Sistemas de energía renovable en el futuro: Parte 1
A pesar de la reciente publicidad negativa en torno a los combustibles fósiles, el petróleo crudo y el gas natural han sido beneficiosos para el crecimiento del mundo moderno. Nos ha permitido tener vida nocturna, transportar mercancías por todo el mundo y permitir que la tecnología avance. Sin embargo, el uso de combustibles fósiles también ha tenido muchas consecuencias negativas: ha creado una grave contaminación, conflictos políticos, control económico y dependencia de los países de otros que tienen este recurso natural.
La oferta de combustibles fósiles es limitada y sólo se localiza en determinadas zonas del mundo. La demanda de combustibles fósiles crea conflictos que amenazan la paz. Los países que cuentan con suministros adecuados de combustibles fósiles podrían amenazar potencialmente la seguridad y la economía de los países que dependen de ellos. Además, ha habido muchas estimaciones sobre la cantidad de combustibles fósiles que quedan en el mundo. Estas estimaciones dependen del crecimiento de la población y del consumo real de combustibles fósiles. Estas estimaciones predicen que hay suficiente para aproximadamente otros 30 años de petróleo, 35 años de gas natural y 100 años de carbón. Además de las consecuencias ambientales negativas asociadas con estos combustibles, existe un suministro finito de combustibles fósiles que obligará al uso de una forma alternativa de energía. La oferta limitada y la gran demanda provocarán inevitablemente aumentos de precios.
El uso de combustibles fósiles para satisfacer las necesidades energéticas del mundo tiene efectos secundarios perjudiciales para las personas, las plantas y los animales. Los productos de desecho de estos combustibles calientan la atmósfera terrestre y contaminan el aire, el agua y el suelo. Esto da como resultado una disminución de las condiciones de vida de todas las especies. Además de ser peligrosa para nuestro ecosistema, la contaminación también está cambiando nuestra atmósfera. Esta tendencia se llama calentamiento global y seguirá empeorando debido al aumento del consumo de combustibles fósiles debido a la creciente población mundial. En el proceso de quema de gasolina se liberan varios subproductos: monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos no quemados. En los automóviles, los catalizadores reducen una gran parte de la contaminación, pero no son perfectos. Muchas ciudades de todo el mundo tienen niveles peligrosos de ozono en el aire. Por lo tanto, necesitamos fuentes de energía que tengan bajas emisiones contaminantes, buena eficiencia energética y un suministro ilimitado de combustible para una población mundial en crecimiento.
Se han investigado y desarrollado muchas tecnologías de energía alternativa. Entre ellas se incluyen la solar, la eólica, las pilas de combustible, la bioenergía, la geotermia y muchas otras. Las células solares utilizan el sol para generar electricidad, la energía eólica se obtiene de la energía cinética del viento, las pilas de combustible utilizan hidrógeno, la bioenergía se extrae de las plantas y la energía geotérmica proviene de la tierra. Cada una de estas fuentes de energía alternativas tiene sus ventajas y desventajas, y todas se encuentran en distintas etapas de desarrollo.
Para la mayoría de los países del mundo, si se cortara el suministro de combustibles fósiles, toda la economía se paralizaría. La gente no podía conducir hasta el trabajo ni utilizar la electricidad en sus hogares o lugares de trabajo. La población mundial consume productos derivados del petróleo a un ritmo 100.000 veces mayor que el ritmo con el que se forman. Actualmente, Estados Unidos importa el 70% del petróleo y alrededor del 80% de la energía total del mundo proviene de fuentes de energía fósiles. La Agencia Internacional de Energía estima que se espera que la demanda primaria mundial de energía crezca aproximadamente un 45% para 2030, lo que equivale a un costo de 20 billones de dólares estadounidenses. Dado que en los próximos años será necesario gastar mucho dinero en inversiones en infraestructura energética, esto crea una oportunidad para reemplazar (al menos una parte) de la infraestructura de combustibles fósiles con una infraestructura de energía renovable. Las plantas de carbón y combustibles fósiles de Estados Unidos ya son bastante antiguas porque al menos la mitad de las plantas se construyeron antes de 1970. Si las plantas más antiguas se retiran primero, puede ser fácil transferir la producción de energía a energías alternativas sin retirarlas prematuramente.
Aunque la demanda de petróleo está aumentando, la producción mundial de petróleo alcanzó su punto máximo en 2005. Los países que obtienen un porcentaje significativo de su energía procedente de energías renovables son Canadá (16%), seguido de Francia (6%), Italia (6,5%), Alemania. (5,6%), Estados Unidos (4,8%) y Reino Unido (1,7%). La comunidad global necesita equilibrar las demandas energéticas futuras con las necesidades económicas y ambientales futuras. Tenemos una oportunidad real de transformar la forma en que nuestra economía utiliza la energía, previene una mayor contaminación y ayuda a garantizar un futuro más seguro.
