La cruïlla energètica

Estratègies per al desenvolupament energètic sostenible

doi: 10.7203/metode.10.12469

L’energia és la sang que mou la societat actual i un dels factors que ha contribuït decisivament a millorar la qualitat de vida de la humanitat. S’espera que en 2050 s’hagen duplicat les necessitats energètiques de la població mundial, per la qual cosa es fan necessàries noves estratègies de desenvolupament sostenible tenint en compte l’exhauriment dels combustibles fòssils i el seu impacte mediambiental. Aquest article aborda els reptes i oportunitats a què ens enfrontem en el desenvolupament de sistemes globals d’energia i destaca la importància de la interconnexió entre els debats sobre energia i clima.

Paraules clau: energia, canvi climàtic, transició energètica, desenvolupament sostenible.

I vostè, de què m’està parlant?

Si preguntàrem a un ciutadà del carrer sobre el significat de l’escenari 450 de mitigació del canvi climàtic1, la resposta més probable seria: què dimonis té això a veure amb nosaltres? No fa m5-7 Tolt de temps, els científics eren considerats una societat tancada que habitava en torres de marfil i passava gran part del seu temps en laboratoris exòtics i institucions acadèmiques. A hores d’ara hi ha un compromís creixent dels científics per a compartir els seus coneixements i opinions amb la societat.

Igual com l’aire, l’energia és essencial per a l’existència i creixement de l’espècie humana. Una persona necessita per a cobrir les seues necessitats biològiques prop de 2.000 quilocalories dià­ries en forma d’aliments, que, traduït a unitats de potència, representa uns 100 W; és a dir, pel que fa a consum biològic som l’equivalent a una bombeta de 100 W permanentment encesa2. A manera de referència, un ciutadà europeu consumeix aproximadament 4 kW, la qual cosa equival a dir que el nostre nivell de vida europeu està sustentat per 40 «esclaus» en unitats energètiques. No obstant això, l’accés a les fonts d’energia està molt lluny de ser uniforme a escala planetària: mentre que als EUA s’assoleixen els 10 kW per capita (més de 100 esclaus energètics) en països com Bangla Desh el consum es redueix als 0,3 kW. En l’actualitat, al voltant de 1.500 milions d’habitants no tenen accés a l’electricitat i al voltant de 3.000 milions de persones utilitzen biomassa per a les necessitats domèstiques.

«L’energia és un dels factors essencials que han contribuït al progrés i a la millora de la qualitat de vida de la humanitat»

L’energia és un dels factors essencials que han contribuït al progrés i a la millora de la qualitat de vida de la humanitat. Amb un horitzó en què les necessitats energètiques es duplicaran d’ací a l’any 2050 i amb l’exhauriment progressiu dels combustibles fòssils, és urgent desenvolupar fonts d’energia massives, mediambientalment sostenibles i socialment acceptables. Aquest increment en la demanda energètica és conseqüència de l’efecte combinat de l’augment de la població i del consum energètic per capita en països en desenvolupament. Ens trobem, doncs, en una cruïlla energètica en què hem d’impulsar un model energètic que ens allibere dels seus impactes ambientals.

La complexitat del repte energètic a què s’enfronta la humanitat no té solucions màgiques. Totes les op­cions actualment operatives són necessàries, encara que el seu grau de disponibilitat depèn de les condi­cions ambientals i tecnològiques de les diferents regions del planeta. El lector trobarà en els pròxims epígrafs algunes pistes per a respondre preguntes relacionades amb la cruïlla energètica en què ens trobem.

Fonts d’energia: No hi ha roses sense espines

La ciència comença quan algú planteja una pregunta general i intenta respondre-la mitjançant una investigació metòdica que inclou i combina l’experimentació i l’argumentació lògica. El mètode científic genera coneixement sobre el funcionament del món en el seu sentit més ampli i, per tant, el poder de predir el comportament de la naturalesa. Els corol·laris són avantatges pràctics, que van des d’aplicacions mèdiques al desenvolupament de fonts d’energia.

