solar de estas reservas de petróleo es entregado a la tierra por el sol en 1.5 días.
El potencial global de producción de energía eléctrica y combustibles para el transporte a partir de energía solar, eólica y biomasa está limitado por la disponibilidad geográfica de terrenos adecuados para generar cada tipo de energía (descrito como el potencial geográfico), la eficiencia técnica del proceso de conversión (reduciendo la potencial al potencial técnico), y el costo económico de construcción y operación de la tecnología de conversión (reduciendo el potencial técnico al potencial económico). El grado en que se desarrolle realmente el potencial global de los recursos renovables depende de muchos factores desconocidos, como el alcance futuro del avance económico y tecnológico en los mundos en desarrollo y desarrollado, el grado de globalización a través de los vínculos empresariales, intelectuales y sociales entre países y regiones, y la importancia relativa de las agendas ambientales y sociales en comparación con los objetivos económicos y materiales. Los escenarios que evalúan el desarrollo de los recursos energéticos renovables bajo diversos supuestos sobre las trayectorias económicas, tecnológicas y sociales del mundo muestran que la energía solar tiene 20-50 veces el potencial de la energía eólica o biomasa para producir electricidad, y que cada uno por separado tiene el potencial suficiente para proveer las necesidades de electricidad del mundo en 2050 (de Vries, 2007).
La distribución geográfica de las energías renovables utilizables es bastante desigual. La luz solar, a menudo pensada que está distribuida de manera relativamente uniforme, se concentra en desiertos donde la cobertura de nubes es rara. Los vientos son hasta un 50 por ciento más fuertes y más firmes en alta mar que en tierra. El potencial hidroeléctrico se concentra en regiones montañosas con altas precipitaciones y deshielo. La biomasa requiere tierra disponible que no compita con la producción de alimentos, y sol y lluvia adecuados para apoyar el crecimiento. La figura\(\PageIndex{15}\) muestra la distribución geográfica de oportunidades de electricidad renovable que probablemente sean económicamente atractivas en 2050 bajo un agresivo escenario de desarrollo mundial.
Recursos eólicos y solares en Estados Unidos
Estados Unidos cuenta con abundantes recursos renovables. Los recursos solares de Estados Unidos, Alemania y España se comparan en la Figura\(\PageIndex{16}\). La irradiación solar en el suroeste de Estados Unidos es excepcional, equivalente a la de África y Australia, que contienen los mejores recursos solares del mundo. Gran parte de Estados Unidos tiene irradiación solar tan buena o mejor que España, considerada la mejor de Europa, y mucho más alta que Alemania. La variación en la irradiación sobre Estados Unidos es de aproximadamente un factor dos, bastante homogénea en comparación con otros recursos renovables. El tamaño de Estados Unidos se suma a su recurso, lo que lo convierte en una excelente oportunidad para el desarrollo solar.
El recurso eólico de Estados Unidos, aunque abundante, es menos homogéneo. Los vientos fuertes requieren gradientes constantes de temperatura y presión para conducirlos y sostenerlos, y estos se asocian frecuentemente con características topológicas como cadenas montañosas o costas. El mapa eólico terrestre de Estados Unidos muestra este patrón, con el mejor viento a lo largo de un corredor norte-sur aproximadamente a mediados del continente (Figura\(\PageIndex{16}\)). Los vientos marinos sobre los Grandes Lagos y las costas este y oeste son más fuertes y más firmes, aunque cubren áreas más pequeñas. El potencial técnico para la energía eólica terrestre es de más de 8000 GW de capacidad (Lu, 2009; Black & Veatch, 2007) y en alta mar es de 800 — 3000 GW (Lu, 2009; Schwartz, Heimiller, Haymes, & Musial, 2010). A modo de comparación, Estados Unidos utilizó electricidad en 2009 a razón de 450 GW promediados sobre los picos y valles día-noche y verano-invierno.
Barreras para el despliegue
La energía renovable enfrenta varias barreras para su despliegue generalizado. El costo es uno de los más graves, ilustrado en la Figura\(\PageIndex{17}\). Aunque el costo de las energías renovables ha disminuido significativamente en los últimos años, la mayoría siguen siendo más altos en costo que las alternativas fósiles tradicionales. Las tecnologías de energía fósil tienen una mayor experiencia en la racionalización de la fabricación, incorporando nuevos materiales, aprovechando las economías de escala y entendiendo los fenómenos físicos y químicos subyacentes del proceso de conversión energética. Como\(\PageIndex{17}\) muestra la Figura, la electricidad de menor costo es generada por gas natural y carbón, siendo la hidroeléctrica y la eólica entre los retadores renovables. El costo, sin embargo, no es una métrica aislada; debe compararse con las alternativas. Una de las incertidumbres del entorno empresarial actual es el costo final de las emisiones de carbono. Si los gobiernos ponen un precio a la emisión de carbono para compensar el costo social del calentamiento global y la amenaza del cambio climático, el costo relativo de las energías renovables se volverá más atractivo aunque su costo absoluto no cambie. Esta incertidumbre política en el costo eventual de la generación de energía a base de carbono es un factor importante en el atractivo económico futuro de las energías renovables.
Una segunda barrera para el despliegue generalizado de las energías renovables es la opinión pública. En el mercado de consumo, las ventas muestrean directamente la opinión pública y la conexión entre el despliegue y la aceptación pública es inmediata. La energía renovable no es una elección que hacen los consumidores individuales. En cambio, las elecciones energéticas son hechas por los responsables de políticas gubernamentales a nivel municipal, estatal y federal, quienes equilibran las preocupaciones por el bien común, por la “equidad” con los actores y por el costo económico. Sin embargo, la aceptación pública es un factor importante para equilibrar estas preocupaciones: una opción energética fuertemente favorecida o desfavorecida se verá reflejada en las decisiones gubernamentales a través de representantes electos o que respondan al público. La figura\(\PageIndex{18}\) muestra la aceptación pública de las opciones de electricidad renovable y fósil. El rango de aceptación va de fuertemente positivo para solar a fuertemente negativo para nuclear. Llama la atención la disparidad en la aceptación pública y el costo económico de estas dos alternativas energéticas: la solar es a la vez la alternativa más cara y la más aceptable para el público.