Sobre el cambio climático
La definición de calentamiento global es un aumento significativo de la temperatura de la Tierra durante un corto período debido a las actividades humanas. Un aumento de la temperatura de 0,4° Celsius es significativo en un siglo, y un aumento de 1° Celsius se considera calentamiento global. Aunque 1° o 2° Celsius puede no parecer mucho, pequeños cambios de temperatura tienen efectos significativos. Cuando escuchas el término «edad de hielo», probablemente piensas en el mundo cubierto de nieve y hielo. Las edades de hielo ocurren cada 50.000 a 100.000 años, y la temperatura global promedio era sólo 5 °C más fría que la actual.
El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) es un grupo de más de 2.500 científicos de países de todo el mundo que se reúnen para avanzar en la investigación climática. Una de las conclusiones es que 14 de los 15 años más calurosos registrados han ocurrido desde el año 2000. Algunas de las observaciones son que los glaciares y la nieve han disminuido en los hemisferios norte y sur, y las temperaturas árticas promedio han aumentado al doble del promedio global. durante los últimos 100 años. Las lluvias han aumentado en América, el norte de Europa y partes de Asia, y Sudáfrica y el Mediterráneo han experimentado tendencias secas. En general, los días calurosos a nivel mundial se han vuelto más frecuentes y los días fríos se han vuelto menos frecuentes y severos.
Los cambios naturales en el clima, como el calentamiento debido a la actividad volcánica, la radiación del sol y los cambios en la química de la atmósfera, suelen tardar miles de años en cambiar solo 1 °C. La concentración actual de dióxido de carbono (CO2) determinada a partir de los núcleos de hielo (180 a 300 ppm) es mucho mayor que el rango natural encontrado durante los últimos 650.000 años. Si la concentración de CO2 aumenta a 400 – 440 ppm y se mantiene allí, el aumento final de la temperatura será de alrededor de 2,4 – 2,8 °C.
Para estabilizar el nivel de CO2, es necesario que alcance su punto máximo y luego disminuya. Cuanto más rápido ocurra esto, menor será el nivel máximo de estabilización. Según el IPCC, para estabilizar las concentraciones de CO2 equivalente en torno a 445 a 490 ppm, las emisiones de CO2 tendrían que alcanzar su punto máximo ahora y luego caer entre un 50% y un 85% por debajo de los niveles del año 2000 para 2050. Un pico posterior y concentraciones más altas se producirán en última instancia, conducirá a mayores aumentos de temperatura.
Nuestro futuro utilizando energía alternativa
No existe una única respuesta «correcta» para nuestro futuro sistema energético. Lo más probable es que la futura economía energética consista en muchas tecnologías de energía renovable utilizadas en combinación, como la energía eólica, solar, geotérmica y de pilas de combustible. La tecnología para lograr esto está disponible o en desarrollo. Algunas de las tareas que debemos realizar incluyen:
• Construir una industria basada en tecnologías de energía alternativa.
• Reducir los costos de energía
• Reducir el cambio climático
• Incrementar la seguridad energética
• Crear condiciones para la prosperidad a largo plazo de todas las naciones.
Para realizar estas tareas, tendremos que:
• Utilizar una combinación de energía eólica (tanto terrestre como marina)
• Utilice sistemas de energía fotovoltaica estándar y de concentración.
• Utilice sistemas geotérmicos
• Utilizar sistemas de pilas de combustible que generen hidrógeno mediante electrólisis.
• Utilizar biomasa y residuos municipales.
Figura 1: Tasa de cambio en el consumo de energía de EE. UU.
Para utilizar con éxito la energía renovable, se requiere un buen almacenamiento de energía porque la energía renovable (solar y eólica) puede ser intermitente. Estas fuentes de energía renovables pueden fluctuar según los niveles de luz solar, sombra e intensidad del viento. Cuando estas fuentes no están disponibles, no se puede generar electricidad. Cuando se produce una gran cantidad de energía, se puede crear hidrógeno a partir del agua y luego almacenarlo para su uso posterior. El hidrógeno es uno de los combustibles más poderosos, pero no existe en su forma pura en la Tierra. Por tanto, hay que extraerlo del combustible o del agua. El proceso que se utiliza con mayor frecuencia para extraer hidrógeno es el reformado con vapor de gas natural. También se puede extraer del carbón, de la energía nuclear, de los biocombustibles o incluso de productos de desecho.
El hidrógeno también se puede producir utilizando agua mediante el proceso de electrólisis. La electrólisis divide el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad. Para producir electricidad se utilizan cada vez más formas de energía renovables, como las células fotovoltaicas, la eólica, la hidráulica y la geotérmica, y el exceso de electricidad puede utilizarse para el proceso de electrólisis. El hidrógeno se puede utilizar o almacenar para generar electricidad más adelante.