Taula 1. Aspectes positius i negatius de diferents fonts d’energia. L’energia és un dels factors essencials que han contribuït al progrés i a la millora de la qualitat de vida de la humanitat, però al mateix temps generar-ne i consumir-ne té un impacte sobre el medi ambient en totes les seues etapes. / USA American Public Association / Unsplash

La cerca de fonts d’energia es remunta al naixement de l’ésser humà. El domini del foc i l’agricultura, l’ús d’energia de l’aigua i del vent, i el desenvolupament dels aliatges per a la construcció de ferramentes van representar grans avenços per a la humanitat. L’expansió de les màquines de vapor en la segona meitat del segle xviii va permetre transformar qualsevol tipus de reacció de combustió en treball mecànic i va donar lloc a la revolució industrial. L’aprofitament de l’electromagnetisme i les seues aplicacions, entre les quals destaca el primer ús de l’electricitat, va continuar en el segle xix. L’energia nuclear i la física de materials van impulsar noves fonts d’energia en el segle xx i l’ús intensiu de l’electricitat va multiplicar les aplicacions de l’energia en noves tecnologies de la informació i comunicació.

El resultat és que les necessitats energètiques de l’ésser humà mitjà s’han multiplicat per un factor 100 al llarg de la història i els avenços en la cerca de fonts d’energia han provocat canvis radicals en la nostra societat. Però, com diu el refrany, no hi ha rosa sense espines (Taula 1). La generació i consum d’energia tenen un impacte sobre el medi ambient en totes les seues etapes, des de la extracció fins a la utilització, i són els efectes sobre el canvi climàtic l’amenaça més inquietant. El canvi climàtic està lligat a l’augment de la proporció dels denominats gasos d’efecte d’hivernacle en l’atmosfera. D’aquests, el més important és el diòxid de carboni (CO2), l’emissió del qual és el resultat de la crema de combustibles fòssils (carbó, petroli i gas natural) com a fonts d’energia. La transició energètica consisteix, per tant, a impulsar un sistema energètic que no depenga, com ocorre ara, de forma preponderant de fonts fòssils com s’il·lustra en la Figura 1 (International Energy Agency [IEA], 2017).

Figura 1. Evolució temporal del consum d’energia primària en les últimes dècades. Com es pot observar, el sistema energètic depèn de manera preponderant de fonts fòssils d’energia: carbó, petroli i gas natural. / Font: International Energy Agency

Les plantes extrauen l’energia del Sol mitjançant el procés de fotosíntesi, que permet absorbir el carboni del diòxid de carboni i tornar l’oxigen a l’atmosfera; posteriorment, mitjançant un període de transformació d’escala geològica (milions d’anys), la matèria orgànica dona lloc als combustibles fòssils de caràcter no renovable (atès que l’escala temporal de consum és molt més breu que l’escala temporal per a la seua formació). Les dades mostren que l’augment de les necessitats energètiques no s’acompanya de la necessària reducció dels combustibles fòssils, que en 2015 representen més del 80 % de l’energia primària consumida a escala global.

En l’actualitat, el debat sobre la connexió entre fonts d’energia i canvi climàtic té profundes conseqüències polítiques i ètiques: si acceptem que sense energia no hi ha desenvolupament, l’accés a l’energia no hauria de formar part de la Declaració Universal dels Drets Humans?; atès que no és possible estendre el model de consum energètic dels països desenvolupats als països no desenvolupats, quina responsabilitat tenen els primers en el model de desenvolupament dels segons? (IEA, 2015).

Ens enfrontem a una fase de transició energètica amb nous motors globals com ara el canvi climàtic i la globalització. De fet, necessitem una societat amb un coneixement crític que comprenga la ingent quantitat d’energia (basada en combustibles fòssils) que hem de substituir en comparació amb les transicions anteriors. La cerca d’energia és un projecte global i les noves estratègies energètiques requereixen tecnologies per a la producció, conversió, distribució i estalvi d’energia que afavorisquen la innovació sense posar en perill la seguretat del subministrament energètic.

