1.6: Energía Sustentable- Lejos del Sol y de Vuelta

Como se discute con más detalle en el Capítulo 15, la clave de la sustentabilidad es la energía abundante y ambientalmente segura. La evolución de la utilización de la energía por parte de la humanidad se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Hasta hace muy poco en la historia de la humanidad hemos dependido del sol para satisfacer nuestras necesidades energéticas. El sol ha mantenido la mayor parte de la masa terrestre de la Tierra a una temperatura que permite que exista la vida humana. La radiación solar ha proporcionado la energía para la fotosíntesis para convertir el dióxido de carbono atmosférico en biomasa vegetal, proporcionando a los humanos alimentos, fibra y madera empleados para la construcción de viviendas y combustible. Los animales que se alimentaban de esta biomasa proporcionaban carne para alimento y pieles y lana que los humanos usaban para la ropa. Finalmente, los humanos desarrollaron medios de uso indirecto de la energía solar. Esto fue especialmente cierto en el caso del viento impulsado por el calentamiento solar de las masas de aire y utilizado para propulsar embarcaciones de vela y eventualmente para alimentar molinos de viento empleados para la energía. El ciclo hidrológico alimentado por energía solar proporcionó agua corriente, cuya energía fue aprovechada por ruedas de agua. Prácticamente todas las necesidades de la vida provinieron de la utilización de la energía solar.

La breve era de los combustibles fósiles

Data de alrededor de 1800, la humanidad comenzó a explotar los combustibles fósiles para sus necesidades energéticas. Inicialmente, el carbón se quemaba para calefacción y para alimentar máquinas de vapor de nuevo desarrollo para la energía mecánica utilizada en la fabricación y locomotoras de vapor. Después de aproximadamente 1900 el petróleo se desarrolló rápidamente como fuente de combustible y, con el desarrollo del motor de combustión interna, se convirtió en la fuente de energía de elección para las necesidades de transporte. Algo más tarde el gas natural se desarrolló como fuente de energía. El resultado fue un cambio masivo de fuentes de energía solar y de biomasa a combustibles fósiles. La utilización de materiales fósiles a base de carbono resultó en una revolución que fue mucho más allá de la utilización de energía. Un ejemplo importante fue la invención por Carl Bosch y Fritz Haber en Alemania a principios del siglo XX, de un proceso para convertir nitrógeno elemental atmosférico de aire a amoníaco, NH ₃ mediante la reacción de N ₂ con H ₂. Este proceso de alta presión y alta temperatura requirió grandes cantidades de combustible fósil para proporcionar energía y reaccionar con vapor para producir hidrógeno elemental. El descubrimiento de la fijación de nitrógeno sintético permitió la producción de grandes cantidades de fertilizantes nitrogenados relativamente económicos y el aumento resultante en la producción agrícola bien pudo haber salvado a Europa, con una población en rápido desarrollo en ese momento, de la inanición generalizada. (También permitió la síntesis fácil de grandes cantidades de explosivos a base de nitrógeno que mataron a millones de personas en la Primera Guerra Mundial y conflictos posteriores). El combustible fósil, que ha sido descrito como “sol fosilizado” ⁷, resultó en una era de prosperidad material sin precedentes y un aumento de la población humana de alrededor de mil millones a más de 6 mil millones.

Figura\(\PageIndex{1}\), Evolución del uso de energía de fuentes solares y de biomasa a través de la breve pero espectacular era de los combustibles fósiles y hacia fuentes renovables de energía solar

Para el año 2000 se había hecho evidente que la era de los combustibles fósiles no era sustentable. Una razón es que el combustible fósil es un recurso agotador que no puede durar indefinidamente como principal fuente de energía para la sociedad industrial a la que ha conducido. Aproximadamente la mitad del recurso petrolero total del mundo ya se ha consumido por lo que el petróleo seguirá haciéndose más escaso y costoso y puede durar solo unas pocas décadas más como materia prima dominante de combustibles y químicos orgánicos. El carbón es mucho más abundante, pero su utilización lleva a la segunda razón por la que la era de los combustibles fósiles debe terminar porque es la principal fuente de dióxido de carbono atmosférico antropogénico, niveles muy elevados de los cuales seguramente conducirá al calentamiento global y al cambio climático masivo. El gas natural (metano, CH ₄) es un combustible fósil ideal de combustión limpia que produce la menor cantidad de dióxido de carbono por unidad de energía generada. La rápida expansión de nuevos descubrimientos de gas natural en gran parte a partir de formaciones de esquisto apretado anteriormente inaccesibles significa que puede servir como un “combustible puente” durante varias décadas hasta que se puedan desarrollar otras fuentes. La energía nuclear, utilizada adecuadamente con el reprocesamiento de combustible nuclear, puede asumir una mayor parte de la producción de energía, especialmente para la generación de electricidad de carga base. Pero claramente deben ocurrir cambios drásticos en las formas en que se obtiene y utiliza la energía.