La importancia de la opinión pública queda ilustrada por el desastre nuclear de Fukushima de 2011. El terremoto y tsunami que en última instancia provocó la fusión del combustible en varios reactores del complejo de Fukushima y la liberación de radiación en una zona poblada provocó que muchos de los ciudadanos de muchos países cuestionaran la seguridad de los reactores y de la empresa de electricidad nuclear en general. La respuesta fue rápida, con algunos países registrando consenso público para acciones drásticas como el cierre de la electricidad nuclear cuando expiren las licencias para los reactores actualmente en funcionamiento. Si bien su resolución final es incierta, el impacto repentino y serio del evento de Fukushima en la opinión pública muestra el papel clave que juega la aceptación social en la determinación de nuestra trayectoria energética.
Resumen
Un fuerte interés por las energías renovables surgió en la década de 1970 como respuesta a la escasez y al alto precio del petróleo importado, lo que interrumpió el funcionamiento ordenado de las economías y sociedades de muchos países desarrollados. Hoy en día hay nuevas motivaciones, entre ellas la constatación de que la creciente emisión de gases de efecto invernadero acelera el calentamiento global y amenaza el cambio climático, la creciente dependencia de muchos países del petróleo extranjero, y la fuga económica de los pagos de petróleo al extranjero que ralentizan el crecimiento económico y la creación de empleo. Hay tres fuentes definitivas de todas las energías renovables y fósiles: la luz solar, el calor en el núcleo y la corteza terrestre, y la atracción gravitacional de la luna y el sol sobre los océanos. Las energías renovables se han desarrollado relativamente recientemente y generalmente operan con eficiencias más bajas que las tecnologías fósiles maduras. Sin embargo, al igual que las tecnologías fósiles tempranas, se puede esperar que las energías renovables mejoren su eficiencia y reduzcan su costo con el tiempo, promoviendo su competitividad económica y su despliegue generalizado.
El futuro despliegue de las energías renovables depende de muchos factores, entre ellos la disponibilidad de terrenos adecuados, el costo tecnológico de conversión a electricidad u otros usos, los costos de las tecnologías energéticas competidoras y la necesidad futura de energía. Los análisis de escenarios indican que es probable que las energías renovables sean técnica y económicamente capaces de abastecer las necesidades eléctricas del mundo en 2050. Además del costo, la aceptación pública es un factor clave en el despliegue generalizado de las energías renovables.
Combustible Fósil (Petróleo)
Los combustibles líquidos de petróleo y la electricidad son los dos portadores de energía dominantes en Estados Unidos, el petróleo representa el 37 por ciento de la energía primaria y la electricidad el 38 por ciento. Estos dos portadores de energía representan una fracción similar de las emisiones de carbono, 36 por ciento y 38 por ciento, respectivamente. Dos tercios del consumo de petróleo se dedican al transporte, proporcionando combustible para automóviles, camiones, trenes y aviones. Para Estados Unidos y las sociedades más desarrolladas, el transporte se entreteje en el tejido de nuestras vidas, una necesidad tan central para las operaciones diarias como la comida o el refugio. La concentración de reservas de petróleo en algunas regiones o en el mundo (Figura Reservas de Petróleo Crudo) hace que gran parte del mundo dependa de la energía importada para el transporte.
El alza del precio del petróleo en la última década hace que la dependencia de la energía importada para el transporte sea un tema económico así como energético. Estados Unidos, por ejemplo, ahora gasta más de 350 mil millones de dólares anuales en petróleo importado, una fuga de recursos económicos que podrían utilizarse para estimular el crecimiento, crear empleos, construir infraestructura y promover avances sociales en el hogar.
Desde una perspectiva de sustentabilidad, el petróleo presenta varios desafíos. En primer lugar, el tiempo durante el cual las reservas finitas de petróleo del mundo pueden seguir abasteciendo la creciente demanda. En segundo lugar, el impacto en el calentamiento global y el cambio climático que tendrán las emisiones de carbono de la combustión de petróleo, y en tercer lugar, el reto de encontrar un reemplazo sustentable para el petróleo para el transporte. El primer reto, cuánto petróleo queda y cuándo alcanzará su pico de producción, se discutió en Módulo Sistemas de Energía Sustentable - Capítulo Introducción. La conclusión es que, como dijo el famoso Yogi Berra, hacer predicciones es difícil, especialmente sobre el futuro. Si bien conocemos el curso general de subida inicial y caída final que debe tomar la producción mundial de petróleo, no conocemos con confianza la escala de tiempo sobre la que se desarrollará.
La incertidumbre sobre el momento del pico en la producción mundial de petróleo nos alienta a encontrar otros temas y motivaciones para lidiar con un suministro inevitablemente insostenible. Una motivación primordial es la seguridad energética, la amenaza de que los suministros de petróleo puedan verse interrumpidos por cualquiera de varios eventos como el clima, los desastres naturales, el terrorismo y la geopolítica. Gran parte del mundo siente que estas amenazas son buenas razones para un esfuerzo concertado para encontrar reemplazos para el petróleo como nuestro principal combustible para el transporte. Una segunda motivación es el daño ambiental y la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera debido a las emisiones del transporte. A diferencia de la generación de electricidad, las emisiones de transporte surgen de millones de fuentes diminutas, por ejemplo, los tubos de escape de automóviles y camiones y el escape de trenes y aviones. El desafío de capturar y secuestrar dióxido de carbono de estas fuentes distribuidas y móviles es dramáticamente mayor que el de las grandes fuentes fijas de plantas de energía. Un objetivo más alcanzable puede ser reemplazar el petróleo como combustible de transporte por biocombustible que se recicla de forma natural cada año desde tubos de escape de automóviles hasta cultivos biocombustibles que no compiten con los cultivos alimentarios. Otras opciones incluyen reemplazar los combustibles líquidos con electricidad producida a nivel nacional, o aumentar la eficiencia de los vehículos al reducir su peso, capturar regenerativamente la energía de frenado y mejorar la eficiencia del motor. Cada una de estas opciones tiene promesa y cada una debe superar retos.
