Hacia un sistema de energía ambientalmente sostenible: 3. Ejes tecnológicos para la transición

¿Cómo lograr la independencia de los combustibles fósiles? En esta tercera entrega, José Luis Aburto explora las posibles alternativas en materia de energía limpia y sustentable para el país.

Texto de 29/08/22

¿Cómo lograr la independencia de los combustibles fósiles? En esta tercera entrega, José Luis Aburto explora las posibles alternativas en materia de energía limpia y sustentable para el país.

Esta nota es la síntesis de una conferencia presentada por el autor a la Academia de Ingeniería, México, el 26 de julio de 2022. Disponible en línea aquí.

Qué triste es pensar que la naturaleza habla y la humanidad no escucha.

Víctor Hugo

Consideraciones generales

Las gráficas muestran los balances de energía de México para el año 2020. Es evidente que el sistema de energía de México depende casi totalmente de los combustibles fósiles. 

El balance de energía del país ha permanecido relativamente estable por décadas. Por su parte, el balance de electricidad ha cambiado en los últimos 25 años con el gas natural reemplazando al combustóleo como la fuente principal de generación eléctrica y con la penetración de las energías renovables eólica y solar, las cuales, junto con la hidroelectricidad y la geotermia han alcanzado el 15% de la generación eléctrica.

Estamos muy lejos del objetivo de contar con un sistema de energía que sea ambientalmente sostenible.

Esta nota, la segunda parte del artículo publicado por Este País el pasado mes de julio, está dedicada a las principales tecnologías necesarias para llevar a cabo la transición del sistema de energía. Se describen brevemente las tecnologías vigentes, algunas que están en desarrollo, y varias con potencial para el futuro. Los temas que son amplios y complejos serán tratados posteriormente en detalle, en entregas específicas.    

  1. Tecnologías para la eficiencia en energía 

Prácticamente todas las tecnologías que se utilizan en energía tienen ventajas e inconvenientes, la excepción es el conjunto de tecnologías que tienen por objeto mejorar la eficiencia en energía, en su producción, transformación, transporte, almacenamiento, distribución y consumo. Este grupo de tecnologías constituyen la opción más virtuosa. Cada joule de combustibles fósiles ahorrado es una emisión evitada. Por ejemplo, cuando se reemplazan las turbinas de una central hidroeléctrica antigua por otras más eficientes, el mismo volumen de agua en la presa puede generar más kWh limpios, que a su vez desplazarán kWh generados con combustibles fósiles. No hay desventajas. Además, en general, es más económico ahorrar energía que producir y utilizar energía nueva. 

De acuerdo con el Organismo Internacional de Energía (IEA) las inversiones actuales en tecnologías dedicadas a aumentar la eficiencia en energía constituyen del orden de 270 miles de millones de dólares (GUSD) anuales1, mismas que están concentradas en países avanzados. En especial, hay un espacio de oportunidad para mejorar la eficiencia en los usos finales de la energía debido a que se realizan esfuerzos aislados en ciertos usos y en algunos países, pero falta establecer y ejecutar estrategias integrales. Esto se debe a que se trata de usos dispersos, heterogéneos, menos identificables, con mayor complejidad para emprender programas completos y para fijar estándares o normas. Por ejemplo, hay estufas avanzadas en Suiza que no han logrado desplegarse en otros países y continentes.2 El uso de motores eléctricos es ubicuo en la industria, en la agricultura y en muchas otras actividades, pero las eficiencias de los motores son, en promedio, sumamente bajas. En México, los elevados subsidios a las tarifas eléctricas destinados al bombeo para riego agrícola favorecen la permanencia de motores obsoletos y deteriorados, de muy baja eficiencia.   

El Organismo Internacional de Energía1 estima que, con las inversiones en tecnologías para aumentar la eficiencia en energía, hacia el año 2030 se pueden lograr ahorros significativos de energía primaria y final, a cambio de aumentar 40% la demanda de electricidad proveniente de fuentes limpias.  

