La encrucijada energética

La energía es la sangre que mueve la sociedad actual y uno de los factores que ha contribuido decisivamente a la mejora de la calidad de vida de la humanidad. Se espera que en 2050 se hayan duplicado las necesidades energéticas de la población mundial, por lo que se hacen necesarias nuevas estrategias para su desarrollo sostenible teniendo en cuenta el agotamiento de los combustibles fósiles y su impacto medioambiental. Este artículo aborda los retos y oportunidades a que nos enfrentamos en el desarrollo de sistemas globales de energía y enfatiza cuán fuertemente están interconectados los debates sobre energía y clima.

Palabras clave: energía, cambio climático, transición energética, desarrollo sostenible.

Y usted ¿de qué me está hablando?

Si preguntáramos a un ciudadano de a pie sobre el significado del escenario 450 de mitigación del cambio climático¹, la respuesta más probable sería: ¿qué demonios tiene esto que ver con nosotros? No hace mucho tiempo, los científicos eran considerados una sociedad cerrada que habitaba en torres de marfil y pasaba gran parte de su tiempo en laboratorios exóticos e instituciones académicas. Hoy en día existe un creciente compromiso de los científicos para compartir sus conocimientos y opiniones con la sociedad.

Al igual que el aire, la energía es esencial para la existencia y desarrollo de la especie humana. Una persona necesita para cubrir sus necesidades biológicas del orden de 2.000 kilocalorías diarias en forma de alimentos, que, traducido a unidades de potencia, viene a suponer unos 100 W; es decir, en cuanto a consumo biológico somos el equivalente a una bombilla de 100 W permanentemente encendida². A modo de referencia, un ciudadano europeo consume aproximadamente 4 kW, lo que equivale a que nuestro nivel de vida europeo está sustentado por 40 «esclavos» en unidades energéticas. Sin embargo, el acceso a las fuentes de energía está muy lejos de ser uniforme a escala planetaria: mientras que en EE UU se alcanzan los 10 kW per cápita (más de 100 esclavos energéticos) en países como Bangladesh el consumo se reduce a los 0,3 kW. En la actualidad, alrededor de 1.500 millones de habitantes no tienen acceso a la electricidad y alrededor de 3.000 millones de personas utilizan biomasa para las necesidades domésticas.

«La energía es uno de los factores esenciales que han contribuido al progreso y a la mejora de la calidad de vida de la humanidad»

La energía es uno de los factores esenciales que han contribuido al progreso y a la mejora de la calidad de vida de la humanidad. Con un horizonte en el que las necesidades energéticas se duplicarán de aquí al año 2050 y con el agotamiento progresivo de los combustibles fósiles, es urgente el desarrollo de fuentes de energía masivas, medioambientalmente sostenibles y socialmente aceptables. Este incremento en la demanda energética es consecuencia del efecto combinado del aumento de la población y del consumo energético per cápita en países en desarrollo. Estamos, pues, en una encrucijada de la energía en la que debemos impulsar un modelo energético que nos libere de sus impactos ambientales.

La complejidad del desafío energético al que se enfrenta la humanidad no tiene soluciones mágicas. Todas las opciones actualmente operativas son necesarias, aunque su grado de disponibilidad depende de las condiciones ambientales y tecnológicas de las diferentes regiones del planeta. El lector encontrará en los próximos epígrafes algunas pistas para responder preguntas relacionadas con la encrucijada energética en la que nos encontramos.

Fuentes de energía: No hay rosas sin espinas

La ciencia comienza cuando alguien plantea una pregunta general e intenta responderla mediante una investigación metódica que incluye y combina la experimentación y la argumentación lógica. El método científico genera conocimiento sobre el funcionamiento del mundo en su sentido más amplio y, por lo tanto, el poder de predecir el comportamiento de la naturaleza. Los corolarios son ventajas prácticas, que van desde aplicaciones médicas al desarrollo de fuentes de energía.

