Fomentar medidas de ahorro y eficiencia energética es necesario para modificar el modelo energético actual

En España, en el Plan de Fomento de las Energías Renovables se pretende que el 20% de la energía que se genere en España en el 2020 sea de origen renovable. Para conseguir un desarrollo energético sostenible, basado en el uso de las energías renovables y en el fomento de medidas de ahorro y eficiencia energética es necesario modificar el modelo energético actual. Un modelo basado en el uso masivo de combustibles fósiles que puede provocar importantes alteraciones en el clima actual debido a las alteraciones que se pueden producir en el medio ambiente por la ineficiencia de los sistemas de producción de energía útil. Francisco Serrano Casares (Universidad de Málaga), “El reto energético. Energía y desarrollo,” Boletín de la Academia Malagueña de Ciencias VII: 15-25, 2008. Permitidme unos extractos.

La estructura fundamental de nuestro esquema energético, base del actual desarrollo económico, está cimentada en la simbiosis tecnológica entre los motores térmicos y los generadores eléctricos para producir a gran escala un vector energético, la electricidad, que nos permite alimentar a las máquinas eléctricas motoras, generar calor y producir luz. Sólo sabemos obtener calor mediante tres métodos: la combustión química (calor o movimiento), la reacción nuclear (calor) y la irradiación solar (calor o electricidad). Esto constituye lo que se considera el paradigma tecnológico-científico de nuestro esquema energético: el binomio máquina térmica-máquina eléctrica. Esta estructura energética resenta una serie de problemas: (1) el bajo rendimiento de las transformaciones energéticas que tienen lugar en los motores térmicos; (2) las elevadas cantidades de gases perniciosos emitidos por los combustibles fósiles, usados mayoritariamente en los motores térmicos; y (3) la posibilidad de agotamiento de los combustibles fósiles. Hay que plantear un nuevo modelo de desarrollo energético más sostenible, asentado en tres pilares: (1) desarrollo de las energías renovables; (2) políticas de ahorro y eficiencia energética; y (3) tecnologías energéticas avanzadas (los ciclos combinados con gas, la cogeneración, la tecnología del hidrógeno, la fusión nuclear, etc.).

Las energías renovables son aquellas que se producen de manera natural y de forma continua a partir de fuentes que la Naturaleza nos ha dado. Presentan ventajas medioambientales (no producen emisiones contaminantes, no generan residuos importantes, son inagotables), estratégicas (son autóctonas, evitan la dependencia exterior) y sociales (creación de empleo, contribuyen al equilibrio interterritorial, son autóctonas). Enfrente, las fuentes de energía tradicionales son contaminantes, agotables y están distribuidas muy irregularmente. Se consideran energías renovables las siguientes: (1) la energía hidráulica (procedente de los saltos de agua); (2) la energía geotérmica (procedente del interior de la tierra); (3) a energía del mar (procedente de las olas y de las mareas y la que se obtiene de las diferencias de temperatura entre las aguas superficiales y las profundas); (4)  la energía solar térmica y fotovoltaica; (5) la energía eólica; y (6) la energía de la biomasa.

El principal inconveniente de las energías renovables, dentro de la red de generación de energía eléctrica a escala mundial, ha sido la discontinuidad en la generación y suministro (gestionabilidad); la excepción que confirma la regla son la biomasa o los biocombustibles. La solución a buscar ha sido siempre la de encontrar una forma de almacenar temporalmente, y de forma eficiente, la energía, con el objeto de desacoplar la citada discontinuidad en la producción propia del suministro. La introducción del hidrógeno como sistema de almacenamiento a gran escala, permitirá desacoplar la producción de energía renovable de la demanda de electricidad, disminuyendo los problemas derivados de la aleatoriedad de aquella, aumentando la predictibilidad y garantía de suministro, y en suma, incrementando el valor añadido y rentabilidad de las fuentes de energía renovable. Además, abrirá una vía para la penetración de las energías renovables en un sector consumidor del 33% de la energía primaria: el sector transporte. Manuel Felipe Rosa Iglesias (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), “Hidrógeno como vector energético: Elementos y usos,”  Boletín de la Academia Malagueña de Ciencias VII: 27-40, 2008. Permitidme también unos extractos.

La electricidad y el hidrógeno son dos portadores de energía que permitirían atender a todas las demandas energéticas. Con demasiada frecuencia se nos presenta al hidrógeno (y las tecnologías asociadas) como elementos fundamentales y la panacea para solventar los problemas derivados de la escasez de recursos energéticos, olvidando con frecuencia que el hidrógeno no es ninguna fuente de energía (es preciso consumirla para producirlo). Igualmente se nos presenta como tecnologías novedosas y si bien es cierto lo son en su aspecto de aplicación terrestre, en el espacio se vienen utilizando desde hace unos 50 años como elementos integrantes de las Plantas de Potencia de Aplicación Espacial. En la actualidad casi el 96% del hidrógeno mundial se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente por reformado de gas natural con vapor de agua y se consume como un componente que forma parte de multitud de procesos convencionales, principalmente (en torno a un 72%) en la industria química y petroquímica. Desde un punto de vista energético, su utilización más significativa es como combustible en misiones espaciales.

