Hacia una energía limpia, segura y eficiente

Uno de los principales retos que afronta la humanidad en el futuro más cercano es el problema de la energía. Según la Agencia Internacional de la Energía, la demanda energética global se habrá incrementado un 30% en 2040. Sin embargo, nuestra sociedad sigue dependiendo de los combustibles fósiles: las dos terceras partes de la demanda de energía primaria en España se cubre con hidrocarburos. Además del problema de la contaminación y el cambio climático, este modelo nos convierte en un país dependiente de las importaciones, que cubren el 70% de nuestra demanda energética.

¿Cómo conseguir una energía más limpia, segura y eficiente? Este es uno de los desafíos que el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha marcado en su agenda para tratar de buscar soluciones en 2030. “El objetivo es desarrollar tecnologías que faciliten la transición energética desde un modelo basado en combustibles fósiles hacia un sistema autosostenible y respetuoso con el medio ambiente. Para ello, más de 100 grupos de investigación de 50 centros del CSIC trabajan en diversas líneas”, explican José Manuel Serra (ITQ, CSIC-UPV) y Domingo Pérez Coll (ICV, CSIC), coordinadores del Libro Blanco del CSIC, que analiza la situación actual y propone las líneas de actuación. “Es indispensable consolidar modos alternativos y limpios de obtener y almacenar la energía y emplear métodos más eficientes de gestionar los recursos existentes y sus emisiones”, apuntan.

Lo primero que pensamos al hablar de alternativas a los combustibles fósiles es en las llamadas energías renovables. Un 15% del consumo diario de energía en el mundo se extrae de fuentes renovables. La principal es la hidráulica, seguida de la eólica y la solar. “España es líder mundial en generación y consumo de energía renovable, resultado de un sistema eléctrico robusto con altas cuotas de energía eólica y solar fotovoltaica”, describe Hernán Míguez (ICMS, CSIC-US). “Pero, a diferencia de los demás países, en España la eólica es la principal fuente renovable, seguida de la hidroeléctrica y la solar fotovoltaica”.

España prevé alcanzar un 42% de renovable en el uso final de la energía en 2030, llegando al 74% renovable en el sector eléctrico. En opinión del investigador del CSIC, nuestro país está llamado a jugar un papel clave en el futuro desarrollo y comercialización de las energías renovables. “Contamos con recursos naturales, un alto nivel de avance tecnológico y el reconocimiento internacional de nuestra posición en este campo”, enumera.

El CSIC es una pieza central en el tablero de las renovables en España. Cuenta con personal científico de reconocido prestigio, lo que se refleja en numerosos proyectos de investigación y en una consolidada relación con las empresas del sector. Un ejemplo es el proyecto Bluesolar, para desarrollar una tecnología híbrida entre la fotovoltaica y la CSP (del inglés, concentrated solar power). El reto es mejorar la eficiencia, y aquí la principal innovación es la integración de filtros ópticos en los paneles que dividen el espectro de la luz solar en dos: una parte del mismo es aprovechado por las celdas solares y el resto se envía a una torre de concentración para almacenar energía térmica para su uso cuando baja la radiación solar.

Además de conseguir fuentes de energía alternativas, otro de los retos es almacenar la energía que se produce. La cantidad de energía almacenada a nivel mundial constituye una pequeña fracción de la generada y consumida. Sin embargo, la electrificación del transporte y la integración de las renovables en la red eléctrica requieren un aumento drástico en la capacidad de almacenamiento, y más considerando que nuestro consumo de energía se incrementa un 5% cada año. Las necesidades de almacenamiento para España se cuantifican en 20 gigavatios (GW) en 2030, desde los 8,3 GW disponibles ahora.

“El almacenamiento también es crucial para introducir flexibilidad en la red eléctrica y permitir la generación distribuida. A escala europea o española, el aumento de la capacidad de almacenamiento también debería permitir una disminución de las importaciones de energía”, opina M. Rosa Palacín (ICMAB, CSIC). La clasificación más común para las tecnologías de almacenamiento de energía considera cinco tipos: químico (hidrógeno), electroquímico (baterías, celdas de flujo, supercondensadores), eléctrico, mecánico (aire comprimido, volantes de inercia, bombeo hidroeléctrico) y térmico. Las prestaciones que pueden proporcionar y su grado de madurez es desigual. “El desafío se centra en optimizar su desarrollo para disponer de tecnologías de almacenamiento de energía robustas, fiables, económicamente competitivas y sin impacto ambiental negativo”, resume Palacín.

La actividad del CSIC abarca todos los tipos de almacenamiento, centrándose en sistemas químicos y electroquímicos. El CSIC participa en diversas iniciativas europeas en este ámbito (Batteries Europe ETIP, EERA, BEPA, BatteryPlat…). Los institutos del área de Materia del CSIC llevan a cabo proyectos en tecnologías muy diversas y con distintos grados de desarrollo, desde la búsqueda de nuevos conceptos de baterías basados en iones multivalentes hasta el desarrollo de baterías de flujo redox para el almacenamiento de energía a gran escala.