Los cambios en el sistema energético son inevitablemente lentos, debido al tiempo necesario para desarrollar nuevas tecnologías y la inercia operativa de eliminar gradualmente la infraestructura de una tecnología existente para dejar espacio a un sucesor. El sistema de transporte exhibe esta inercia operativa, regida por el tiempo de rotación de la flota de vehículos, de unos 15 años. Si bien esa escala de tiempo es larga comparada con los ciclos económicos, el horizonte de ganancias de las corporaciones y el horizonte político de los funcionarios electos, es importante comenzar ahora a identificar y desarrollar alternativas sustentables al petróleo como combustible de transporte. La escala de tiempo desde la innovación de nuevos enfoques y materiales hasta la implementación en el mercado suele ser de 20 años o más, bien acorde con la inercia operativa del sistema de transporte. El reto es iniciar investigación y desarrollo innovadores para sistemas de transporte alternativos y sostenerlos continuamente hasta que se establezcan las alternativas.
Resumen
El petróleo para el transporte y la generación de electricidad son los dos mayores usuarios de energía primaria y productores de emisiones de carbono en Estados Unidos. El transporte depende casi por completo del petróleo y los motores de combustión interna para su energía. La concentración de petróleo en algunas regiones del mundo crea un problema de seguridad energética en el transporte. A diferencia de las emisiones de generación eléctrica, las emisiones de carbono del transporte son difíciles de capturar porque sus fuentes, los tubos de escape de los vehículos, son muchas y móviles. Los desafíos de la seguridad energética del petróleo y la captura de las emisiones de carbono de los vehículos motivan la búsqueda de un reemplazo de petróleo, como biocombustibles, electricidad o mayor eficiencia energética de los vehículos.
La Conversión de Biomasa en Biocombustibles
Los biocombustibles son combustibles elaborados a partir de biomasa. El ejemplo más conocido es el etanol, que puede fermentarse fácilmente a partir del jugo de caña de azúcar, como se hace en Brasil. El etanol también se puede fermentar a partir de almidón de maíz descompuesto (saccarificado), como se hace principalmente en Estados Unidos. Más recientemente, se han dedicado esfuerzos a fabricar biocombustibles de reemplazo de hidrocarburos llamados gasolina verde, diesel verde o combustible para aviones verdes. En este capítulo se discute la necesidad de biocombustibles, los tipos de biocombustibles que se pueden producir a partir de las diversas materias primas de biomasa disponibles, y las ventajas y desventajas de cada combustible y materia prima. También se revisan las diversas formas de producir biocombustibles.
La necesidad de combustibles renovables para el transporte
En petróleo crudo, carbón y gas natural (denominados colectivamente combustibles fósiles) nuestro planeta nos ha proporcionado fuentes de energía que han sido fáciles de obtener y convertir en combustibles y químicos útiles. Esa situación pronto cambiará, sin embargo, en unas pocas décadas para el crudo de petróleo y en unos pocos siglos para el carbón y el gas natural. Peak Oil se refiere al pico en la producción de petróleo que debe ocurrir a medida que se agota el crudo de petróleo. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{19}\), los principales descubrimientos del petróleo crudo ocurrieron antes de 1980.
Dado que el petróleo es cada vez más difícil de encontrar, ahora tenemos que obtenerlo de lugares menos accesibles como lejos bajo el océano, lo que ha provocado accidentes difíciles de reparar como el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en mayo de 2010. Un efecto adicional es el mayor costo de refinar el petróleo ya que proviene de lugares más remotos o en formas menos deseables como la “arena alquitranada” gruesa y rocosa o “arena de petróleo” que se encuentra en Canadá o Venezuela. En general, el uso del crudo de petróleo no puede exceder la cantidad de petróleo que se ha descubierto, y asumiendo que no hay grandes descubrimientos de petróleo por delante, la producción de petróleo a partir del crudo debe comenzar a disminuir. Algunos analistas piensan que este pico ya ha ocurrido.
Un aspecto adicional de la escasez de petróleo es la independencia energética. Estados Unidos actualmente importa cerca de dos tercios de su petróleo, lo que lo hace dependiente de la beneficencia de países que poseen grandes cantidades de petróleo. Estos países se muestran en la Figura\(\PageIndex{20}\), un mapa del mundo reescalado con la superficie de cada país proporcional a sus reservas de petróleo. Los países de Oriente Medio se encuentran entre los que tienen mayores reservas de petróleo. Con su economía y nivel de vida tan basado en crudo de petróleo importado es fácil ver por qué Estados Unidos está profundamente involucrado en la política de Oriente Medio. Cabe señalar que la cifra\(\PageIndex{19}\) corresponde a todo el mundo e incluso actualmente países ricos en petróleo como Arabia Saudita pronto experimentarán pico de petróleo.
