Por: Leonardo Galindo
Imaginen un
mundo donde miles de turbinas eólicas se alinearan en campos interminables,
donde cada casa tuviera celdas fotovoltaicas (dispositivo para transformar la
energía lumínica en eléctrica) en sus techos, y por qué no, cada andén y calle
estuvieran compuestas de paneles solares. Imaginen que hubiéramos invertido el
último siglo en instalar turbinas gigantes alineadas con las corrientes marinas
predominantes para utilizar la energía de dichas corrientes como se utiliza la
energía del viento para generar energía
eléctrica. Imaginen un mundo done el cambio climático estuviera determinado por
ciclos naturales terrestres y no por la influencia del hombre.
Las fuentes
de energía renovable son una alternativa posible para disminuir nuestra
influencia sobre un cambio climático acelerado, y pueden dividirse de la
siguiente manera 1: (i) energía solar proveniente de
la radiación del sol, (ii) energía geotérmica proveniente del interior del
planeta, (iii) energía hídrica proveniente de los ciclos hidrológicos
ocasionados por la radiación solar, (iv) energía eólica producida por el
viento, el cual a su vez también es producido por diferencias en la radiación
solar, (v) energía oceánica producida por el viento, las fuerzas
gravitacionales, diferencias en salinidad y las diferencias en temperatura,
(vi) energía proveniente de biomasa principalmente de cultivos de plantas o
algas dedicados a la producción de biocombustibles.
Las
tecnologías para utilizar cada una de estas energías renovables existen
actualmente y muchas de ellas de hecho fueron desarrolladas hace mucho tiempo,
sin embargo, el dominio y la explotación de los combustibles fósiles ha
imperado mediante el uso del carbón y petróleo principalmente.
La
resistencia al cambio
Los
compuestos fotovoltaicos fueron descubiertos en los años 1830’s, y aunque el
carbón había sido utilizados desde el neolítico (10000 AC), las perforaciones petroleras comerciales solo
empezaron hasta los años 1850’s (http://connection.ebscohost.com/science/alternative-energy-exploration/history-alternative-and-renewable-energy).
Se viene a la mente la pregunta de por qué no seguimos el camino de
investigación en el desarrollo de energía renovable desde ese entonces en vez
de utilizar únicamente combustibles de origen fósil como el carbón y el
petroleo . Aunque existen muchas razones, el uso de combustibles fósiles tenía
una historia mucho más larga y la producción fue rápidamente estandarizada
alrededor del mundo de una manera más económica que cualquier otra fuente de
energía. Cuando las consecuencias sobre el ambiente y la salud empezaron a
sentirse a mitad del siglo XX, las preocupaciones empezaron a aparecer. Sin
embargo, las empresas de combustible fósil se convirtieron en poderosas
jugadoras de las economías nacionales lo cual impedía la inversión en investigación
de fuentes de energía alternativa. Un ejemplo de esta situación fue el
surgimiento y desaparición de los autos eléctricos en Estados Unidos (ver el
documental: “Who killed the electric car?” http://vimeo.com/19863733). El
documental muestra como el auto eléctrico fue inicialmente creado por la
compañía General Motors (GM) en Estados Unidos, y comercializado en California
debido a una ley que obligaba a las casas automotrices a producir un porcentaje
de autos con cero emisiones de carbono cada año. El auto eléctrico alcanzaba
velocidades equiparables a las de los autos de combustión interna, y podía
alcanzar distancias de entre 60 y 80 millas por carga, lo cual era más que
suficiente para el promedio de viaje diario en Estados Unidos. El auto estuvo
en el mercado entre 1996 y 2004, cuando el último auto fue retirado de las
calles. La desaparición de estos autos se atribuye a múltiples causas entre los
que están problemas de costos de producción, demanda limitada, limitaciones
tecnológicas e intereses gubernamentales y de las empresas automotrices. Sin
embargo, la industria petrolera tuvo una influencia significativa en la
continuidad de la tecnología.