“Hay tres formas de ahorrar energía: elevando la eficiencia en su uso, mediante la electrificación de procesos productivos, y cambiando los hábitos de los consumidores”.

A nivel mundial la energía se consume en proporciones similares en edificaciones, el transporte y la industria, con usos más limitados en la agricultura. Hay tres formas de ahorrar energía: elevando la eficiencia en su uso, mediante la electrificación de procesos productivos, y cambiando los hábitos de los consumidores. Esto último, posiblemente lo más difícil de lograr. 

Un área de oportunidad es la realización de auditorías técnicas, mediante las cuales se cuantifiquen los usos de energía, se elaboren diagnósticos, y se identifiquen proyectos para mejorar la eficiencia y reducir el consumo de combustibles fósiles. Una vez evaluados los proyectos se puede elaborar un plan de trabajo para ejecutar los que sean rentables.  

En un contexto amplio, existen oportunidades para crear empleos en torno a programas de eficiencia en energía en actividades tales como la construcción, la instalación de sistemas de acondicionamiento de temperatura y de agua caliente. Los gobiernos pueden apoyar programas de capacitación particularmente para quienes pierden su empleo por el reemplazo de los combustibles fósiles. 

Edificaciones

En edificaciones el diseño, la orientación y el aislamiento contribuyen a reducir el consumo de energía durante su vida útil. Con este propósito, los países nórdicos han impulsado la construcción modular, incluyendo el ensamble de componentes en fábricas. Países Bajos estableció una norma en 2013 que limita las emisiones por m2 de construcción, un procedimiento práctico y eficaz. Sin embargo, la explosión de construcciones en Asia y África contrarresta estos avances. Una estimación del IEA sugiere que de aquí al año 2050 se añadirán 13 mil edificaciones diarias para atender el crecimiento demográfico. 

El ahorro de energía en países avanzados nulificado por el crecimiento acelerado del consumo de energía en países en desarrollo es un fenómeno que estará presente en muchas actividades. Será indispensable que las Naciones Unidas y otros organismos internacionales, así como las instituciones financieras de países avanzados intervengan para intensificar el ahorro de energía y el desplazamiento de los combustibles fósiles en los países en desarrollo, mediante inversiones, financiamientos y transferencia de tecnología.  

Más de 120 países han implantado normas con estándares y etiquetados obligatorios para iluminación y electrodomésticos (aires acondicionados, refrigeradores, televisiones, lavadoras de ropa y estufas). En electrodomésticos, el IEA destaca los logros en México, sólo por debajo de EUA, la Unión Europea y Australia, con un ahorro estimado de más del 6% del consumo de electricidad. A fines de los años dos mil el gobierno de México y Conuee coordinaron un programa para la sustitución de focos incandescentes por leds. Estos se entregaban sin costo a cambio de la entrega de los focos incandescentes para ser destruidos. El programa masivo resultó en la modificación de las curvas de carga del sistema eléctrico, reduciendo las puntas de iluminación, lo que se tradujo en menores inversiones y costos de operación asociados al mejor aprovechamiento de la infraestructura eléctrica, con economías en el costo de suministro y beneficios para todos los consumidores de energía eléctrica.    

Transporte

En vehículos de combustión interna la energía útil es del orden del 20% de la energía consumida. Es prioritario establecer estándares de eficiencia para vehículos y otros modos de transporte. La regulación más eficaz para ahorrar energía es la imposición de límites de velocidad. 

Es relevante que los países emergentes y en desarrollo no sigan copiando los patrones tradicionales de consumo de países avanzados. Se recomienda el desarrollo de sistemas de transporte público masivo eficiente y subsidiado y tomar medidas para restringir y encarecer el uso de autos privados. Esto ya lo hacen varias ciudades en Europa y Japón. Para viajes cortos Francia y Austria favorecen el uso de trenes en lugar de aviones. En 2022, Alemania y3 estableció un subsidio a los trenes para trayectos cortos.  