Una segunda motivación importante para alejarse del crudo de petróleo es el cambio climático global. Si bien actualmente se está debatiendo la correlación de la concentración de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera con la temperatura global promedio, el aumento del CO2 en nuestra atmósfera que ha venido de quemar combustibles fósiles desde la revolución industrial es de aproximadamente 280 ppm a aproximadamente 390 ppm en la actualidad, y no se puede negar. Se necesitan fuentes de energía como la eólica, la solar, la nuclear y la biomasa que minimicen o eliminen la liberación de CO2 atmosférico. La biomasa se incluye en esta lista ya que el carbono que compone la fibra vegetal se toma de la atmósfera en el proceso de fotosíntesis. La quema de combustible derivado de la biomasa libera el CO2 de nuevo a la atmósfera, donde puede incorporarse nuevamente a la masa de la planta. La Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) de 2007 define un biocombustible avanzado como uno que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida (emisiones de todos los procesos involucrados en la obtención, refinación y finalmente quema del combustible) en 60% en relación con la línea base del crudo de petróleo de 2005.
Biocombustibles de Primera Generación
Los biocombustibles de primera generación se consideran comúnmente como etanol, ya que se produce en Brasil desde hace más de 30 años a partir de caña de azúcar, y biodiesel producido por descomponer, en un proceso llamado transesterificación, el aceite vegetal. Brasil puede cosechar eficientemente el jugo de su caña de azúcar y hacer etanol, que es competitivo en precio con la gasolina a costo por milla.
Ahí, si el costo del alcohol (como se le conoce coloquialmente) es inferior al 70% del costo de la gasolina, los tanques se llenan de etanol. Si el costo del alcohol es superior al 70% del costo de la gasolina, la gente se llena de gasolina ya que hay alrededor de un 30% de penalización en el kilometraje de gasolina con etanol. Esto se produce simplemente porque la estructura química del etanol tiene menos energía por volumen (alrededor de 76,000 BTU/galón o 5,100 kcal/litro) que la gasolina (115 BTU/galón o 7,600 kcal/litro) o el diesel (132,000 BTU/galón o 8,800 kcal/litro). El etanol de caña califica, según EISA 2007, como un biocombustible avanzado.
En Estados Unidos, por un costo de aproximadamente el doble que el del etanol derivado de caña, el almidón de maíz se sacarifica y se fermenta en etanol. El etanol se utiliza predominantemente como una mezcla oxigenada de alto octanaje al 10% para mejorar la combustión en motores de gasolina. La distribución del etanol como combustible flexible E85 (85% de etanol y 15% de gasolina) ha vacilado probablemente porque el precio, incluso con un subsidio federal de 50 centavos/galón, no compensa la disminución del 25 — 30% en el kilometraje del gas (ver Figura\(\PageIndex{21}\)).
El biodiesel de primera generación se elabora a través de la transesterificación catalizada base de aceites vegetales como la soja y la palma. La principal desventaja de los biocombustibles a base de aceite vegetal es el alto costo del aceite vegetal, debido a la relativamente poca cantidad de petróleo que se puede producir por acre de tierras agrícolas en comparación con otras fuentes de biocombustibles. El problema con la transesterificación es que produce un combustible relativamente alto en oxígeno, lo que a) hace que el biodiesel se vuelva turbio (parcialmente congelado) a temperatura relativamente alta, y hace que el biodiesel b) sea menos estable y c) menos denso en energía que el diesel derivado del petróleo.
El etanol de caña califica como un biocombustible avanzado, ya que su producción disminuye las emisiones de gases de efecto invernadero más de 60% en relación con la línea base de petróleo de 2005 (según EISA 2007). El etanol de maíz está lejos de esta eficiencia energética. Sin embargo, el etanol hecho de lignocelulosa —la parte no alimentaria de las plantas— se acerca, con una reducción del 50%. Esto nos lleva a la segunda generación de biocombustibles.
Biocombustibles de segunda generación
Los biocombustibles de segunda generación se muestran en la Figura\(\PageIndex{22}\). Anticipándose al debate “comida versus combustible”, EISA 2007 colocó un tope a la producción de etanol de maíz (a 15 mil millones de galones al año, cerca de lo que ahora se produce), con el grueso de los biocombustibles para derivar de residuos agrícolas como el rastrojo de maíz (las partes de la planta de maíz sobrantes de las mazorcas de maíz — el tallo y las hojas) y paja de trigo, desechos forestales (recortes de madera) y cultivos energéticos como pasto y álamo de rotación corta que pueden cultivarse en tierras de cultivo abandonadas o marginales con riego y fertilización mínimos. Un estudio del Departamento de Agricultura de Estados Unidos encargado en 2005 llamado el Estudio Billion Ton estimó que aproximadamente mil millones de toneladas anuales de biomasa podrían producirse de manera sostenible en Estados Unidos cada año; la energía en esta biomasa equivale a la cantidad de petróleo que importamos. Si la energía contenida en esta biomasa se puede recuperar con una eficiencia del 50 por ciento, podemos reemplazar la mitad de nuestro petróleo importado por biocombustibles de producción nacional.
Colectivamente denominado “lignocelulosa”, este material consta de tres componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina. Se requieren pretratamientos químicos o biológicos para separar las biomasas enteras en estas fracciones. La hemicelulosa y la celulosa, con las enzimas o ácidos inorgánicos apropiados, se pueden deconstruir en azúcares simples y los azúcares fermentados en etanol, o con algunas cepas más nuevas de microbios, en butanol. El butanol tiene sólo un 10% menos de densidad energética que la gasolina. La fracción de lignina de la biomasa es la más resistente a la deconstrucción por medios biológicos o químicos y a menudo se quema para recuperación de calor o energía.