Combustibles fòssils: Quina és la gravetat de l’increment de la temperatura global en + 1 °C?

La Figura 2 mostra l’evolució temporal de les glaceres Upsala i Arapaho situades als Andes patagònics (Argentina) i a Colorado (EUA), respectivament. Ambdues glaceres es troben en clar retrocés, la qual cosa podria ser una evidència de cicles climàtics i geològics o d’escalfament global. En aquest sentit els informes del Grup Intergovernamental sobre Canvi Climàtic (IPCC, en les seues sigles en anglès) conclouen que, amb molt alta probabilitat, l’increment de la temperatura del planeta al llarg dels segles xx i xxi és conseqüència de l’increment de la concentració de gasos d’efecte d’hivernacle d’origen antropomorf (IEA, 2015; IPCC, 2014).

La Conferència de les Nacions Unides sobre el Canvi Climàtic que es va celebrar a París en 2015 va marcar una fita important en l’objectiu d’aconseguir un acord vinculant i global sobre el clima i fonts d’energies sostenibles. L’acord intenta limitar les emissions globals de manera que la temperatura del planeta no supere els dos graus centígrads respecte a la temperatura de l’època preindustrial. Considerant que en l’actualitat ja s’ha produït un augment en el rang d’1 °C, com es pot saber si l’increment en un grau és molt o poc en l’evolució del clima? El lector ha d’extraure les seues pròpies conclusions basant-se en les imatges que es mostren en la Figura 2.

«És urgent el desenvolupament de fonts d’energia massives, mediambientalment sostenibles i socialment acceptables»

En aquest punt sorgeixen algunes qüestions de gran importància sobre el balanç cost-benefici, tant des d’una perspectiva econòmica com des del punt de vista social: Quin és el cost de transformar el sistema actual energètic per a evitar un escalfament superior als dos graus? Quin seria el benefici d’aquesta estratègia? La resposta a aquestes preguntes requereix una anàlisi, certament complexa, que incloga la interacció dinàmica entre economia, energia i clima. I finalment, la pregunta essencial: On acabarem si no canviem de direcció en les tendències energètiques globals? En societats democràtiques, són els ciutadans els que hauran de decidir el nivell de risc que estan disposats a acceptar per a les futures generacions (Alonso Garrido, 2012).

 

Figura 2. En les dues imatges superiors, la glacera Upsala, als Andes patagònics (Argentina), en 1928 (fotografia en blanc i negre) i 2004 (fotografia en color). A sota, la glacera Aparaho a Colorado (EUA) en 1898 (esquerra) i 2003 (dreta). Com pot observar-se, ambdues glaceres es troben en clar retrocés. / Greenpeace, Archivo Museo Salesiano / Greenpeace, Mariana Días Vaccaro / NASA Earth Observatory

Els reptes pendents en la transformació de les energies basades en combustibles fòssils inclouen diversos aspectes. D’una banda, desplegar estratègies per reduir les emissions de centrals de combustibles fòssils i d’una altra, seguir estratègies per a segrestar les emissions de CO2 i millorar l’eficiència energètica.

Energies renovables: un regal de la naturalesa

Es denomina energia renovable l’energia que s’obté de fonts naturals virtualment inesgotables, ja siga per la immensa quantitat d’energia que contenen o perquè són capaces de regenerar-se per mitjans naturals. Entre les energies renovables més importants es compten la solar (que aprofita la radiació electromagnètica procedent del sol) i l’eòlica (l’obtinguda a partir del vent) (Figura 3). D’importància més limitada o eventualment d’importància local són, entre altres, la hidroelèctrica (que utilitza l’energia potencial i cinètica de corrents d’aigua) i la biomassa  (que utilitza la matèria orgànica) (MacKay, 2009).