Industria

El acero, el cemento y los productos químicos concentran el 60% de la energía usada en la industria pesada y el 70% de las emisiones. Principalmente en estas ramas industriales se trabaja en innovaciones tecnológicas para reciclar chatarra en siderurgia, y para descarbonizar procesos y ahorrar energía.  

Dos tecnologías aplicables a usos diversos en la industria son bombas de calor para procesos que requieren temperaturas intermedias y microondas para procesos a altas temperaturas. 

  1. Digitalización  

A partir de 2015 el uso de dispositivos inteligentes ha crecido al 33% anual, pasando de 2 a 9 mil millones entre ese año y 2021.4 Es predecible que este crecimiento acelerado va a continuar, la digitalización será ubicua y causará cambios radicales en todas las actividades. 

Se trata principalmente de sensores y medidores para dimensionar parámetros y recopilar datos y, en menor medida, controles inteligentes para iluminación, electrodomésticos y temperatura. La digitalización constituye un avance mayúsculo en tecnologías de información y control; la digitalización aumenta la eficiencia en energía y mejora el control y la confiabilidad de dispositivos y objetos. 

Los sistemas de gestión de energía para edificios comerciales incluyen sensores, medidores, controles y software inteligentes que pueden habilitar termostatos, iluminación, celdas fotovoltaicas, estaciones de baterías y cargadores para vehículos eléctricos. Por medio de digitalización un calentador de agua redujo su consumo de energía en 12% y su facturación en 35%. 

Menos del 3% del alumbrado público mundial está digitalizado. Los LEDs inteligentes ajustan el nivel de iluminación al flujo de vehículos, con lo cual pueden ahorrar entre 40 y 80% de la energía.  

El mantenimiento de estructuras, edificios, maquinaria y equipos puede ser gestionado por medio de sensores, aumentando la confiabilidad y reduciendo los costos. Este tipo de sensores pudieron haber evitado accidentes tales como el colapso de la estación del metro de la ciudad de México en mayo de 2021, el de un edificio en Florida en junio de 2021 y el de un puente en Génova, Italia, en agosto de 2018.

Las características físicas de los sistemas eléctricos los hacen candidatos excelentes para la digitalización. Los sistemas de comunicación y control digitalizados atienden las nuevas necesidades asociadas a la penetración de la generación variable y posibilitan que las cargas (la demanda), hasta ahora esencialmente pasivas, participen en el control de los futuros sistemas eléctricos. 

  1. Los sistemas eléctricos limpios  

Los sistemas eléctricos son complejos de operar porque necesitan mantener un equilibrio instantáneo y permanente entre la generación y el consumo de energía. En los mercados de bienes físicos el equilibrio se ajusta por medio del movimiento de los bienes en el tiempo (mediante almacenamiento) y en el espacio (por medio del transporte de los bienes desde o hacia mercados aledaños). La electricidad no se puede almacenar y se transmite a la velocidad de la luz (cerca de 300 mil km por segundo). Además, todos los generadores tradicionales operan en sincronía, a una frecuencia de 60 o 50 Hertz (ciclos por segundo). 

Los sistemas eléctricos constan de redes de transmisión de muy alto voltaje para conducir grandes flujos de potencia, redes de subtransmisión en altos voltajes, y redes de distribución que se subdividen en media y baja tensión. Desde hace más de 100 años, los sistemas eléctricos fueron diseñados para mantener la sincronía controlando la frecuencia —una propiedad única para todo el sistema eléctrico— en un intervalo muy estrecho de tolerancia. El voltaje es una variable que se controla a nivel de zona. El control de voltaje se ve afectado por los niveles de flujos de potencia real y potencia reactiva en las redes, y por la longitud de las líneas de transmisión. 

