La ingeniería ha contribuido mucho al mundo, ha transformado la naturaleza del trabajo, mejorado la sanidad e ayudado a crear infraestructuras vitales. La mala noticia es que para alimentar las herramientas y procesos detrás de estos avances, nos hemos apoyado en combustibles no renovables, aquellos que se producen a una velocidad mucho más lenta que la que los utilizamos. Como su nombre indica, los no renovables no estarán aquí para siempre.
Recursos como el petróleo y el gas natural podrían agotarse en tan solo medio siglo, y su uso ha sido francamente perjudicial para el medio ambiente. El 87% del dióxido de carbono dañino emitido por los humanos en los últimos 50 años proviene de la quema de combustibles como el carbón, el petróleo y el gas natural, conocidos colectivamente como combustibles fósiles. Ha sido terrible para la atmósfera y los océanos, y está cambiando nuestro clima de manera peligrosa. Nos guste o no, tendremos que encontrar nuevas formas de alimentar nuestro mundo.
A pesar de sus terribles efectos en el medio ambiente y su suministro limitado, por ahora, los no renovables hacen un trabajo realmente bueno para satisfacer nuestras necesidades energéticas. En 2017, el 80% de la energía utilizada en Estados Unidos se obtuvo a partir de combustibles fósiles, y la necesidad de energía no parece estar disminuyendo en absoluto. Otro 9% se obtuvo a partir de la fisión nuclear, un proceso que implica la división de átomos y que emite mucho menos CO2.
Desafortunadamente, la fisión también produce residuos radiactivos y depende de fuentes de combustible no renovable como el uranio y el plutonio. Todos estos métodos operan, en términos generales, según el mismo principio: funcionan como una máquina de calor. Un fluido de trabajo, generalmente agua, se calienta mediante el combustible para expandirse y realizar trabajo, girando las aspas de una turbina. La turbina está conectada a un generador eléctrico que convierte el movimiento rotativo de las aspas en energía eléctrica, que luego se alimenta a la red.
Energía renovable
Pero, ¿Qué pasa con el 11% restante de la energía que proviene de fuentes renovables, aquellas que se generan a la misma velocidad que las utilizamos? Algunas de las principales fuentes de energía renovable provienen de procesos que ocurren naturalmente en la Tierra: la energía eólica, solar, hidroeléctrica y geotérmica. Ninguna de estas fuentes se agotará, ya que todavía nos quedan varios miles de millones de años de luz solar, por ejemplo. Además, la energía renovable tiende a liberar menos productos de desecho dañinos, como el dióxido de carbono.
Tomemos, por ejemplo, la energía hidroeléctrica, que convierte la energía cinética del agua en movimiento en energía eléctrica. Una planta hidroeléctrica puede desviar parte del flujo de un río, a veces a través de un túnel, para hacer girar las turbinas de un generador. Esto funciona bien en algunos lugares, pero el problema radica en controlar la generación de energía para satisfacer la demanda.
No se quiere aportar demasiada energía a la red cuando no se utilizará, ni se quiere aumentar el suministro cuando la demanda aumenta repentinamente, como durante el descanso del medio tiempo en un partido de fútbol. Es por eso que la forma más común de energía hidroeléctrica es una presa hidroeléctrica. Al construir una presa que inunda un área y crea un gran embalse de agua, el agua luego cae a través de las turbinas del generador en la parte inferior de la presa, convirtiendo la energía cinética del agua en energía.
Otra fuente de energía renovable similar a la hidroeléctrica es la energía eólica, que también utiliza turbinas. La principal diferencia es que el fluido que hace funcionar las turbinas es el aire en lugar del agua. El diseño de las aspas de una turbina eólica es un desafío de ingeniería importante, ya que deben extraer eficientemente la energía del viento. Sin embargo, la fuerza del viento no se puede controlar fácilmente, por lo que no se puede aumentar ni disminuir la generación de energía según la demanda.
Además, el transporte de la energía eólica desde áreas abiertas y poco pobladas con mucho viento hasta centros urbanos densamente poblados con baja cantidad de viento pero alta demanda de energía plantea dificultades adicionales debido a las pérdidas de energía durante la transmisión. Por todas estas razones, la energía eólica solo ha generado el 4% del suministro total de energía mundial en los últimos años.
Otro factor importante en fuentes de energía renovable como la hidroeléctrica y la geotérmica es la ubicación. Por ejemplo, la energía geotérmica depende de la presencia de depósitos subterráneos de rocas volcánicas calientes, generalmente cerca de los límites de las placas tectónicas de la Tierra. Estos depósitos se utilizan como fuente de calor para una planta de energía, pero encontrar las condiciones subterráneas adecuadas puede ser costoso y solo es posible en ciertas partes del mundo, como Islandia e Italia.
Energía solar y desafíos energía solar
Hay una fuente de energía renovable tan abundante y de fácil acceso que solo tienes que salir al exterior en un día soleado para verla: la energía solar. De hecho, la cantidad de luz solar que la Tierra recibe en un solo año es el doble de la cantidad total de energía que se extraerá de los combustibles fósiles y la fisión nuclear combinados.