Al mismo tiempo, la atención se volvió hacia el etanol celulósico, las empresas de refinación de petróleo se pusieron a punto de mejorar Se utilizó un proceso de refinación de petróleo llamado hidrotratamiento para mejorar el aceite vegetal. En este proceso, el aceite reacciona con hidrógeno en presencia de catalizadores inorgánicos, y el aceite vegetal se convierte en un “diesel verde” y combustible para aviones de mucha mayor calidad, libre de oxígeno. Este tipo de biocombustible es de hecho una “caída en el reemplazo” del diesel derivado del petróleo y el combustible para aviones y supera todas las estrictas regulaciones exigidas por las industrias automotriz y de defensa. Ha sido probado en una serie de aviones comerciales y militares.
En la Figura Rutas a los Biocombustibles Avanzados se muestran las diversas rutas para sustituir los biocombustibles hidrocarbonados. En el lado izquierdo de la figura, las materias primas se ordenan en relación con su abundancia y costo. La materia prima más abundante y, por lo tanto, más barata es la lignocelulosa de fuentes como residuos agrícolas, desechos forestales y cultivos energéticos como pasto de cambio y álamo de rotación corta. De menor abundancia y mayor gasto son los azúcares y almidones — maíz y caña de azúcar. En la parte inferior se muestran los biocombustibles menos abundantes y más caros, materias primas basadas en lípidos a partir de aceite vegetal o grasa animal. Se están realizando esfuerzos para producir en masa algas cargadas de petróleo. Los aceites recolectados de algas son relativamente fáciles de convertir en biocombustibles hidrocarbonados, mediante el uso de procesamiento similar al hidrotratamiento. El conjunto principal de problemas asociados con las algas radica en su producción en masa. Las materias primas de algas son fáciles de convertir en hidrocarburos, pero las algas en sí mismas son difíciles de producir en masa, mientras que la lignocelulosa es muy abundante pero más difícil de convertir en hidrocarburos.
Dos de las rutas a los biocombustibles hidrocarbonados compiten directamente con la fermentación de azúcares a etanol. Los mismos azúcares pueden ser tratados con catalizadores inorgánicos, a través de las vías de procesamiento en fase líquida azul vistas en el centro de la Figura\(\PageIndex{23}\), o con rutas microbianas para producir hidrocarburos como producto de fermentación (rutas rosadas). Los microbios son ejemplos de biocatalizadores; las enzimas dentro del microbio actúan básicamente de la misma manera que los catalizadores inorgánicos actúan en soluciones inorgánicas. El campo de investigación en el que se diseñan enzimas para alterar las vías de reacción biológica se llama biología sintética.
En la Figura se muestra un diagrama de flujo de un conjunto catalítico inorgánico de procesos a biocombustibles de hidrocarburos, de una empresa líder en biocombustibles (Virent Energy Systems of Madison, Wisconsin)\(\PageIndex{24}\). Tanto los procesos catalíticos biocatalíticos como los inorgánicos implican una separación intrínseca del producto hidrocarbonado del agua, lo que elimina la etapa de destilación intensiva de energía necesaria para los combustibles alcohólicos. Para la vía microbiana el beneficio agregado de esta autoseparación es que los microbios no son envenenados por la acumulación de producto como ocurre en la fermentación a alcohol.
Otras dos rutas principales a los biocombustibles hidrocarbonados se observan en la sección superior de la Figura\(\PageIndex{23}\): gasificación y pirólisis. Una ventaja de ambas rutas es que procesan biomasa entera, incluida la fracción de lignina rica en energía de la misma. La gasificación produce una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno llamada gas de síntesis, que puede convertirse en combustibles hidrocarbonados por varias rutas catalíticas actualmente comercializadas, incluyendo la síntesis de Fischer-Tropsch y metanol-a-gasolina. El reto con la biomasa es hacer estos procesos económicamente viables a pequeña escala. El segundo proceso es la pirólisis, que produce un intermedio de tipo crudo llamado aceite de pirólisis o bio-aceite. Este intermedio debe ser tratado adicionalmente para eliminar el oxígeno; una vez hecho esto se puede insertar en una refinería de petróleo existente para su posterior procesamiento.
Resumen
Las motivaciones para los biocombustibles de hidrocarburos son la independencia energética y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Los primeros biocombustibles renovables fueron el biodiesel y el bioetanol. Con catálisis inorgánica y biología sintética, estos han sido suplantados con gasolina de reemplazo directo, diesel y combustibles para aviones. Estos pueden fabricarse en los Estados Unidos de varias maneras a partir de materias primas lignocelulósicas producidas de manera sostenible actualmente disponibles, tales como rastrojo de maíz, astillas de madera y pasto eléctrico, y en el futuro, a partir de algas producidas en masa. Es demasiado pronto para decir qué método de producción prevalecerá, si en realidad uno lo hace. Algunos procesos podrían terminar siendo particularmente ventajosos para una materia prima particular, como la madera o el pasto eléctrico. Lo que sí sabemos es que hay que hacer algo; nuestro suministro de petróleo económico y de fácil acceso se está agotando. Los biocombustibles serán una gran parte de la independencia energética a largo plazo del país. Actualmente se está llevando a cabo una gran cantidad de investigaciones científicas y de ingeniería; es un momento emocionante para los biocombustibles.
Calefacción y refrigeración geotérmica
Con el suministro limitado de combustibles fósiles en las próximas décadas y la creciente conciencia de las preocupaciones ambientales relacionadas con la combustión de combustibles fósiles, las fuentes alternativas de energía como la geotérmica son cada vez más atractivas. La energía geotérmica es la energía que proviene de la tierra. En esta sección describimos los principios básicos de los sistemas de energía geotérmica y los ahorros de energía que pueden derivarse de su uso.