La electricidad tiene la ventaja de ser producible a partir de cualquier fuente de energía, por ello, para avanzar en la transición hacia un sistema de energía ambientalmente sostenible es prioridad estratégica que los sistemas eléctricos generen electricidad por medio de fuentes de energía limpia. Esto es, con energías renovables (eólica, solar, hidroeléctrica, geotérmica, bioenergía) y nuclear. En el futuro, mediante avances tecnológicos, podrían añadirse otros medios limpios de generación eléctrica, tales como energía de los océanos, gas natural con captura y confinamiento de carbono, y nuevos combustibles limpios (hidrógeno, amoniaco y combustibles sintéticos).

La electricidad misma es limpia, eficiente y vasta en sus aplicaciones. Con electricidad proveniente de fuentes limpias de generación la electrificación de los usos finales en forma de iluminación, calor y transporte evita las emisiones de gases con efecto invernadero y ahorra energía. Lo que se requiere es que la electricidad provenga de fuentes limpias, sea asequible y su suministro confiable.  

Estas condiciones se logran con facilidad cuando la dotación de recursos naturales incluye buenos y abundantes recursos hidroeléctricos —como en Noruega— o una combinación de recursos hidroeléctricos y geotérmicos abundantes y de buena calidad —como en Islandia—. Sin embargo, estos recursos son escasos a nivel mundial, su disponibilidad es limitada o inexistente en la mayoría de los países. 

En contraste, los recursos solar y eólico son abundantes en muchas regiones. Después de cerca de 30 años en desarrollo, demostración y despliegue, las tecnologías para su aprovechamiento han recorrido sus curvas de aprendizaje, asimilando innovaciones relacionadas con economías de escala en fabricación y con la experiencia acumulada de gran cantidad de proyectos, con lo cual han alcanzado reducciones sustanciales en costos. Actualmente, los recursos eólicos y solares de buena calidad son comercialmente competitivos en muchos países. No obstante, tienen dos características que deben atenderse, (1) las fluctuaciones naturales del viento y la radiación solar se traducen en la producción variable de energía eléctrica, que no es inherentemente compatible con la confiabilidad de los sistemas eléctricos, (2) las centrales eólicas y solares generan electricidad en corriente directa, la cual debe pasar por un inversor que la convierte en corriente alterna para ser inyectada a las redes eléctricas. Al ser asíncronas, estas unidades generadoras no tienen masa que aporte inercia al sistema eléctrico, siendo esta la base primaria de su estabilidad. El reto, entonces, es incluir los avances tecnológicos que sean necesarios para incorporar cantidades significativas de parques eólicos y solares en los sistemas eléctricos, preservando, al mismo tiempo, su estabilidad y confiabilidad.

Cuando la participación de las energías variables en un sistema eléctrico es baja sus cambios se confunden con las fluctuaciones naturales de la demanda, y la masa disponible de fuentes tradicionales de generación es suficiente para propiciar la estabilidad del sistema. Pero al incrementar su participación, las energías variables imponen la necesidad de rediseñar los sistemas eléctricos para adaptarlos a las variaciones en la oferta y la disminución de la inercia, mediante el suministro de nuevos servicios, denominados genéricamente servicios auxiliares. Además, al aumentar la intensidad en las variaciones de los flujos de potencia en las redes eléctricas, se complica el control de la frecuencia y el voltaje. 

Por lo que se refiere al estado del sistema eléctrico, con el paso de los años se reemplazan unidades generadoras obsoletas o de baja confiabilidad, pero las redes eléctricas son una mezcla de elementos con distintas categorías de antigüedad y confiabilidad. No es posible reemplazar por completo las redes eléctricas, por lo que requieren atención especial para ampliarlas, modernizarlas, y mantenerlas robustas, suficientes y confiables. 