Tabla 1. Aspectos positivos y negativos de diferentes fuentes de energía. La energía es uno de los factores esenciales que han contribuido al progreso y a la mejora de la calidad de vida de la humanidad, pero al mismo tiempo generarla y consumirla tiene un impacto sobre el medio ambiente en todas sus etapas. / USA American Public Association / Unsplash

La búsqueda de fuentes de energía se remonta al amanecer del ser humano. El dominio del fuego y la agricultura, el uso de energía del agua y del viento, y el desarrollo de las aleaciones para la construcción de herramientas representaron grandes avances para la humanidad. El desarrollo de las máquinas de vapor en la segunda mitad del siglo xviii permitió transformar cualquier tipo de reacción de combustión en trabajo mecánico y dio lugar a la revolución industrial. El aprovechamiento del electromagnetismo y sus aplicaciones, entre las que destaca el primer uso de la electricidad, continuó en el siglo xix. La energía nuclear y la física de materiales impulsaron nuevas fuentes de energía en el siglo xx y el uso intensivo de la electricidad multiplicó las aplicaciones de la energía en nuevas tecnologías de la información y comunicación.

El resultado es que las necesidades energéticas del ser humano promedio se han multiplicado por un factor 100 a lo largo de la historia y los avances en la búsqueda de fuentes de energía han provocado cambios radicales en nuestra sociedad. Pero, como dice el refrán, no hay rosa sin espinas (Tabla 1). La generación y consumo de energía tienen un impacto sobre el medio ambiente en todas sus etapas, desde la extracción hasta la utilización, y son los efectos sobre el cambio climático la amenaza más inquietante. El cambio climático está ligado al aumento de la proporción de los denominados gases de efecto invernadero en la atmósfera. De estos, el más importante es el dióxido de carbono (CO2), cuya emisión es el resultado de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) como fuentes de energía. La transición energética consiste, por tanto, en impulsar un sistema energético que no dependa, como ocurre ahora, de forma preponderante de fuentes fósiles como se ilustra en la Figura 1 (International Energy Agency [IEA], 2017).

Las plantas extraen la energía del Sol mediante el proceso de fotosíntesis, que permite absorber el carbono del dióxido de carbono y devolver el oxígeno a la atmósfera; posteriormente, mediante un período de transformación de escala geológica (millones de años), la materia orgánica da lugar a los combustibles fósiles de carácter no renovable (dado que la escala temporal de consumo es mucho más breve que la escala temporal para su formación). Los datos muestran cómo el aumento de las necesidades energéticas no se acompaña de la necesaria reducción de los combustibles fósiles, que en 2015 representan más del 80 % de la energía primaria consumida a nivel global.

En la actualidad, el debate sobre la conexión entre fuentes de energía y cambio climático tiene profundas consecuencias políticas y éticas: si aceptamos que sin energía no hay desarrollo, ¿no debería el acceso a la energía formar parte de la Declaración Universal de los Derechos Humanos?; dado que no es posible extender el modelo de consumo energético de los países desarrollados a los países no desarrollados, ¿qué responsabilidad tienen los primeros en el modelo de desarrollo de los segundos? (IEA, 2015).

Nos enfrentamos a una fase de transición energética con nuevos motores globales como el cambio climático y la globalización. De hecho, necesitamos una sociedad con un conocimiento crítico que comprenda la ingente cantidad de energía (basada en combustibles fósiles) que debemos sustituir en comparación con las transiciones anteriores. La búsqueda de energía es un proyecto global y las nuevas estrategias energéticas requieren tecnologías para la producción, conversión, distribución y ahorro de energía que favorezcan la innovación sin poner en peligro la seguridad del suministro energético.

Combustibles fósiles: ¿es muy grave el incremento de la temperatura global en +1 °C?