Regreso al Sol

Con el cierre de la breve pero espectacular era de los hidrocarburos fósiles, la historia de la humanidad y su relación con el Planeta Tierra se está convirtiendo en una de “del sol a los combustibles fósiles y de regreso” a medida que la humanidad regresa al sol como fuente dominante de energía y energía fotosintética para convertir la atmósfera dióxido de carbono a biomasa materias primas. Además de los usos directos para la calefacción solar y para la generación de energía fotovoltaica, existe un enorme potencial para utilizar el sol para la producción de energía y material. Podría decirse que la fuente de energía de más rápido crecimiento en el mundo es la electricidad generada por el viento. El viento se produce cuando el sol calienta masas de aire haciendo que el aire se expanda. Una vez que la fuente dominante de energía y materiales, la biomasa producida por la fotosíntesis alimentada por energía solar está comenzando a vivir a la altura de su potencial como fuente de materias primas para reemplazar el petróleo en la fabricación de petroquímicos y de energía en combustibles sintéticos (ver Capítulo 14, “Capítulo 14 Alimentando a la antrosfera: Utilización Materiales Renovables y Biológicos” y Capítulo 15, “Energía Sustentable: La Base Esencial de los Sistemas Sustentables”). La biomasa sigue evolucionando como una fuente práctica de combustibles líquidos. Los dos principales de estos son la fermentación para producir etanol y la síntesis de combustible biodiesel elaborado a partir de aceites lipídicos vegetales. Desafortunadamente, aunque el etanol hecho de azúcar derivado de la caña de azúcar que crece prolíficamente en algunas áreas como Brasil es un sustituto económico de la gasolina, la ganancia neta de energía del etanol derivado de la maicena se basa en el grano, la parte más valiosa de la planta que de otra manera se usa para alimentos y animales alimentar; la ganancia neta de energía es marginal. La economía de producir combustible biodiesel sintético a partir de fuentes como la soja puede ser algo mejor. Sin embargo, la producción de este combustible a partir de palmeras de aceite en países como Malasia está resultando en la destrucción de las selvas tropicales y la desviación del aceite de palma del suministro de alimentos.

Existen medios prácticos para utilizar la biomasa para obtener energía y materiales sin interrumpir seriamente el suministro de alimentos. Podría decirse que la mejor manera de hacerlo es convertir termoquímicamente la biomasa en gas de síntesis, una mezcla de CO y H ₂ que puede combinarse químicamente por rutas sintéticas establecidas desde hace mucho tiempo para producir metano, hidrocarburos de moléculas más grandes, alcoholes y otros productos (ver Capítulo 15). La principal vía para hacerlo es utilizar biomasa procedente de biofuentes renovables no alimentarias, que incluyen subproductos de cultivos (paja de trigo, paja de arroz, tallos de maíz producidos en excedentes durante la producción de grano) y cultivos dedicados entre los que se encuentran los álamos híbridos altamente productivos y el aserrado. Las algas microscópicas son especialmente prometedoras como fuente de biomasa debido a su productividad mucho mayor que las plantas terrestres, su capacidad para crecer en agua salobre (algo salina) en contenedores en áreas desérticas y su capacidad para utilizar aguas residuales como fuente de nutrientes. Cuando se utiliza biomasa para producir gas de síntesis, los nutrientes esenciales, especialmente el potasio y el fósforo, pueden ser recuperados de los residuos de biomasa y utilizados como material fertilizante para promover el crecimiento de biomasa adicional.

Los futuros descubrimientos científicos y avances tecnológicos jugarán un papel clave en el logro de la sustentabilidad energética. Tres áreas en las que se necesitan avances a nivel Nobel en el logro de la sustentabilidad energética fueron expresadas en una entrevista de febrero de 2009 por el Dr. Steven Chu, físico ganador del Premio Nobel que acababa de ser nombrado Secretario de Energía en la nueva administración del presidente estadounidense Barack Obama. El primero de ellos es en la energía solar en la que la eficiencia de la captura de energía solar y la conversión a electricidad necesitaba mejorar varias veces. Una segunda área de necesidad es contar con baterías eléctricas mejoradas para almacenar la energía eléctrica generada por medios renovables y permitir prácticas gamas de manejo en vehículos eléctricos. Una tercera área que necesita un salto cuántico es para cultivos mejorados capaces de convertir la energía solar en energía química en biomasa por fotosíntesis a eficiencias mucho mayores que los niveles actuales de menos del 1% logrados por muchos cultivos. En este caso el potencial de mejora es enorme porque la mayoría de las plantas convierten menos del 1% de la energía solar que cae sobre ellas en energía química a través de la fotosíntesis. A través de la ingeniería genética, es probable que esta eficiencia pueda mejorarse varias veces, lo que lleva a un aumento considerable de la generación de biomasa. Claramente, el logro de la sustentabilidad empleando desarrollos científicos de alto nivel será un desarrollo emocionante en las próximas décadas