La eficiencia y la recuperación de energía son otros conceptos clave en este desafío. Se trata de desarrollar tecnologías para recuperar y ahorrar energía en nuestro ámbito más cotidiano: casas y objetos. Los edificios son responsables del 40% de la energía consumida en Europa, pero un 75% de estos son ineficientes desde el punto de vista energético. Para tratar de paliar este problema se prueban materiales avanzados con funciones adicionales (recubrimientos que reflejen parte del espectro solar, fachadas cubiertas de materiales que recuperen energía, iluminación artificial o pasiva, sistemas eficientes de ventilación, etc.). Además, se desarrollan nuevos métodos constructivos como la impresión 3D o la reutilización de materiales de derribo.

“En el CSIC existen varios proyectos europeos para aprovechar la energía mecánica o energía térmica y convertirla en energía eléctrica y así aumentar la eficiencia energética actual”, expone Marisol Martín (IMN, CSIC). “Uno de los grandes campos de aplicación está en la alimentación de dispositivos ponibles [del inglés wearables] y sensores conectados a internet de las cosas o a nuestros dispositivos móviles”, revela. La investigación en este campo se centra en aumentar la eficiencia en la conversión de estos dispositivos, así como en desarrollar materiales basados en elementos abundantes y no tóxicos.

“El objetivo es conseguir que estos dispositivos sean flexibles y compatibles para su uso en el cuerpo humano. De este modo se busca obtener fuentes de energía sostenibles, auto recargables y miniaturizables, que pueden utilizarse para alimentar biosensores que envíen señales a la nube o a nuestro propio teléfono para mejorar la calidad de vida de las personas sin aumentar la huella de carbono”, asegura Martín.

Otro de los retos es conseguir una industria menos contaminante. Actualmente, el sector industrial supone un 30% del consumo global de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero. El desafío de la electrificación industrial tiene como objetivo la sustitución de tecnologías que emiten gases de efecto invernadero por otras basadas en electricidad procedente de renovables, que ahora suponen sólo un 7% de la energía que consume la industria. “La electrificación es una de las herramientas más eficaces que permitirán alcanzar los objetivos de descarbonización industrial para el año 2050, aunque quedan muchos aspectos científicos y tecnológicos por resolver”, asegura Xavier Jordà (IMB-CNM-CSIC).

La electrificación industrial requiere nuevos procesos electroquímicos. La mejora de las soluciones existentes basadas en combustión (bombas de calor, inducción, etc.) y el desarrollo de nuevas soluciones de calentamiento electromagnético (microondas, láser, haz de electrones, arco de plasma…) reducirán drásticamente las emisiones de dióxido de carbono (CO₂), según Jordà. Por otra parte, el desarrollo de tecnologías electroquímicas y el procesado eléctrico de materiales mediante dispositivos como los reactores de membrana electroquímica tienen gran potencial, aunque su aplicación industrial requiere investigar nuevos materiales. Institutos del CSIC como el ITQ desarrollan numerosas actividades en este campo.

Además, hay que desarrollar un sistema de transporte, distribución, almacenamiento y conversión de la energía eléctrica que interconecte las distintas fuentes renovables y los puntos de uso de un modo eficiente, flexible y fiable. La futura red eléctrica inteligente se basa en tecnologías donde también trabaja el CSIC. En el campo de los semiconductores, el corazón de la red que permite una conversión eficiente de la potencia eléctrica, el IMB-CNM desarrolla dispositivos de ‘gap ancho’ (wide band-gap, en inglés) como el carburo de silicio, el nitruro de galio e incluso el diamante. “Las redes inteligentes se basarán en convertidores de potencia y usarán la inteligencia artificial para integrar las fuentes renovables intermitentes, la previsión de la demanda de consumo, la mejora de la calidad de la energía, la recuperación de la red y la participación activa de los consumidores en los mecanismos de oferta y demanda”, resume Jordà.

Además de la industria, otro gran consumidor de energía es el transporte. El sector es el segundo mayor consumidor de energía en Europa y produce el 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, depende del petróleo para el 95% de sus necesidades energéticas. La biomasa vegetal, la principal fuente de materiales renovables en la Tierra, aparece como una solución posible para la descarbonización del transporte. “La biomasa está disponible en grandes cantidades a muy bajo costo, principalmente como residuos de la actividad agrícola y forestal, y representa una fuente potencial para la producción de energía, combustibles para transporte y productos de alto valor añadido”, opina José Carlos del Río (IRNAS, CSIC).

La investigación en biomasa se centra en el aprovechamiento de residuos agrícolas y forestales, así como de especies vegetales de crecimiento rápido cultivadas específicamente para la producción de biomasa, para la obtención de biocombustibles de segunda generación (procedentes de cultivos que no entran en competencia con aquellos dedicados a la alimentación), o a partir de algas (tercera generación). Para un máximo aprovechamiento de la biomasa, “la investigación en los procesos catalíticos se centra en mejorar la estabilidad en medios no habituales para la industria y en combinar procesos con varias transformaciones en un único sistema catalítico o varios catalizadores, los llamados procesos en cascada, más eficientes y con menos etapas de purificación”, explica José Miguel Campos (ICP, CSIC). “Otros avances se centran en obtener organismos y encimas más eficientes en condiciones más extremas, que permitan actuar sobre más substratos con un mayor rendimiento”.