A lo largo de este siglo los operadores de sistemas eléctricos han pasado por un proceso de aprendizaje para comprender y gestionar estos cambios. En paralelo, los tecnólogos han incorporado importantes avances en el diseño y control de las centrales eólicas y solares, y en el diseño, el control y la operación de los sistemas eléctricos. Por su parte, los reguladores han identificado y explicitado en los códigos de red buena parte de los nuevos servicios conexos que se requieren. 

En síntesis, se ha avanzado, y se continúa innovando, para adaptar las energías variables a los sistemas eléctricos y viceversa. Gradualmente se han ido identificando las características que deben reunir los sistemas eléctricos del futuro, y continúa la innovación tecnológica para atenderlas debidamente. Estos temas serán tratados con mayor amplitud en una nota posterior. 

En México al menos durante los últimos ocho años no se han realizado las inversiones requeridas en redes eléctricas, lo que constituye una limitante para la penetración de las energías variables y, en un sentido más amplio, va en detrimento de la confiabilidad del servicio eléctrico.

  1. Gas Natural ¿combustible para la transición? 

Reemplazar carbón y petróleo con gas natural es la forma práctica de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero (GEI). La industria eléctrica de México lo hizo entre los años noventa y los dos mil. En años recientes Turquía, India, China y otros países asiáticos lo están llevando a cabo.

La guerra de Rusia ha hecho del suministro de gas natural un riesgo geopolítico para la Unión Europea y ha trastornado los mercados mundiales de combustibles fósiles. Como consecuencia aumentan las exportaciones de gas de todos los continentes a Europa, mientras que el gas ruso se destina en proporciones crecientes a países de Asia, a precios de descuento. 

Durante 2022 la Unión Europea (UE) ha tomado acciones para reducir su dependencia de los combustibles fósiles rusos y recién aplicó la denominación de energías verdes al gas natural y la energía nuclear.5 Con ello la UE abre la oportunidad de canalizar créditos y recursos públicos a proyectos de inversión en infraestructura para la importación de gas natural licuado de otros continentes y al desarrollo de centrales nucleares. 

Los precios del gas natural probablemente continuarán elevados, lo que contribuirá a impulsar el mayor desarrollo de las energías variables y la eficiencia en energía. 

“En principio, las nuevas inversiones en gas natural son sostenibles sólo si se desarrollan tecnologías comerciales para la captura y el confinamiento del carbono”. 

No obstante, hay preocupación por que las inversiones nuevas para el manejo del gas natural, terminales receptoras de gas natural licuado, tanques criogénicos para su almacenamiento, plantas de regasificación y gasoductos, prolonguen su vida útil durante décadas, o bien que se conviertan en instalaciones varadas. En principio, las nuevas inversiones en gas natural son sostenibles sólo si se desarrollan tecnologías comerciales para la captura y el confinamiento del carbono. 

Ante esta situación, la Unión Europea patrocina estudios para incorporar en el diseño de la nueva infraestructura características adecuadas para el eventual manejo de hidrógeno u otros combustibles limpios. Otra opción contemplada es el arrendamiento o la compra de instalaciones de almacenamiento y regasificación flotantes. El próximo noviembre está programada la entrada en operación de la primera terminal receptora de gas natural licuado en Europa desde el inicio de la guerra. Se trata de una instalación flotante en Estonia, que entregará gas a la red de gasoductos de los países Bálticos y Finlandia6.    

Impacto ambiental

En un período de 20 años 1 ton de metano en la atmósfera tiene un impacto invernadero equivalente a 80 ton de CO2. La ventaja del gas natural es su vida corta, pero su impacto sobre el clima es más severo en el corto plazo.

