Agua y energía: Las gemas del futuro

Según una definición expresada en la física mecánica, energía es la capacidad de un cuerpo para efectuar un trabajo. En realidad es un concepto mucho más amplio, el calor es una forma de energía, la luz es otra forma de energía, la vida misma es un intercambio constante de formas de energía.

La vida en la tierra requiere de la concurrencia de un sinnúmero de factores pero sin duda el sol y el agua juegan los papeles más importantes en esa simbiosis. El sol es la fuente energética más importante del planeta y el agua es el vehículo de las transformaciones bioenergéticas.

La energía procedente del sol es recibida por nuestro planeta en forma de radiación, una porción de ella es reflejada y la otra es absorbida. Parte de la energía absorbida se almacena en distintas formas de energía química y parte se emplea en provocar los fenómenos atmosféricos que mantienen los intercambios del sistema. La energía química almacenada (leña, carbón, petróleo, gas …) es la que el ser humano ha ido utilizando para satisfacer sus requerimientos energéticos a lo largo de toda la historia.

Es bien sabido que un sistema es estable cuando la velocidad de reposición energética es superior a la velocidad de demanda. No ocurre así con nuestro planeta, ya que el ser humano ha quebrado la mayor parte de los equilibrios de la biosfera y entre ellos el equilibrio energético.

En los albores de la humanidad las demandas energéticas eran muy simples (calor y alimento) y la población muy baja. El hombre en su intención de mejorar su existencia a tratado de reemplazar el uso de su propia energía por otras fuentes, siendo una de las primeras el uso del fuego para calefacción y para darle algún tratamiento primario a los alimentos. Luego fue reemplazando su esfuerzo personal empleando la energía proveniente de los animales.

Las necesidades energéticas del hombre fueron aumentando con el correr del tiempo debiendo emplear cada vez mayor cantidad de madera, pero aún así la velocidad de reposición de esta última era muy superior a la del consumo.

Indudablemente, el gran salto en la demanda energética fue dado por la explosión del maquinismo en la segunda mitad del siglo XVIII. El puntapié inicial dado por Watt con su máquina de vapor introdujo un consumo de energía desconocido hasta ese momento, que ya no se podía suplir con la fuente tradicional que era la madera, debiéndose recurrir a las energías fósiles: el carbón y más tarde el gas y el petróleo.

El aumento de la población del planeta junto a la mejora del estándar de vida ha incrementado la demanda global de energía de un modo alarmante. Aquí se rompió el equilibrio ya que en dos siglos se ha ido consumiendo el combustible fósil generado durante millones de años.
A los factores antes mencionados deben agregarse: el afán desmedido que, junto con las ansias de poder, provocaron grandes derroches de energía (guerras) y el uso inducido e indiscriminado de confort innecesario que obedece a campañas de mercado (publicidad). Todo ha llegado a un punto tal que se cuestiona la perdurabilidad de las fuentes fósiles de energía.

En el último lustro aparece la energía nuclear en la forma de “fisión nuclear controlada” como una posible solución al problema energético pero los riesgos que el empleo de esta fuente implica y la falta de solución permanente y confiable para el destino de los residuos nucleares la convierten en una alternativa poco atractiva.

En síntesis el siglo XXI tiene dos grandes desafíos “el agua potable y la energía” que son los dos ejes de este artículo.

Energía y medio ambiente

La acotación en el tiempo de los combustibles fósiles no es la principal preocupación ya que su combustión aún siendo completa produce CO2 cuya concentración en la atmósfera va aumentando paulatinamente. El aumento de esta concentración se debe a que la vegetación existente en la superficie de la tierra no es suficiente para volver a separar el oxígeno del carbono mediante la fotosíntesis. Aquí, al problema del incremento de la combustión de combustibles fósiles hay que agregar el de la tala indiscriminada de árboles que va disminuyendo la capacidad del planeta para mantener su atmósfera en equilibrio.

La quema de combustibles fósiles no sólo produce CO2 sino que en menor proporción incorpora a la atmósfera elementos contaminantes de muy variada nocividad. Esto se puede apreciar a simple vista observando el cielo de las grandes concentraciones urbanas en los atardeceres de días calmos, o los rastros que deja la lluvia ácida en edificios y monumentos con componentes calcáreos.

Todo lo expuesto plantea un cambio de hábito en la obtención y el uso de la energía. Cambio que implica desafíos técnicos, culturales y económicos de los cuales los dos últimos son los más difíciles de vencer.

Una primera medida es la reducción del consumo energético global lo cual se contrapone al crecimiento de la población. Podría pensarse en una reducción del consumo energético per cápita mediante el empleo de la tecnología para obtener productos de mayor rendimiento energético, pero la tecnología sumada a los manejos de mercado, por lo general induce nuevos consumos. Esta es una paradoja en la que interviene el comportamiento humano y su naturaleza la hace difícil de resolver.

La reducción de la polución ha sido la preocupación mostrada por la industria automotriz en la última década mediante el empleo de filtros catalíticos en los tubos de escape, encendido electrónico e inyección controlada electrónicamente. Todos estos dispositivos reducen los elementos contaminantes producidos por los motores de combustión interna, pero queda por resolver el problema de la emisión de anhídrido carbónico.

Un paliativo interesante que aparece para solucionar el problema en las grandes ciudades pareciera ser el automóvil eléctrico. Esto es válido siempre y cuando la energía eléctrica no se obtenga con centrales térmicas, sino, simplemente se está trasladando la contaminación a otro sitio. También hay que tener en cuenta que para que el automóvil eléctrico tenga autonomía es necesario dotarlo de un volumen interesante de acumuladores eléctricos que cuando hay que reponerlos por envejecimiento pueden representar otro elemento contaminante.