La bomba de calor
La clave para entender un sistema de energía geotérmica es la bomba de calor. Normalmente el calor va de un área caliente a una zona fría, pero una bomba de calor es un dispositivo que permite que el calor se transfiera de una temperatura más baja a una temperatura más alta con un consumo mínimo de energía (ver Figura\(\PageIndex{25}\)). El vapor condensado en una bomba de calor geotérmica proporcionará así calor a una temperatura mucho más alta al área que se está calentando que la fuente de calor original. Finalmente se usa un acelerador, similar a un grifo de agua en casa, para bajar la presión (Ver Válvula de Expansión en la Figura\(\PageIndex{26}\)) para completar el ciclo del sistema cerrado, que luego se repite. Al cambiar la dirección de la bomba de calor, el sistema geotérmico también se puede utilizar para enfriar.
Calefacción y refrigeración geotérmica
Los sistemas geotérmicos son adecuados para ubicaciones con rangos de temperatura algo extremos. Las áreas con rangos de temperatura moderados (por ejemplo, algunas áreas de California) pueden usar bombas de calor ordinarias con ahorros de energía similares al agregar o eliminar calor a/del aire exterior directamente. Las áreas que experimentan temperaturas algo extremas (por ejemplo, el Medio Oeste y la Costa Este) son lugares de destino ideales para sistemas geotérmicos. Para regiones con climas moderados, como muchas partes de la costa sur o oeste, las bombas de calor convencionales, que intercambian energía generalmente con el aire exterior, aún se pueden usar con ahorros de energía similares. Las bombas de calor geotérmicas (GHP) utilizan las temperaturas casi constantes (7°C a 8°C, o 45°F a 48°F) del suelo debajo de la línea de escarcha como fuente de energía para proporcionar calefacción y enfriamiento eficientes durante todo el año. El costo de instalación de los GHP es mayor que los sistemas convencionales debido a los gastos adicionales de perforación y excavación, pero el costo agregado se compensa rápidamente por la mayor eficiencia de los GHP. Es posible obtener hasta un 50 por ciento de ahorro con respecto a los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración (ver Figura\(\PageIndex{26}\)), lo que permite recuperar, en promedio, los costos de capital adicionales de la instalación en menos de 5 años. Los GHP tienen una vida útil promedio de más de 30 años, lo que deja 25 años o más de ahorro de calefacción/refrigeración para quienes estén dispuestos a hacer la inversión. Además, los GHP son eficientes en el espacio y, debido a que contienen menos componentes móviles, también tienen menores costos de mantenimiento.
Tipos de Sistemas Geotérmicos
Existen dos tipos principales de sistemas geotérmicos: en sistemas terrestres y de estanques. En tierra los sistemas geotérmicos pueden ser verticales y horizontales como se muestra en la Figura\(\PageIndex{27}\). El costo de excavación de los sistemas verticales es generalmente mayor y requieren más superficie de tierra para su instalación, lo que generalmente no es una opción en ubicaciones urbanas. Aparte de los costos de excavación, los GHP verticales y horizontales tienen eficiencias similares ya que la temperatura del suelo por debajo de la línea de escarcha es esencialmente constante.
Los sistemas geotérmicos de estanque son generalmente preferibles si hay agua disponible en las cercanías a temperatura casi constante durante todo el año. Estos sistemas son especialmente adecuados para unidades industriales (por ejemplo, refinerías de petróleo) con instalaciones de tratamiento de agua para tratar el agua procesada antes de que se descargue. La temperatura del agua tratada de estas instalaciones es esencialmente constante durante todo el año y es un lugar ideal para un sistema de estanques. Los sistemas geotérmicos de estanque se construyen con bucles abiertos o bucles cerrados (ver Figura\(\PageIndex{28}\)). Los sistemas de circuito abierto realmente eliminan el agua del estanque, mientras que los sistemas de circuito cerrado solo eliminan la energía en forma de calor del agua del estanque. Por supuesto, en sistema de estanque abierto esta agua vuelve a ser devuelta al estanque, aunque a una temperatura más baja cuando se usa para calentar.
Ecotermia de Sistemas Geotérmicos
Como se indicó anteriormente, dependiendo del tipo de sistema, el costo de capital e instalación de un sistema geotérmico es aproximadamente el doble del costo de un sistema tradicional de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Sin embargo, tanto los costos de operación como de mantenimiento son mucho menores y el cambio de calefacción a enfriamiento es fácil. Una parcela típica de retorno de inversión (ROI) para un sistema geotérmico terrestre para un edificio de varias unidades es favorable (ver\(\PageIndex{29}\)). Un sistema geotérmico que contaba con 500.000 dólares adicionales en costos de capital pero menores costos de operación y mantenimiento permitió recuperar el costo agregado en 5 a 8 años. Dado que la vida útil promedio de un sistema geotérmico es de al menos 30 años, los ahorros a lo largo de la vida útil del sistema pueden ser sustanciales. La eficiencia de los sistemas geotérmicos terrestres es bastante constante ya que no hay grandes variaciones en la temperatura del suelo. La eficiencia para los sistemas de estanques sería, en general, mucho mayor a la que se muestra en la Figura\(\PageIndex{29}\) si, durante los meses de invierno, la temperatura del agua del estanque es superior a las temperaturas típicas del suelo por debajo de la línea de escarcha (7 ° C - 8° C, o 44 ° F - 48 ° F) porque la eficiencia de las bombas de calor aumenta con una mayor temperatura de la fuente de calor. Otra razón para una mayor eficiencia de los sistemas de estanques es la tasa de transferencia de calor mucho mayor entre un fluido y la superficie exterior de las tuberías geotérmicas, especialmente si el agua fluye.