La utilización de la energía solar térmica a alta temperatura para la producción de hidrógeno proporciona tres alternativas: proceso termolítico (rotura de la molécula de agua en sus elementos, oxígeno y hidrógeno, como consecuencia de la alta temperatura; superior a 2000 ºC), electrolítico (rotura de la molécula de agua en fase vapor mediante el uso de energía eléctrica) y químico (reacción química promovida por la energía fotónica). Este tipo de procesos están a escala de laboratorio (termólisis y electrolisis en fase vapor) o de planta de experimentación (químicos), siendo preciso una intensificación

La producción de hidrógeno electrolítico es la más adecuada para acoplarse a las energías eólica y fotovoltaica (conjuntamente con las pilas de combustible), en especial, para desacoplar producción y demanda de energía eléctrica, transfiriendo energía desde los periodos de alta producción y baja demanda a los de alta demanda. Las pilas o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de reacción directamente en energía eléctrica. Su diferencia fundamental con las baterías es que estas últimas son acumuladores de energía, dejando de producir energía cuando se consumen dichos reactivos. Las pilas de combustible son, por el contrario, dispositivos que tienen teóricamente la capacidad de producir energía eléctrica mientras que se suministre combustible y oxidante a los electrodos. El combustible (normalmente hidrógeno) se aporta en el ánodo y el oxidante (aire u oxígeno) en el cátodo, produciéndose electroquímicamente, energía eléctrica en forma de corriente continua, agua (como producto de la reacción), calor de proceso y, si se ha utilizado un combustible con carbono, CO2 (como los biocombustibles). El grado de independencia entre su eficiencia y su tamaño en las pilas de combustible permite desarrollar plantas de pequeña potencia (desde vatios) y plantas de cientos de kilovatios o, incluso, de megavatios, con un rendimiento relativamente elevado.

A corto plazo, el objetivo debería ser la consecución de un uso más eficiente de la energía y un creciente suministro desde las fuentes de energía europeas, principalmente de las renovables. A largo plazo, una economía basada en el hidrógeno tendrá impacto en todos estos sectores. La producción de hidrógeno “limpio” mediante fuentes de energía renovable y su “producción distribuida” encaja perfectamente con la idea de desarrollo sostenible basado en las economías locales

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Más barato imposible: células de combustible para hidrógeno sin metales preciosos

La economía del hidrógeno sustituirá a la basada en petróleo. Con toda seguridad. El hidrógeno es un vector energético igual que las baterías. El problema de las células de combustible para hidrógeno de suficiente potencia para la industria automovilística es que son caras porque contienen platino (un metal precioso y caro), que utilizan como catalizador de la reacción de reducción del oxígeno. Michel Lefèvre et al. en Science han dado un paso de gigante para abaratar los costes: nuevos catalizadores que usan hierro en lugar de platino sin merma de rendimiento. Nos lo cuentan Hubert A. Gasteiger, Nenad M Marković, “Just a Dream-or Future Reality?,” Science 324: 48-49, 3 April 2009 , haciéndose eco del artículo técnico de Michel Lefèvre, Eric Proietti, Frédéric Jaouen, Jean-Pol Dodelet, “Iron-Based Catalysts with Improved Oxygen Reduction Activity in Polymer Electrolyte Fuel Cells,” Science 324: 71-74, 3 April 2009 .

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Frecuencias de conversión de oxígeno en agua y energía para diferentes catalizadores. (c) Science.

Los mejores catalizadores para la reducción del oxígeno en células de combustible, a nivel de investigación, se basan en nanopartículas de platino soportadas en una matriz de carbono (catalizadores Pt/C). En aplicaciones a gran escala su coste es demasiado elevado. Mucho se ha trabajado para lograr catalizadores que no usen metales preciosos (como los que utilizan hierro coordinado con nitrógeno en una matriz de carbono, Fe/N/C). Sin embargo, los Fe/N/C tienen un rendimiento muy bajo comparado con los Pt/C (técnicamente entre 150 y 200 mV por debajo).

El nuevo trabajo de Michel Lefèvre y coautores es un sueño cumplido. Han logrado catalizadores Fe/N/C tan buenos como los Pt/C. El impacto en la tecnología del hidrógeno promete ser revolucionario. Han logrado frecuencias de 1/25 Hz. en la conversión electroquímica de oxígeno en energía y agua. Estas frecuencias tienen que ser más altas que en las células Pt/C para lograr que tengan un rendimiento similar a mucho menor coste. No todo son ventajas. La vida media de las células Fe/N/C a pleno rendimiento suele ser más baja que las Pt/C. Lefèvre y coautores han logrado un funcionamiento óptimo durante 100 horas, es mucho, pero todavía es poco, pero hace sólo 4 años alcanzar esta estabilidad en las células Fe/N/C parecía imposible.

Y es que la tecnología de los vectores energéticos está logrando cosas que hace sólo unos años parecían imposibles. Se publicará próximamente en Science un artículo en el que se presenta la fabricación de baterias de litio de alta potencia que utilizan virus modificados genéticamente. Noticia en El Mundo (vía Menéame). Artículo técnico de Yun Jung Lee, Hyunjung Yi, Woo-Jae Kim, Kisuk Kang, Dong Soo Yun, Michael S. Strano, Gerbrand Ceder, and Angela M. Belcher, “Fabricating Genetically Engineered High-Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes,” Science, Published online April 2 2009 . Estos investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, EE.UU.) han manipulado dos genes del virus bacteriófago M13 que logran su afinidad a nanotubos de carbono y que le permiten nuclear fosfato de hierro amorfo (a-FePO4) en su cubierta proteica. El resultado son electrodos de nanotubos y virus M13 con excelentes propiedades, similares a los electrodos que utilizan fosfatos de hierro-litio cristalino (c-LiFePO4).