Figura 3. Entre les energies més importants es troben la solar i l’eòlica. A l’esquerra, imatge del parc eòlic de Vilafranca (Castelló), i a la dreta planta solar d’Almeria (PSA). La PSA és el major centre d’investigació, desenvolupament i assajos d’Europa dedicat a les tecnologies solars de concentració. / Valentín Rodríguez, Planta Solar de Almería/CIEMAT

Per a prendre consciència de la quantitat ingent d’energia que ens regala la nostra estrella, el Sol, no cal sinó fer una senzilla estimació d’ordres de magnitud. A partir de la temperatura de la superfície del Sol (en el rang dels 6.000 K), la seua distància amb la Terra (1 UA [Unitat astronòmica] ≈ 150 milions de km) i el radi del nostre planeta (6.000 km) s’obté que l’energia que assoleix l’atmosfera terrestre és de l’ordre de 5 × 1024 J en un any. Aquest valor resulta ser 10.000 vegades superior al consum d’energia en un any (en el rang de 5 × 1020 J) (Bret, 2014). La energia eòlica té també el seu origen en el Sol, que produeix el vent per la diferència de temperatura existent en les distintes capes d’aire de l’atmosfera; al seu torn, l’energia del vent és captada pels aerogeneradors.

Quina capacitat hauria de tenir una granja d’energia solar per a subministrar una energia equivalent a les necessitats anuals globals? Suposant una eficiència actual de les plaques solars (en el rang del 30 %) i la potència solar disponible en la superfície terrestre (en el rang dels 240 W/m2), resulta que la superfície necessària de la granja solar seria de prop del milió de km2; és a dir, dues vegades la superfície d’Espanya (Cifarelli, Wagner i Wiersma, 2013).

Com que el Sol només activa l’energia solar (fotovoltaica o de concentració) en el cicle diürn i atès el caràcter erràtic del vent, les fonts d’energia solar i eòlica són intrínsecament intermitents. El problema d’integrar un subministrament variable d’electricitat en la xarxa de distribució exigeix sistemes d’emmagatzematge d’energia i fonts de suport energètic de caràcter no renovable.

En aquest sentit, els reptes pendents en aquest camp són el desenvolupament de sistemes d’emmagatzematge per a energies renovables (hidrogen, emmagatzematge químic, energia hidràulica…) i l’optimització de xarxes intel·ligents de distribució.

Energia nuclear de fissió: energia verda i acceptabilitat social

La Taula 2 compara les eficiències de distintes energies així com les temperatures típiques a què té lloc el procés. L’eficiència energètica de les energies nuclears (fusió i fissió) és elevadíssima, i això les fa particularment atractives.

Figura 4. El que fa els éssers humans realment únics és la nostra capacitat d’imaginar i modelar el futur fent ús de l’aliança cientificotecnològica. Un exemple d’aquesta característica és la cerca del control de l’energia que mou l’univers: la fusió nuclear. Les reac­cions de fusió són les que alliberen l’energia que alimenta el Sol i la resta d’estels. / NASA Goddard Institute for Space Studies

Des del començament de l’era nuclear de fissió, el nombre de reactors de fissió nuclear construïts està en el rang de 400 i el nombre d’accidents greus és molt petit però amb un gran impacte social (per exemple, Txernòbil o Fukushima) (Muraoka, Wagner, Yamagata i Donné, 2016). La comunitat internacional hauria de fomentar una major convergència dels enfocaments de seguretat nuclear tenint en compte els processos tècnics (amb un nivell de risc extremadament baix) entrellaçats amb la cultura de seguretat i els factors humans.

Davant dels reptes plantejats per l’energia nuclear podem formular-nos algunes qüestions sobre el procés tecnològic i sobre l’acceptabilitat social d’aquesta energia. És tècnicament factible processar les deixalles nuclears amb criteris d’eliminació i emmagatzematge acceptables? Poden gestionar-se les emissions ambientals i l’eliminació de residus de tal manera que satisfacen les expectatives de la societat?