Aumento de la eficiencia de los sistemas geotérmicos
Varias estrategias están disponibles para aumentar la eficiencia de los sistemas geotérmicos. Una de las posibilidades más prometedoras es usarlo junto con materiales de cambio de fase (PCM) (ver también Módulo 10.6), particularmente para manejar cargas máximas de consumo de energía. Los materiales de cambio de fase son materiales que pueden absorber y entregar cantidades mucho mayores de energía en comparación con los materiales de construcción típicos. El costo de los sistemas geotérmicos a diferencia de otros sistemas HVAC aumenta casi linealmente con el tamaño del sistema (aproximadamente $1000/ton). Por lo tanto, la construcción de sistemas más grandes para tener en cuenta las cargas máximas puede aumentar significativamente tanto los costos de capital como de instalación. PCM se puede incorporar en los cuatro sistemas geotérmicos descritos anteriormente. El mejor enfoque es incorporar PCMs con sistemas geotérmicos para aplicaciones en sistemas con requerimientos energéticos no uniformes, o sistemas con oscilaciones cortas pero significativas y picos en las necesidades energéticas. Por ejemplo, los diseñadores pueden incluir sistemas de calentamiento por fusión de nieve para plataformas de trenes o pueden construir un depósito de energía amortiguadora usando PCM para satisfacer las necesidades máximas de enfriamiento en una calurosa tarde de verano. Las ventajas en la primera aplicación serían evitar el funcionamiento del sistema geotérmico para cargas térmicas a bajas temperaturas durante periodos prolongados, lo que no sería tan eficiente energéticamente y requeriría sistemas especialmente diseñados.
El uso de materiales de cambio de fase permite el uso de sistemas geotérmicos estándar, que luego almacenarían energía en una unidad PCM para suministrar calor a una temperatura constante y a una tasa de calor uniforme para, por ejemplo, derretir la nieve en las plataformas del tren. Una vez que la energía en el PCM está casi utilizada, el sistema geotérmico realimentaría el almacenamiento PCM. Las necesidades de energía adicionales para los períodos pico podrían almacenarse en Tanques de Almacenamiento PCM y luego usarse para atender dichas necesidades. Por ejemplo, en un caluroso día de verano, la unidad PCM se puede utilizar para eliminar calor adicional por encima de la capacidad diseñada del sistema geotérmico durante los picos de temperatura, que generalmente duran solo unas horas. Esto luego reduce la carga en el sistema geotérmico durante las horas pico cuando el costo de la electricidad es generalmente el más alto.
Los tanques de almacenamiento PCM reducen significativamente el costo general del sistema de bomba de calor geotérmica, ya que no tiene que diseñarse para satisfacer las necesidades máximas de calefacción/enfriamiento. Además, también cambia las cargas de energía de las horas pico a las horas no pico. La figura\(\PageIndex{30}\) muestra las variaciones de temperatura para un día típico de verano en julio de 2010 en Chicago. La temperatura alta de 90 grados duró sólo por un corto periodo de alrededor de 4 horas, para luego retornar a menos de 85 grados rápidamente. Estos picos de temperatura relativamente cortos pueden ser manejados fácilmente por PCM.
En conclusión, las bombas de calor geotérmicas son una fuente de energía sustentable muy atractiva y rentable tanto para calefacción como para refrigeración con una mínima impresión de carbono. Se trata de una tecnología bien desarrollada que se puede incorporar fácilmente a edificios residenciales y comerciales, ya sea en la etapa de diseño o mediante la modernización de edificios.
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Preguntas de revisión
- La electricidad es el portador de energía de más rápido crecimiento en el mundo, arrastrado por combustibles líquidos para el transporte. ¿Por qué la electricidad es más atractiva que los combustibles líquidos?
- Un desafío principal para la red eléctrica es la capacidad de manejar el “cuello de botella de energía urbana” en ciudades y suburbios. ¿Cómo pueden los cables superconductores abordar los problemas de capacidad urbana?
- La energía eólica renovable y la energía solar abundan en Estados Unidos, pero se encuentran a distancia de centros de alta población y su producción es variable en el tiempo. ¿Cómo se pueden abordar estos dos temas?
- El suministro eléctrico de Estados Unidos es proporcionado principalmente por carbón, gas natural, energía nuclear e hidroeléctrica. ¿Qué tan seguros son estos suministros de combustible ante interrupciones por desastres internacionales, eventos climáticos o tensiones geopolíticas?
- Las reservas de gas natural de esquisto están aumentando rápidamente debido al mayor uso de la tecnología de hidrofracturación (“fracking”). El aumento del recurso interno del gas de esquisto tiene el potencial de brindar una mayor seguridad energética a expensas de un mayor impacto ambiental. ¿Cuáles son los costos, beneficios y perspectivas a largo plazo para aprovechar las reservas nacionales de gas de esquisto?
- Las emisiones antropogénicas de carbono son pequeñas en comparación con el intercambio natural entre el océano y la atmósfera y los flujos de vegetación y uso del suelo. ¿Por qué las emisiones antropogénicas tienen un efecto tan grande en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera?
- Una propuesta para mitigar las emisiones de carbono es capturarlas y almacenarlas en formaciones geológicas subterráneas (secuestro). ¿Qué desafíos científicos, tecnológicos y políticos deben superarse antes de que el secuestro pueda desplegarse ampliamente?
- La electricidad nuclear entró en escena notablemente rápidamente después del final de la Segunda Guerra Mundial, y su desarrollo se estancó rápidamente tras los accidentes de Three Mile Island y Chernobyl. El desastre de Fukushima de 2011 agrega una tercera nota de precaución. ¿Qué condiciones deben cumplirse para que el mundo experimente una expansión de la electricidad nuclear, a menudo llamada renacimiento nuclear?
- El combustible nuclear puede usarse una vez y comprometerse a almacenarlo o reprocesarse después de su uso inicial para recuperar el combustible nuclear no utilizado para su reutilización. ¿Cuáles son los argumentos a favor y en contra del reprocesamiento?
- El almacenamiento de combustible nuclear gastado durante decenas a cientos de miles de años es un importante desafío de sustentabilidad para la electricidad nuclear. Se ha detenido el desarrollo de las instalaciones de almacenamiento de Yucca Mountain. ¿Cuáles son algunas de las alternativas para almacenar combustible nuclear gastado en el futuro?