La Figura 2 muestra la evolución temporal de los glaciares Upsala y Arapaho situados en los Andes patagónicos (Argentina) y en Colorado (EE UU), respectivamente. Ambos glaciares se encuentran en claro retroceso, lo cual podría ser una evidencia de ciclos climáticos y geológicos o de calentamiento global. En este sentido los informes del Grupo Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, en sus siglas en inglés) concluyen que, con muy alta probabilidad, el incremento de la temperatura del planeta a lo largo de los siglos xx y xxi es consecuencia del incremento de la concentración de gases de efecto invernadero de origen antropomorfo (IEA, 2015; IPCC, 2014).

La Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático que se celebró en París en 2015 marcó un hito importante en el objetivo de lograr un acuerdo vinculante y global sobre el clima y fuentes de energías sostenibles. El acuerdo intenta limitar las emisiones globales de manera que la temperatura del planeta no supere los dos grados centígrados con respecto a la temperatura de la época preindustrial. Considerando que en la actualidad ya se ha producido un aumento en el rango de 1 °C, ¿cómo saber si el incremento en un grado es mucho o poco en la evolución del clima? El lector debe extraer sus propias conclusiones a partir de las imágenes que se muestran en la Figura 2.

«Es urgente el desarrollo de fuentes de energía masivas, medio-ambientalmente sostenibles y socialmente aceptables»

En este punto surgen algunas cuestiones de gran importancia sobre el balance coste-beneficio, tanto desde una perspectiva económica como desde el punto de vista social: ¿Cuál es el coste de transformar el sistema actual energético para evitar un calentamiento superior a los dos grados? ¿Cuál sería el beneficio de esta estrategia? La respuesta a estas preguntas requiere un análisis, ciertamente complejo, que incluya la interacción dinámica entre economía, energía y clima. Y finalmente, la pregunta esencial: ¿Dónde terminaremos si no cambiamos de dirección en las tendencias energéticas globales? En sociedades democráticas, son los ciudadanos los que tendrán que decidir el nivel de riesgo que están dispuestos a aceptar para las futuras generaciones (Alonso Garrido, 2012).

Figura 2. En las dos imágenes superiores, el glaciar Upsala, en los Andes Patagónicos (Argentina), en 1928 (fotografía en blanco y negro) y 2004 (fotografía en color). Abajo, el glaciar Aparaho en Colorado (EE UU) en 1898 (izquierda) y 2003 (derecha). Como puede observarse, ambos glaciares se encuentran en claro retroceso./ Greenpeace, Archivo Museo Salesiano / Greenpeace, Mariana Días Vaccaro / NASA Earth Observatory

Los desafíos pendientes en la transformación de las energías basadas en combustibles fósiles incluyen varios aspectos. Por una parte, el desarrollo de estrategias para las reducciones de emisiones de centrales de combustibles fósiles y, por otra, la implementación de estrategias para secuestrar las emisiones de CO2 y mejorar la eficiencia energética.

Energías renovables: un regalo de la naturaleza

Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables más importantes se cuentan la solar (que aprovecha la radiación electromagnética procedente del sol) y la eólica (la obtenida a partir del viento) (Figura 3). De importancia más limitada o eventualmente de importancia local son, entre otras, la hidroeléctrica (que utiliza la energía potencial y cinética de corrientes de agua) y la biomasa  (que utiliza la materia orgánica) (MacKay, 2009).

Figura 3. Entre las energías renovables más importante se cuentan la solar y la eólica. A la izquierda, imagen de aerogeneradores en Vilafranca (Castellón) y a la derecha planta solar de Almería (PSA). La PSA es el mayor centro de investigación, desarrollo y ensayos de Europa dedicado a las tecnologías solares de concentración. / Valentín Rodríguez, Planta Solar de Almería/CIEMAT

Para tomar conciencia de la cantidad ingente de energía que nos regala nuestra estrella, el Sol, basta con una sencilla estimación de órdenes de magnitud. A partir de la temperatura de la superficie del Sol (en el rango de los 6.000 K), su distancia con la Tierra (1 UA [Unidad astronómica] ≈ 150 millones de km) y el radio de nuestro planeta (6.000 km) se obtiene que la energía que alcanza la atmósfera terrestre es del orden de 5 × 1024 J en un año. Este valor resulta ser 10.000 veces superior al consumo de energía en un año (en el rango de 5 × 1020 J) (Bret, 2014). La energía eólica tiene también su origen en el Sol, que produce el viento por la diferencia de temperatura existente en las distintas capas de aire de la atmósfera; a su vez, la energía del viento es captada por los aerogeneradores.