Cubriendo
las necesidades actuales
Se dice que
la generación de la cantidad de energía necesaria para suplir las demandas
actuales a nivel mundial es una de las posibles limitantes de las tecnologías
que utilizan fuentes renovables. No solo la construcción de la tecnología sino
la dependencia en las variables ambientales constituyen argumentos en contra
del uso de éstas como un reemplazo total de los combustibles fósiles. Sin
embargo, un estudio del 2009 en Scientific American 2 demostró que fuentes de energía
renovables totalmente limpias provenientes de agua, viento y sol (con casi cero
emisiones de compuestos contaminantes), podrían suplir y exceder las demandas
del planeta para el 2030. El estudio proponía que para el 2030 la demanda
mundial de energía podría llegar a 16.9 terawatts. Solo usando fuentes de
viento y energía solar podríamos fácilmente obtener 85 y 580 terawatts
respectivamente. Más aún la demanda real sería de 11.5 terawatts porque la
energía eléctrica es usada de modo más eficiente que la producida por
combustibles fósiles. La mayoría de las instalaciones en forma de turbinas de
viento y celdas fotovoltaicas cubrirían posiblemente poco más de 1.3% de la superficie
terrestre, pero mucha de la tierra por ejemplo entre las turbinas aún podría
ser utilizada para prácticas como la agricultura. La dificultad en la
dependencia de la variabilidad climática sería fácilmente suplida usando una
fuente de energía cuando la otra no estuviera disponible. Los costos totales de
producción y utilización para las tecnologías de energía renovable están ya
llegando a equiparar los costos convencionales de generación de energía, pero
los ahorros que se darán por la baja contaminación ambiental y la eliminación
de los problemas de salud son una ventaja adicional superlativa. Así mismo, las
limitaciones tecnológicas y la demanda teórica serán fácilmente excedidas por
la tasa de crecimiento de estas tecnologías 1.
Energía
renovable, el futuro biológico
Aunque los
biocombustibles (ejemplo: bioetanol) derivados por ejemplo de procesos de
fermentación de azúcares provenientes de grandes plantaciones de cultivos como el
sorgo o la caña de azúcar 3, han tenido resonancia en la última
década, su huella de carbón y sus efectos en la biodiversidad (aparición de
extensos monocultivos), el consumo de recursos como agua (104-105 litros de
agua por litro de biocombustible), es tan alto, que dicha tecnología está aún
lejos de equiparar los estándares de sostenibilidad de otros recursos
renovables 1,4. Sin embargo, nuevas alternativas
para generar biocombustibles con una producción menor de gases invernadero y
que no pongan en riesgo la seguridad alimentaria, están siendo exploradas a
partir de la explotación de la celulosa (un azúcar estructural de las plantas),
que puede ser obtenida de las partes no comestibles de un cultivo, y tambien de
plantas no comestibles 5–7.
Aunque el
proceso de generación de biocombustibles ha tenido gran resonancia, un proceso
que permite almacenar energía química naturalmente usando dióxido de carbono,
luz solar y agua, ha atraído atención de nuevo por su potencial para convertirse
en una fuente renovable de energía con gran alcance. A pesar de que
replicar la fotosíntesis es posible, no es un proceso sencillo debido a que las
plantas tomaron miles de millones de años en perfeccionar el proceso para
hacerlo eficiente. Las moléculas que son utilizadas en el proceso de
fotosíntesis y su ubicación especial son sumamente intrincadas para ser
replicadas en un laboratorio. En la
primera etapa de la fotosíntesis hay una producción de protones en forma de
Hidrógeno mediante la ruptura de H2O. Solo este paso inicial tiene potencial de
generar cantidad de Hidrógeno significativas que pueden ser utilizadas como
combustible limpio en un proceso reverso donde se forma agua al combinarlo con
oxígeno. La replicación de este proceso se basa principalmente en el uso de
materiales que permitan el uso de la radiación solar y la catálisis del agua, y