- ¿Qué acontecimientos ocurridos en los años 70 y finales de los noventa motivaron el interés moderno por las energías renovables?
- La energía renovable a menudo se divide en solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, geotérmica, ola y marea. ¿Cuáles son las fuentes definitivas de cada una de estas energías renovables? ¿Cuál es la fuente definitiva de combustible fósil y por qué no se clasifica como renovable?
- La energía renovable tiene el potencial técnico para abastecer las necesidades globales de electricidad en 2050. ¿Qué factores determinan si la energía renovable se desplegará realmente para satisfacer esta necesidad? ¿Cómo se pueden tomar en cuenta incógnitas, como la tasa de avances tecnológicos y económicos, las conexiones económicas, intelectuales y sociales entre los países, y la importancia relativa de las agendas ambientales y sociales para determinar el rumbo del despliegue de las energías renovables?
- La aceptación pública es un factor clave en el crecimiento de las opciones de energía renovable. ¿Cuál es la aceptación pública de diversas opciones energéticas y cómo podrían cambiar estas en las próximas décadas?
- La dependencia casi exclusiva del sistema de transporte de los combustibles líquidos convierte al petróleo en un bien esencial para el funcionamiento ordenado de muchas sociedades. ¿Cuáles son algunas alternativas al petróleo como combustible de transporte?
- Hay muchas razones para reducir el consumo de petróleo, incluyendo un suministro finito en última instancia, el alto costo y el estímulo económico perdido de los pagos a productores extranjeros, la amenaza de interrupción del suministro debido al clima, desastre natural, terrorismo o decisiones geopolíticas, y la amenaza del cambio climático debido a emisiones de gases de efecto invernadero. ¿Cuáles de estas razones son las más importantes? ¿Su importancia relativa cambiará con el tiempo?
- El sistema de transporte cambia lentamente, regido por la vida útil de la flota de vehículos. Comparar el tiempo requerido para el cambio en el sistema de transporte con la escala temporal de los ciclos económicos, el horizonte de ganancias de los negocios, el horizonte político de los funcionarios electos y el tiempo requerido para desarrollar nuevas tecnologías de transporte como los autos eléctricos o los biocombustibles. ¿Qué retos presentan estas escalas de tiempo para cambiar el sistema de transporte?
- ¿Cuáles son las ventajas potenciales de los biocombustibles hidrocarbonados sobre los biocombustibles alcohólicos?
- ¿Cómo podrían usarse los biocombustibles con otras formas alternativas de energía para ayudar a Estados Unidos a independizarse de la energía?
- ¿En qué principio funciona una bomba de calor geotérmica?
- ¿Qué lo hace más rentable que la calefacción eléctrica o los hornos convencionales?
- ¿Las bombas de calor geotérmicas son adecuadas para climas moderados (por ejemplo, Miami, FL)? ¿Son los hornos eléctricos o de gas convencionales las únicas opciones en estas áreas?
Glosario
Portador de energía
Un medio, como la electricidad, la gasolina o el hidrógeno, que puede mover energía de un lugar a otro, generalmente desde el punto de producción (por ejemplo, un generador eléctrico o refinería de petróleo) hasta el punto de uso (por ejemplo, una luz o motor eléctrico o un motor de gasolina).
Biocatálisis
Catálisis conducida por enzimas — catálisis dentro del cuerpo, por ejemplo.
Densidad Energética
La cantidad de energía contenida en un volumen dado (digamos un tanque de gas). Cuanto mayor sea la densidad de energía de un combustible, más lejos irá el automóvil en un tanque del combustible.
Fermentación
La conversión de azúcares en alcoholes o hidrocarburos por microbios.
Síntesis de Fischer-Tropsch
La reacción catalítica inorgánica entre CO y H 2 (gas de síntesis), que produce diesel y combustible para aviones.
Gasificación
La conversión de biomasa a temperatura muy alta (1000 — 1200°C) en una atmósfera de oxígeno que da como resultado un intermedio de “gas de síntesis”, una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H 2).
Hidrotratamiento
Reacción en presencia de hidrógeno.
Compatible con Infraestructura
Compatible con oleoductos existentes, tanques de almacenamiento, refinerías de petróleo y motores de combustión interna.
Catálisis Inorgánica
Materiales sólidos e inorgánicos como nanopartículas de platino depositadas sobre carbón activado, que aceleran la velocidad de las reacciones químicas sin ser consumidas en el proceso.
Lignocelulosa
La porción no alimenticia de las plantas como los tallos y hojas de las plantas de maíz (rastrojo de maíz).
Peak Oil
El pico en la producción mundial de petróleo que debe darse a medida que el consumo de petróleo supera el descubrimiento de nuevo petróleo
Pirólisis
La conversión de biomasa a temperatura moderadamente alta (500 — 800°C) en una atmósfera inerte que resulta en un intermedio “bio-oil”.
Biología Sintética
El campo de la biología en el que se diseñan microbios para controlar las vías metabólicas.
Transesterificación
La reacción catalizada base del aceite vegetal con metanol rompe el aceite en largas cadenas de ácidos grasos, las cuales pueden ser utilizadas como un combustible diesel de baja calidad.
Energía geotérmica
Energía de la tierra.
Bomba de calor
Un dispositivo que permite eliminar el calor a una temperatura más baja y suministrarlo a una temperatura más alta, por ejemplo un acondicionador de aire.
Sistemas de Calor, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC)
Sistemas como hornos y aires acondicionados que se utilizan comúnmente en hogares y edificios comerciales.
Materiales de cambio de fase
Materiales que pueden absorber y entregar mayor cantidad de calor que los materiales de construcción comunes porque pueden cambiar su estado (sólido o líquido).