¿Qué tamaño debería tener una granja de energía solar para suministrar una energía equivalente a las necesidades anuales globales? Suponiendo una eficiencia actual de las placas solares (en el rango del 30 %) y la potencia solar disponible en la superficie terrestre (en el rango de los 240 W/m2), resulta que la superficie necesaria de la granja solar sería del orden del millón de km2; es decir, dos veces la superficie de España (Cifarelli, Wagner y Wiersma, 2013).

Dado que el Sol solo activa la energía solar (fotovoltaica o de concentración) en el ciclo diurno y el carácter errático del viento, las fuentes de energía solar y eólica son intrínsecamente intermitentes. El problema de integrar un suministro variable de electricidad en la red de distribución exige sistemas de almacenamiento de energía y fuentes de respaldo energético de carácter no renovable.

En este sentido, los desafíos pendientes en este campo son el desarrollo de sistemas de almacenamiento para energías renovables (hidrógeno, almacenamiento químico, energía hidráulica…) y la optimización de redes inteligentes de distribución.

Energía nuclear de fisión: energía verde y aceptabilidad social

La Tabla 2 compara las eficiencias de distintas energías así como las temperaturas típicas a las que tiene lugar el proceso. La eficiencia energética de las energías nucleares (fusión y fisión) es elevadísima, lo cual las hace particularmente atractivas.

Figura 4. Lo que hace a los seres humanos realmente únicos es nuestra capacidad de imaginar y moldear el futuro haciendo uso de la alianza científico-tecnológica. Un ejemplo de esta característica es la búsqueda del control de la energía que mueve el universo: la fusión nuclear. Las reacciones de fusión son las que liberan la energía que alimenta al Sol y al resto de estrellas. / NASA Goddard Institute for Space Studies

Desde el comienzo de la era nuclear de fisión, el número de reactores de fisión nuclear construidos está en el rango de 400 y el número de accidentes graves es muy pequeño pero con un gran impacto social (por ejemplo, Chernóbil o Fukushima) (Muraoka, Wagner, Yamagata y Donné, 2016). La comunidad internacional debería fomentar una mayor convergencia de los enfoques de seguridad nuclear teniendo en cuenta los procesos técnicos (con un nivel de riesgo extremadamente bajo) entrelazados con la cultura de seguridad y los factores humanos.

Ante los desafíos que presenta la energía nuclear podemos plantearnos algunas cuestiones sobre el proceso tecnológico y sobre la aceptabilidad social de esta energía. ¿Es técnicamente factible procesar los desechos nucleares con criterios de eliminación y almacenamiento aceptables? ¿Pueden gestionarse las emisiones ambientales y la eliminación de residuos de manera tal que satisfagan las expectativas de la sociedad?

Energía nuclear de fusión: un desafio científico y tecnológico

Las reacciones de fusión son las que liberan la energía que alimenta el Sol y las estrellas (Figura 4). Para que pueda ocurrir la fusión, los núcleos reaccionantes deben vencer la repulsión electrostática y acercarse lo suficiente como para permitir que entre en juego la fuerza nuclear atractiva. La comunidad científica internacional trabaja en distintas alternativas (confinamiento inercial y magnético), con diferente grado de desarrollo, orientadas hacia la realización práctica de la energía de fusión. En el caso de la estrategia basada en el confinamiento magnético, se requiere calentar los núcleos reaccionantes a temperaturas unas 15 veces mayores que la del centro del Sol (estimada en unos 15 millones de grados) y aislarlos térmicamente del ambiente circundante mediante un intenso campo magnético (del orden de 5-7 T³, es decir, unas 100.000 veces el campo magnético terrestre).