Por esta razón en la COP de Glasgow 2021, más de 100 países, México incluido, acordaron reducir las emisiones de metano 30% para 2030. El propósito es evitar la quema y descarga de gas natural durante la explotación de hidrocarburos y las fugas de gas en instalaciones, a menudo sin costo neto. Han mejorado mucho las técnicas para distinguir las fuentes de emisiones mediante satélites, láseres y drones. En 2023 la NASA lanzará 2 satélites dedicados a la identificación de fuentes de emisiones de metano y CO2. Excepto por algunas situaciones de emergencia, mediante reparaciones se pueden evitar las emisiones de metano. El IEA estima que a largo plazo se podrá eliminar el 90% de las quemas y descargas y el 62% de las fugas de metano. El resto son fugas demasiado pequeñas, difíciles y caras de evitar. Un ejemplo son las flamas de pilotos que tenemos en nuestras casas, en estufas y calentadores de agua. Para estas emisiones pequeñas sería preferible reemplazar los equipos emisores por tecnologías tales como calentadores de paso modernos y estufas eléctricas. La solución práctica es establecer normas para que los equipos nuevos no emitan metano.  

  1. Energía nuclear

El porcentaje mundial de generación nuclear bajó de 17.5% en 1996 a 10.1% en 20207. Esta disminución se debió principalmente a que tras el accidente de Chernobil (1986) se terminaron la mayor parte de los proyectos que se encontraban en construcción, pero pocos países (entre ellos Francia, Bélgica, Japón) iniciaron proyectos nuevos.

En la actualidad, la opción nuclear más atractiva es la extensión de vida útil de reactores en operación. Los mantenimientos han mejorado mucho resultando en aumentos en los niveles de disponibilidad de los reactores. A continuación, una muy breve reseña de algunos acontecimientos relevantes.  

EUA tuvo un máximo de 104 reactores operando en 20128, 92 siguen en operación y 41 han sido retirados del servicio, los más antiguos por haber sido proyectos de demostración y algunos retiros recientes por falta de competitividad en estados en los que operan mercados eléctricos, en ciertos casos con subsidios a las energías variables. Otras causas de retiros han sido requerimientos de inversión elevados para cumplir con nuevas regulaciones y la oposición política local. Por otra parte, varios reactores han obtenido aprobación para extensión de vida útil, generalmente por 40 años adicionales. En la central nuclear Vogtle en Georgia, dos reactores nuevos, de III generación, se encuentran en pruebas preoperativas, programados para iniciar operaciones en el 1er y 4º trimestres de 20239. Vogtle resultó un proyecto de costo elevado y tiempo prolongado de ejecución, debido principalmente a la pérdida de experiencia (falta personal especializado, certificado en ingeniería, fabricación, construcción y supervisión) tras varias décadas sin construir reactores nucleares y a que la regulación nuclear (federal) es rigurosa y prolongada. En los EUA la jurisdicción y la regulación estatales, y la organización industrial, son factores determinantes de estas decisiones de retirar, prolongar la vida útil o construir unidades nucleares nuevas.     

En México las dos unidades de Laguna Verde tuvieron licencias para operar durante 30 años. La unidad 1 terminó su ciclo en 2019 y obtuvo la licencia para 30 años adicionales. La unidad 2 concluirá el ciclo en 2024 y se encuentra en proceso de aprobación de extensión de vida útil por parte de la Conasenusa, el regulador nuclear.

Actualmente únicamente China y Corea del Sur están construyendo reactores en plazos cortos, de entre 5 y 6 años. 

El futuro de la energía nuclear

Las principales líneas de investigación y desarrollo —hay del orden de 50 diseños— se refieren a reactores modulares pequeños (SMR) conceptualizados para tener costos inferiores, plazos de construcción breves y bajo riesgo financiero. El objetivo es producirlos en serie, en fábricas, con ensamble final en el sitio. Los diseños exitosos podrían comercializarse hacia 2030. 