El desafío aquí radica en encontrar formas eficientes de aprovechar esa energía, ya que convertir la luz solar en electricidad no es sencillo. La tecnología más prometedora que tenemos se llama célula fotovoltaica (PV, por sus siglas en inglés). Estas células, también conocidas como paneles solares, están formadas por múltiples células dispuestas en conjunto.
A diferencia de lo que hemos visto hasta ahora, aquí no hay rastro de una turbina. En cambio, las células fotovoltaicas utilizan dos piezas semiconductoras para establecer un campo eléctrico que dirige el movimiento de los electrones libres en una cierta dirección. En resumen, los materiales fomentan que fluya una corriente eléctrica cuando reciben energía, que luego viaja a través del circuito, suministrando energía a lo que esté conectado a la célula fotovoltaica.
Esto significa que los paneles solares pueden suministrar energía directamente a la red eléctrica. Pero, como hemos visto con otras fuentes de energía, los costos, la demanda fluctuante, la ubicación y la transmisión son factores a tener en cuenta. Por un lado, las células solares no son demasiado eficientes. Las mejores células solares pueden convertir el 40% de la energía que absorben en energía eléctrica, pero son caras de producir debido a la alta calidad de silicio que se necesita.
En promedio, las células fotovoltaicas industriales son aproximadamente un 17% eficientes. Una vez que se tiene en cuenta el costo de fabricar las células y el almacenamiento de energía, la energía solar termina siendo de entre tres y seis veces más cara de producir que la de los combustibles fósiles. Aumentar la eficiencia de los paneles solares reduciría drásticamente este costo.
Otro desafío con la energía solar es que, al igual que con la presa hidroeléctrica, se necesita una forma de almacenar energía para controlar la producción de energía según la demanda. No se genera mucha energía solar en un día nublado, mientras que puede haber un excedente en días soleados.
Sin embargo, no se puede almacenar la luz solar directamente. En cambio, los ingenieros están trabajando en formas de almacenar temporalmente esa energía adicional, como mediante baterías o incluso bombeando agua a una columna para luego aprovechar esa energía como energía hidroeléctrica durante períodos de alta demanda. Una vez más, la eficiencia juega un papel importante en la viabilidad de estos métodos de almacenamiento de energía.
A pesar de los desafíos de eficiencia, almacenamiento y fabricación, los paneles solares tienen una gran ventaja: pueden ser instalados prácticamente en cualquier lugar. En lugar de tener que transmitir energía a largas distancias, los paneles solares se pueden instalar en pequeña escala cerca de las áreas de demanda, incluso en el techo de una casa individual. Sin embargo, fabricar los paneles en sí mismos también tiene sus problemas.
Uno de los materiales utilizados para fabricar paneles solares es el cuarzo, que debe ser procesado para producir el silicio de alta calidad necesario en la fabricación de las células fotovoltaicas. Este proceso es muy energéticamente intensivo y anula parte de la producción de energía total de los paneles solares a lo largo de su vida útil. Además, el procesamiento del cuarzo a menudo produce subproductos tóxicos que pueden derramarse en el medio ambiente y causar daños en el suelo.
El futuro de la energía renovable y desafíos energía solar
A pesar de estos desafíos, los ingenieros del futuro tienen muchas formas de contribuir para hacer que la energía solar sea más viable. Actualmente, los investigadores están buscando nuevos sistemas de almacenamiento, como utilizar la energía solar para producir hidrógeno como combustible, que puede quemarse posteriormente sin emisiones de dióxido de carbono.
Además, los ingenieros están introduciendo nuevos materiales en la fabricación de paneles solares y mejorando la forma en que las células fotovoltaicas están conectadas y dispuestas en los paneles. Incluso se están desarrollando métodos experimentales que utilizan nuevas estructuras a nivel molecular llamadas nanocristales, que aumentan la cantidad de energía entregada a los electrones del material cuando se absorbe luz, en lugar de perder la energía como calor.
Este avance podría aumentar la eficiencia lo suficiente como para que sea económicamente competitiva con las fuentes de energía actuales y aumentar la adopción de la energía solar en todo el mundo.
Así que hay muchos desafíos por delante para llevar las fuentes de energía renovable al frente de la producción de energía eléctrica. Pero esto deja más espacio para que los ingenieros del futuro tengan un impacto y encuentren nuevas soluciones a las necesidades energéticas del mundo.
En este episodio, hemos analizado las fuentes de energía renovable y por qué las necesitamos. Hemos visto cómo se utilizan la hidroeléctrica, eólica, geotérmica y solar para producir electricidad, los desafíos a los que se enfrentan y las áreas en las que los ingenieros están trabajando para hacer que su uso sea más extendido. En nuestro próximo episodio, veremos cómo los ingenieros han ido más allá de los procesos naturales para inventar formas completamente nuevas de generar energía.