El desafío sobre biomasa del CSIC pretende dar un salto cualitativo y cuantitativo en la capacidad que posee España en el desarrollo de tecnologías para el despliegue de biorrefinerías de residuos de biomasa y oleaginosos y demostrar con una planta piloto la producción de biocombustibles y otros bioproductos a partir de residuos de la agroindustria.

Para limitar el calentamiento global a menos de 1,5° C a finales del siglo XXI es necesario alcanzar ‘cero emisiones’ cuanto antes. La descarbonización de sectores de nuestra economía que son no electrificables es una de las cuestiones urgentes. “Capturar el CO₂ de ciertas industrias y evitar su emisión a la atmósfera, además de hacer renovable todo su consumo energético, es la única forma de lograr cero emisiones en estos procesos”, apunta Juan Carlos Abanades (INCAR, CSIC).

La captura directa del CO₂ del aire tiene también una gran importancia en este proceso de descarbonización, así como la producción de combustibles sintéticos sostenibles a partir de CO₂ renovable (cuando procede de los seres vivos o directamente del aire). El CSIC tiene varios grupos de investigación en estos campos, como el que desde el INCAR trata de desarrollar una planta piloto para capturar CO₂ de los gases de acería, que suponen el 5% de las emisiones antropogénicas de CO₂ en el mundo. El proyecto (C4U) se desarrolla en las instalaciones de Arcelor-Mittal en Asturias.

Otro paso fundamental para una industria menos contaminante pasa por que uno de sus principales procesos, la catálisis, también lo sea. Se estima que un 90% de los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores, compuestos que aceleran las reacciones químicas. La catálisis supone entre el 20 y el 30% del producto bruto mundial, y mejorar sus técnicas podría reducir la huella energética de sus productos entre el 20 y el 40% para 2050.

“La catálisis para una producción industrial sostenible se resume en una menor demanda de energía y mayor eficiencia en la utilización de los átomos”, declara José Carlos Conesa (ICP, CSIC). Hay nuevos procesos catalíticos que pueden usar corriente eléctrica o electromagnetismo, idealmente procedentes de renovables, para procesar biomasa o desechos, o para calentar selectivamente materiales ferromagnéticos. Otros procesos son los fermentativos, que usan enzimas o catalizadores químicos para sintetizar biocombustibles o compuestos químicos.

También se investiga en catálisis para obtener gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno que actúa como intermediario para producir gas natural o petróleo sintéticos. Y se desarrollan otros métodos de catálisis a partir de pilas de combustible y electrolizadores para convertir energía o procesos inducidos por fotones. Se usan para generar hidrógeno o para reducir el dióxido de carbono en diversos productos. El CSIC tiene varios institutos que trabajan activamente en estas nuevas formas de catálisis.

El incremento en la producción de electricidad renovable requerirá el desarrollo de tecnologías de almacenamiento y de redes inteligentes capaces de solucionar el carácter variable de este tipo de generación eléctrica. “El hidrógeno, como portador de energía, supone una solución limpia y almacenable capaz de dar respuesta a estas necesidades de electrificación”, sostiene Antonio Chica (ITQ, CSIC-UPV). “Como combustible, el hidrógeno no genera CO₂ ni otro tipo de contaminantes”. Mientras se avanza en el desarrollo de tecnologías neutras que produzcan hidrógeno renovable (hidrógeno verde) a precios asequibles, una solución de transición es la producción de hidrógeno a partir de gas natural acoplado a tecnologías de captura y almacenamiento de CO₂ (hidrógeno azul).

El hidrógeno es una opción prometedora para descarbonizar el transporte. También se puede utilizar en industrias de alto consumo energético como las acerías, donde puede sustituir al carbón como reductor. El hidrógeno y el CO₂ pueden utilizarse como materia prima para obtener los llamados electrocombustibles, y puede proporcionar mecanismos para almacenar, transportar y distribuir energía de forma estacional en todos los sectores y continentes.

“Aunque las tecnologías del hidrógeno representan una alternativa prometedora para la descarbonización del sistema energético y la estabilización de las energías renovables, hay que superar importantes obstáculos antes de conseguir su uso masivo”, aclara Chica. En su opinión, la investigación coordinada entre ciencia e industria resultará clave para identificar y resolver problemas tanto científicos como tecnológicos. La puesta en marcha de demostradores y pilotos a escalas relevantes será decisiva en el desarrollo de tecnologías válidas que estimulen la inversión empresarial y el desarrollo de toda la cadena de valor del hidrógeno.

Finalmente, no se debe olvidar que la transición y sostenibilidad de un sistema energético limpio, seguro y eficiente requiere el estudio de una variedad de impactos sociales y medioambientales para garantizar su aceptación social. “Hay que realizar una implementación de instalaciones experimentales que permitan realizar evaluaciones previas de las tecnologías, con el fin de prevenir y mitigar los impactos sociales y medioambientales”, indican Mario Díaz (MNCN, CSIC) y Ana Romero de Pablos (IFS, CSIC).