Además, algunos países llevan a cabo investigaciones sobre diseños avanzados para reactores de mayor capacidad. La tendencia es hacia menores presiones y mayores temperaturas. Las presiones menores ayudarían a reducir costos en materiales y componentes, y aumentar la seguridad. Las temperaturas más elevadas aumentarían las eficiencias térmicas y añadirían usos alternos simultáneos, tales como la producción de hidrógeno, amoniaco e isótopos, la desalinización de agua y el tratamiento de aguas negras10

  1. Combustibles limpios o de bajo carbono 

Necesitaremos combustibles limpios o bajos en carbono para: (1) operar centrales térmicas que den capacidad firme e inercia al sistema eléctrico del futuro, (2) almacenar energía estacional y (3) suministrar energía limpia a los procesos que serán difíciles de electrificar. Los combustibles limpios potenciales son: hidrógeno, amoniaco, combustibles sintéticos y biocombustibles. 

Los modelos matemáticos que desarrollan universidades y centros de investigación para estudiar los sistemas de energía del futuro se pueden representar mediante diagramas que muestran sus estructuras. Estos diagramas ponen en evidencia que los combustibles limpios conducirán a sistemas de energía más complejos. Aumentarán sustancialmente los procesos de transformación y almacenamiento de distintas formas de energía, la infraestructura tendrá más redundancias y bajarán los factores de utilización de sus diferentes elementos constitutivos. Se utilizarán procesos químicos diversos e intercambiadores de calor para producir y transformar estos nuevos combustibles limpios.  

Hidrógeno

En la actualidad prácticamente todo el hidrógeno se obtiene en refinerías de petróleo al calentar el metano del gas natural, con vapor, lo que resulta en monóxido de carbono e hidrógeno con alto nivel de pureza, apto para procesos industriales de alta temperatura y para celdas de combustible. Se le denomina Hidrógeno Gris para denotar que el proceso utiliza gas natural y emite dióxido de carbono. Si al proceso se le incorpora captura y confinamiento de carbono se eliminan las emisiones y se le llama Hidrógeno Azul. 

Al que se produce con electricidad limpia en procesos electrolíticos se le conoce como Hidrógeno Verde. Este se produce actualmente en volúmenes pequeños, limitados por la capacidad de los electrolizadores y se utiliza en aplicaciones específicas, pero es demasiado caro, no compite con el hidrógeno gris de las refinerías.  

Un grupo de tecnologías en desarrollo se refieren a la captura y confinamiento de carbono para producir hidrógeno azul. Otro grupo trabaja intensamente en la investigación y desarrollo de varias tecnologías para electrolizadores avanzados, con escalas mayores, con la expectativa de obtener hidrógeno verde competitivo con el hidrógeno gris hacia fines de esta década. También están en estudio procesos termoquímicos orientados a la separación de agua en sus componentes para producir hidrógeno.

El hidrógeno es una energía de muy baja densidad, lo que causa desventajas comparativas en su transporte. En consecuencia, se espera que el hidrógeno verde o azul se produzca en grandes volúmenes principalmente en conglomerados industriales, incluyendo la generación eléctrica de gran escala, para facilitar y obtener economías en su suministro. 

Hoy día el hidrógeno puede mezclarse con gas natural en proporciones bajas (<30%) para transportarse en gasoductos y para operar unidades turbogas. Para transportar hidrógeno puro será necesario modernizar y modificar la infraestructura diseñada para gas natural. Los fabricantes de unidades turbogas avanzadas para ciclos combinados tienen programas de desarrollo tecnológico con la meta de hacerlas operables a hidrógeno al 100% para el año 2030. 

“En los próximos años habrá que trabajar en la demostración y el desarrollo de la infraestructura para el manejo del hidrógeno licuado, considerando que las temperaturas requeridas incidirán en costos mayores”.

Las temperaturas para licuefacción son: -160°C para el gas natural, -253°C para el hidrógeno y -33°C para el amoniaco. La tecnología de los procesos criogénicos para el manejo del gas natural licuado es madura, pero las inversiones son elevadas. Recientemente Japón utilizó el primer buque-tanque experimental para transportar hidrógeno licuado, llevando un cargamento desde Australia. En los próximos años habrá que trabajar en la demostración y el desarrollo de la infraestructura para el manejo del hidrógeno licuado, considerando que las temperaturas requeridas incidirán en costos mayores. 