Energia nuclear de fusió: un desafiament científic i tecnològic

Les reaccions de fusió són les que alliberen l’energia que alimenta el Sol i els estels (Figura 4). Perquè puga ocórrer la fusió, els nuclis reaccionants han de vèncer la repulsió electrostàtica i acostar-se prou com per a permetre que entre en joc la força nuclear atractiva. La comunitat científica internacional treballa en distintes alternatives (confinament inercial i magnètic), amb diferent grau de desenvolupament, adreçades cap a la realització pràctica de l’energia de fusió. En el cas de l’estratègia basada en el confinament magnètic, es requereix escalfar els nuclis reaccionants a temperatures unes 15 vegades majors que la del centre del Sol (estimada en uns 15 milions de graus) i aïllar-los tèrmicament de l’ambient circumdant mitjançant un intens camp magnètic (de l’ordre de 5-7 T3, és a dir, unes 100.000 vegades el camp magnètic terrestre).

La matèria a aquestes temperatures extremes consisteix en un gas altament ionitzat denominat plasma. La realització d’energia viable de fusió nuclear requereix solucions per a una sèrie de problemes científics i tecnològics d’enorme envergadura (Romanelli, 2012).

Els principals reptes pendents en la fusió nuclear inclouen la integració i optimització de criteris de física i tecnologia. Des del punt de vista de la física de plasmes es requereix confinar eficientment un plasma en ignició; és a dir, prou reactiu per a produir substancialment més energia que la consumida en el procés de generació del plasma. Des del punt de vista tecnològic fa falta demostrar l’autosuficiència en la generació de triti i desenvolupar materials que siguen resistents als intensos i molt energètics fluxos de neutrons de fusió nuclear.

Transport verd

Una de les aplicacions del carbó durant la revolució industrial va ser com a font d’energia per al transport (la locomotora i el vaixell de vapor), fet que va permetre un creixement exponencial del comerç prèviament basat en l’energia del vent i la navegació marítima. Gràcies al comerç impulsat pel consum energètic, la humanitat va tenir accés a productes procedents de llocs remots amb gran impacte en les possibilitats de desenvolupament i comunicació entre cultures remotes.

Taula 2. Eficiències i temperatures de reacció de fonts energètiques d’origen químic i nuclear. Durant les reaccions de fissió nuclear, elements pesants donen lloc a elements més lleugers. En el procés de fusió nuclear ocorre el contrari: elements lleugers s’uneixen i donen lloc a d’altres més pesants. La suma de les masses de reactius després d’una reacció de fissió i fusió nuclears és menor que la suma abans de la reacció en una quantitat Dm que denominem defecte de massa. D’acord amb la teoria de la relativitat, la fusió nuclear allibera una quantitat d’energia (E = Dm c2) on c és la velocitat de la llum. L’elevadíssim valor de c2 (c2 = 90.000.000.000.000.000 m2/s2) explica la ingent eficiència de l’energia nuclear respecte a les energies d’origen químic. Mentre que en el cas de les energies químiques i de fissió nuclears les temperatures de reacció són fàcilment accessibles (en el rang dels 700-1.000 K), en el cas de la fusió nuclear es requereixen temperatures en el rang dels centenars de milions de graus centígrads. /

Una nova font d’energia transformaria l’economia i el desenvolupament del transport en el segle xx: el petroli. L’invent del motor d’explosió va transformar radicalment el transport industrial i individual i en conseqüència el nostre sistema d’organització social en grans urbs que utilitzen el petroli per al transport de la població i dels béns de consum necessaris per a transportar-los.

Una pregunta pertinent és: en què gastem més energia, en transport o en la indústria? El consum global d’energia en transport és un factor determinant; en particular, a Espanya el consum d’energia en el sector del transport supera el consum industrial, i és el transport terrestre el dominant. Per aquest motiu és important desenvolupar i implantar tecnologies verdes de transport.