La materia a esas temperaturas extremas consiste en un gas altamente ionizado llamado plasma. La realización de energía viable de fusión nuclear requiere soluciones para una serie de problemas científicos y tecnológicos de enorme envergadura (Romanelli, 2012).

Los principales desafíos pendientes en la fusión nuclear incluyen la integración y optimización de criterios de física y tecnología. Desde el punto de vista de la física de plasmas se requiere confinar eficientemente un plasma en ignición; es decir, suficientemente reactivo como para producir sustancialmente más energía que la consumida en el proceso de generación del plasma. Desde el punto de vista tecnológico se precisa demostrar la autosuficiencia en la generación de tritio y desarrollar materiales que sean resistentes a los intensos y muy energéticos flujos de neutrones de fusión nuclear.

Transporte verde

Una de las aplicaciones del carbón durante la revolución industrial fue su utilización como fuente de energía para el transporte (la locomotora y el barco de vapor), lo cual permitió un crecimiento exponencial del comercio previamente basado en la energía del viento y la navegación marítima. Gracias al comercio impulsado por el consumo energético, la humanidad tuvo acceso a productos procedentes de lugares remotos con gran impacto en las posibilidades de desarrollo y comunicación entre culturas remotas.

Tabla 2. Eficiencias y temperaturas de reacción de fuentes energéticas de origen químico y nuclear. Durante las reacciones de fisión nuclear, elementos pesados dan lugar a elementos más ligeros. En el proceso de fusión nuclear, ocurre lo contrario: elementos ligeros se unen y dan lugar a elementos pesados. La suma de las masas de reactivos después de una reacción de fisión y fusión nucleares es menor que la suma antes de la reacción en una cantidad Δm que llamamos defecto de masa. De acuerdo con la teoría de la relatividad, la fusión nuclear libera una cantidad de energía (E = Δm c²) donde c es la velocidad de la luz. El elevadísimo valor de c² (c² = 90.000.000.000.000.000 m²/s²) explica la ingente eficiencia de la energía nuclear con respecto a las energías de origen químico. Mientras que en el caso de las energías químicas y de fisión nucleares las temperaturas de reacción son fácilmente accesibles (en el rango de los 700-1.000 K), en el caso de la fusión nuclear se requieren temperaturas en el rango de los centenares de millones de grados centígrados.

Una nueva fuente de energía transformaría la economía y el desarrollo del transporte en el siglo XX: el petróleo. El invento del motor de explosión transformó radicalmente el transporte industrial e individual y en consecuencia nuestro sistema de organización social en grandes urbes que utilizan el petróleo para el transporte de la población y de los bienes de consumo necesarios para su sustento.

Una pregunta pertinente es: ¿en qué gastamos más energía: en transporte o en la industria? El consumo global de energía en transporte es un factor determinante; en particular, en España el consumo de energía en el sector del transporte supera el consumo industrial, siendo el transporte terrestre el dominante. Por este motivo es importante el desarrollo e implantación de tecnologías verdes de transporte.

«La necesidad de nuevas estrategias de generación, conversión y almacenamiento de energía implica un reto colosal»

El futuro: No hay una solución mágica

La energía es la sangre que mueve la sociedad actual, que requiere de nuevas estrategias para su desarrollo sostenible. No podemos permitirnos retrasar la puesta en marcha de acciones para hacer frente al cambio climático si el objetivo a largo plazo es limitar, con un coste asumible, el aumento de la temperatura global del planeta a 2 °C.

Pero debemos ser realistas: la necesidad de nuevas estrategias para la generación, conversión y almacenamiento de energía implica un desafío colosal. Un desafío global en el que la dinámica de los mercados de la energía se debe cada vez más al crecimiento de la población y la demanda de energía⁴. Un desafío global que requiere una visión de futuro, mantener una política energética coherente y sostenida que fortalezca la relación mutuamente beneficiosa entre educación, investigación e innovación.