Amoniaco

La energía volumétrica del amoniaco es 70% superior a la del hidrógeno, lo que aunado a su temperatura de licuefacción será determinante para conformar los nichos de aplicaciones potenciales para cada uno.

El amoniaco se produce al mezclar el nitrógeno del aire con gas natural a altas temperaturas y presiones. En este proceso el 60% del gas natural es materia prima para el amoniaco y 40% es energía térmica para el proceso de síntesis.

El amoniaco se utiliza principalmente para elaborar ácido nítrico, el que a su vez se procesa para sintetizar fertilizantes nitrogenados. Por sus características físicas el amoniaco líquido se puede almacenar en refrigeradores industriales y se transporta en contenedores convencionales. La infraestructura existente para su almacenamiento y distribución es una ventaja para su eventual despliegue como combustible limpio.

El amoniaco es apto para reemplazar al “bunker” (mezcla de combustóleo y diesel) que se utiliza en el transporte marítimo. Se estima que el amoniaco pueda llegar a ser el combustible marino del futuro. La tecnología y la infraestructura existen, pero se requiere innovar para que el amoniaco sea competitivo en aplicaciones de gran escala. 

Combustibles sintéticos

Se producen a partir de gas sintético (Syngas), que es una mezcla de hidrógeno con monóxido o dióxido de carbono, con opciones adicionales de combinaciones posteriores. En Europa hay varios proyectos de demostración. En 2021 se realizó el primer vuelo comercial con queroseno sintético entre Ámsterdam y Madrid. Otras aplicaciones de los combustibles sintéticos, al nivel de demostración, son una planta de metanol en Islandia y una central eléctrica en Noruega, que además produce petróleo sintético.

Biocombustibles 

La biomasa puede gasificarse (biogas) y, por medio del proceso Fischer-Tropsch, convertirse en hidrocarburos líquidos, principalmente petrolíferos intermedios sintéticos (diesel, turbosina, nafta), que utilizarían la infraestructura existente para estos petrolíferos. Se visualiza su uso potencial como turbosina.  

Conclusión

Esta nota es un muy breve recorrido por algunos de los campos de investigación y desarrollo de los principales ejes tecnológicos, necesarios para la transición hacia un sistema de energía ambientalmente sostenible. Los ejes fundamentales descritos en esta nota son (1) la eficiencia en energía, (2) la digitalización, (3) los sistemas eléctricos limpios, (4) el gas natural como elemento para la transición, (5) la energía nuclear y (6) los combustibles limpios o de bajo carbono. Estos seis ejes tecnológicos son sólo una parte de la solución. En notas posteriores trataré en detalle diversos subtemas y otras opciones adicionales. EP

  1. International Energy Agency, Energy Efficiency 2021, noviembre de 2021 [] []
  2. Lovins, Amory, conferencia en la universidad de Stanford, noviembre de 2020 []
  3. The New York Times, Germany’s Monthly Train Pass, 15 de agosto de 2022 []
  4. IEA, Energy Efficiency 2021, p.78, 2022 []
  5. The New York Times, Europe calls gas and nuclear energy green, 6 de julio de 2022 []
  6. The New York Times, Estonia never needed to import gas by ship. Until it did, 16 agosto, 2022 []
  7. The Economist, Small Modular Reactors, March 26, 2022 []
  8. World Nuclear Association https://www.world-nuclear.org/information-library.aspx, consultado 12 de agosto de 2022 []
  9. Associated Press, Georgia’s nuclear plant’s cost now forecast to top 30 billion USD, 8 de mayo de 2022 []
  10. Electric Power Research Institute, documento interno, 2021 []
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