«La necessitat de noves estratègies per a la generació, conversió i emmagatzematge d’energia implica un repte colossal»

El futur: No hi ha una solució màgica

L’energia és la sang que mou la societat actual, que requereix de noves estratègies per al seu creixement sostenible. No podem permetre’ns retardar la posada en marxa d’accions per a afrontar el canvi climàtic si l’objectiu a llarg termini és limitar, amb un cost assumible, l’augment de la temperatura global del planeta a 2 °C.

Però hem de ser realistes: la necessitat de noves estratègies per a la generació, conversió i emmagatzematge d’energia implica un repte colossal. Un repte global en què la dinàmica dels mercats de l’energia és deguda cada vegada més al creixement de la població i la demanda d’energia4. Un repte global que requereix una visió de futur i mantenir una política energètica coherent i sostinguda que enfortisca la relació mútuament beneficiosa entre educació, investigació i innovació.

1L’escenari 450 es refereix a limitar a 450 parts per milió (ppm) la concentració de diòxid de carboni (CO2) en l’atmosfera.(Tornar al text)
2Un watt (W) és la unitat de potència = 1 joule / segon. Un joule (J) és una unitat d’energia en el sistema mètric que equival aproximadament a l’energia que gastem quan alcem una petita poma a un metre d’altura. Totes les activitats i indústries humanes consumeixen al voltant de 500 exajoules (1018 J) anuals. (Tornar al text)
3El tesla (T) és la unitat de camp magnètic. Deu el seu nom al genial científic Nikola Tesla, que, com a defensor del corrent altern, va mantenir una èpica guerra de corrents amb Edison, que apostava pel corrent continu.(Tornar al text)
4La contribució de la UE a les emissions mundials de CO2 és actualment de prop del 10 %. Per tant, una reducció del 20 % en les emissions totals de CO2 de la UE correspondria a un estalvi estimat de tan sols el 2 % en les emissions mundials de CO2. (Tornar al text)

REFERÈNCIES

Alonso Garrido, A. (2012). La energía como elemento esencial de desarrollo. Consecuencias de un modelo energético insostenible. Madrid: Asociación de Ingenieros Industriales de Madrid. Consultat en http://aiim.es/wp-content/uploads/2016/06/La-energ%C3%ADa-como-elemento-esencial-de-desarrolo..pdf
Bret, A. (2014). The energy-climate continuum: Lessons from basic science and history. Cham/Heidelberg/Nova York/Dordrecht/Londres: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-07920-2
Cifarelli, L., Wagner, F., & Wiersma, D. S. (2013). New strategies for energy generation, conversion and storage. Lecture notes Joint EPS-SIF International School on Energy, Varenna 2012. Bolonya: SIF.
International Energy Agency. (2015). Energy and climate change. París: OECD/IEA. Consultat en http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WEO2015SpecialReportonEnergyandClimateChange.pdf
International Energy Agency. (2017). Key world energy statistics. París: IEA. Consultat en http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2017.pdf
IPCC. (2014). Summary for policymakers. En O. Edenhofer et al. (Eds.), Climate change 2014: Mitigation of climate change. Working group III contribution of to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, RU i Nova York, NY, EUA: Cambridge University Press.
MacKay, D. J. C. (2009). Sustainable energy – Without the hot air. Cambridge: UIT Cambridge.
Muraoka, K., Wagner, F., Yamagata, Y., & Donné, A. J. H. (2016). Short- and long-range energy strategies for Japan and the world after the Fukushima nuclear accident. Journal of Instrumentation, 11, C01082. doi: 10.1088/1748-0221/11/01/C01082
Romanelli, F. (Ed.). (2012). Fusion electricity. A roadmap to the realisation of fusion energy. European Fusion Development Agreement. Consultat en https://www.euro-fusion.org/fileadmin/user_upload/EUROfusion/Documents/Roadmap.pdf

© Mètode 2019 - 100. Els reptes de la ciència - Volum 1 (2019)
Investigador del Laboratori Nacional de Fusió del Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT) de Madrid, on lidera la Divisió de Física Experimental. carlos.hidalgo@ciemat.es