la recuperación de los iones de Hidrógeno para su almacenamiento como
combustible. Aunque el proyecto de crear fotosíntesis artificial se remonta a
principios del siglo XX, los materiales disponibles para el proceso muchas
veces no cumplen con todos los requerimientos para completar el proceso; muchos
de los catalizadores disponibles son elementos raros, sufren degradación,
corrosión, son supremamente caros, o afectan el sistema 8. Sin embargo, un cambio dramático
fue expuesto en la 241 Conferencia
Nacional de la Sociedad Americana de Química en el 2011. En dicha conferencia
el Dr. Daniel Nocera del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por su
sigla en inglés) mostró haber construido
con su equipo lo que denominó como la primera hoja artificial. En su diseño,
una hoja de silicio (celda solar) es unida a catalizadores de cobalto y una
aleación de niquel-molibdeno-zinc que permiten una conversión de energía solar a combustible directamente 9 (la hoja de sílice captura la
radiación solar, que luego se utiliza para romper el agua y ligar su oxígeno e
hidrógeno a los otros materiales que ayudan en la catálisis). Aparentemente la
hoja fotocatalítica puede actuar continuamente por casi dos días seguidos a su pico
de actividad, y es alrededor de 10 veces más eficiente que la fotosíntesis
natural: (http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2011/march/debut-of-the-first-practical-artificial-leaf.html). Aunque actualmente no se puede
hacer un proceso de escalamiento y producción masiva, pues aún el costo de los
materiales (sobre todo de las celdas fotovoltáicas) es altamente restrictivo,
este es un primer paso revolucionario hacia lo que será seguramente el más
fuerte candidato de las energías renovables de origen biológico.
Conclusión
De una u
otra manera las reservas de combustibles fósiles posiblemente tendrán un pico
alrededor del 2030 10 y eventualmente las políticas de
inversión y uso de energía tendrán que cambiar hacia tecnologías más durables (Figura 1).
Con niveles atmosféricos de CO2 de más de 390 partes por millón, los
combustibles fósiles actualmente son responsables de más del 70% de este
compuesto en la atmósfera10. Aunque la velocidad de recambio
por energías renovables debería ser más rápida, parece que al menos hay
esfuerzos para ir en la dirección correcta; entre el 2000 y el 2010 la energía
solar aumento en 42%, la eólica en 27% y los biocomubustibles en 18% 1. Finalmente, a la par de la
inversión tecnológica en fuentes geofísicas de energía, el campo biológico ha
empezado a sumar esfuerzos para emular procesos altamente eficientes que pueden
dar como resultado una revolución en la forma de producir energía.
Figura 1: Turbinas eólicas contrastan con un pozo petrolero. Pecos, Texas, Julio 2014 - Cortesia: Juan Diego Palacio.
Referencias
1.Edenhofer, O., Seyboth, K., Creutzig, F. & Schlömer, S. On the Sustainability of Renewable Energy Sources. Annu. Rev. Environ. Resour. 38, 169–200 (2013).
2.Jacobson, B. M. Z. & Delucchi, M. A. SUSTAINABLE ENERGY BY 2030. Sci. Am. 301, 58–65 (2009).
3.Ndimba, B. K. et al. Biofuels as a sustainable energy source: an update of the applications of proteomics in bioenergy crops and algae. J. Proteomics 93, 234–44 (2013).
4.Youngs, H. & Somerville, C. Plant science. Best practices for biofuels. Science 344, 1095–1096 (2014).
5.Gelfand, I. et al. Sustainable bioenergy production from marginal lands in the US Midwest. Nature 493, 514–517 (2013).
6.Peplow, M. Cellulosic ethanol fights for life. Nature 507, 152–153 (2014).
7.Berlin, A. Microbiology. No barriers to cellulose breakdown. Science 342, 1454–1456 (2013).
8.Marshall, J. Springtime for the artificial leaf. Nature 510, 22–24 (2014).
9.Reece, S. Y. et al. Wireless solar water splitting using silicon-based semiconductors and earth-abundant catalysts. Science 334, 645–648 (2011).
10.Moriarty, P. & Honnery, D. What is the global potential for renewable energy? Renew. Sustain. Energy Rev. 16, 244–252 (2012).