Nuevas fuentes alternativas

Indudablemente la energía eléctrica es el portador energético menos contaminante de la atmósfera, es fácil de transportar y su empleo es cómodo. El único problema que no se puede resolver en forma satisfactoria es la acumulación para su uso en automotores de gran autonomía.

Descartando el uso en automotores, si se pudiera obtener la energía eléctrica de fuentes no contaminantes parecería ésta una gran solución. Las formas más conocidas de obtención de energía eléctrica son: centrales térmicas, centrales hidráulicas, centrales nucleares, centrales geotérmicas, generación eólica, generación fotovoltaica y generación con biodigestores.

De todas ellas las que ofrecen algún interés desde el punto de vista de la reducción en la emisión de CO2 son las centrales hidráulicas, la generación eólica, la generación fotovoltaica y la geotérmica. Cabe aclarar que los biodigestores constituyen una interesante fuente energética desde el punto de vista ecológico, pero también emiten CO2 aunque en este caso se puede argüir que el ciclo de reconversión (fijación del carbono) se cierra a corto plazo.

Las centrales hidráulicas se vienen empleando desde principios del siglo XX y constituyen una de las principales fuentes energéticas no contaminantes, pero existe una tendencia a la construcción de megacentrales que pueden introducir cambios en el ecosistema por lo que requieren un estudio muy pormenorizado previo a su ejecución. Construir varios aprovechamientos hidráulicos más pequeños en lugar de un único y grande, tal vez sea monetariamente más costoso pero sí es mas saludable para el planeta ya que su ejecución no implica un gran impacto ambiental.

Existe una forma de energía hidráulica poco explotada y es la mareomotriz, el único inconveniente que tiene es que no puede funcionar permanentemente ya que está condicionada por el ritmo de las mareas, pero programando su empleo podría representar un gran aporte energético.

La generación hidroeléctrica en términos generales tiene el limitante económico de que los centros de consumo por lo general están alejados de las fuentes de este tipo y hay que construir líneas eléctricas muy costosas para el transporte de la energía.

La generación eólica ha tenido un gran desarrollo en estas dos últimas décadas y pareciera un paliativo interesante para reducir el problema energético pero tiene el problema de que su disponibilidad es bastante caprichosa y requiere siempre de un sistema que la apuntale o de algún sistema de acumulación de energía.

La forma económicamente más aceptable de la energía eólica es la generación interconectada a red. Por la característica errática del viento, un sistema eléctrico no se puede repotenciar con este tipo de energía en una proporción mayor al 30 % de la potencia total instalada del mismo. Esto es un importante limitante al posible empleo de esta energía como solución energética. El almacenamiento mediante acumuladores eléctricos es prácticamente impracticable para potencias mayores a los 3 KVA.

Una interesante forma de empleo de la energía eólica en sistema interconectado es asociarla a las centrales hidráulicas, de esta forma cuando hay disponibilidad de viento se reduce el turbinado del agua de las centrales lo que vendría a ser una forma de acumulación hidráulica de la energía. También se habla de bombear agua mediante energía eólica a un nivel superior y luego turbinar el agua para obtener la energía cuando es necesario. El método es válido pero tiene un rendimiento muy bajo y es bastante onerosa su instalación. Existen otras formas de acumulación de energía, pero todas ellas muy costosas, complicadas y de bajo rendimiento.

La energía fotovoltaica es una alternativa energética bastante interesante. En las dos últimas décadas ha tenido un desarrollo pronunciado y su uso es indiscutible en el abastecimiento a dispositivos aislados de difícil acceso(estaciones de transmisión, balizas, etc.). El costo monetario de esta alternativa energética es todavía bastante alto y desde el punto de vista ecológico el análisis hay que hacerlo no solo durante el empleo de la celda sino considerar su producción y desecho. La producción de las celdas fotovoltaicas implican procesos fotoquímicos y electroquímicos que no se caracterizan por su inocuidad hacia el medio ambiente.

Las centrales geotérmicas constituyen una alternativa interesante pero su uso está condicionado por la disponibilidad de fuentes termales de gran salto térmico lo que particularmente para nuestro país no es muy abundante.

El Hidrógeno

Ante todo este planteo un poco apocalíptico, aparece una alternativa muy poco explotada: el empleo del hidrógeno como vehículo o vector energético. El hidrógeno es el elemento más simple de la tabla periódica y se puede obtener mediante: electrólisis del agua, reformado del gas natural’, o a partir del carbón y de hidrocarburos con procedimientos similares, previa gasificación.

La obtención de hidrógeno por electrólisis es la que resulta más interesante desde el punto de vista de la reducción de CO2 ya que permite aprovechar en forma directa la energía eléctrica obtenida por fuentes limpias distantes de los centros de consumo y de disponibilidad irregular como centrales eólicas o mareomotrices. Los únicos limitantes que posee son: el costo de los electrolizadores que puedan garantizar un buen rendimiento energético y el empleo de agua químicamente pura para no dañar las membranas de los electrolizadores.

La obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos tiene el atractivo de altos rendimientos energéticos y costos relativamente bajos, pero en la mayoría de los casos la existe emisión de CO2 en la producción, aunque de todos modos se reduce la emisión de otros contaminantes a la atmósfera.

Este portador energético se lo puede emplear en dos formas, por combustión directa o por conversión directa a electricidad mediante celdas de combustible. Esta última es una conversión de alto rendimiento ya que se obtienen valores del mismo superiores al 70 % lo cual es mucho mayor que el rendimiento de cualquier máquina de combustión interna.

Una particularidad del hidrógeno es que el producto resultante de su uso, ya sea mediante celdas de combustible o por combustión directa es solamente agua lo cual indudablemente es la virtud más importante de este vector energético.-

El hidrógeno en su combustión posee una alta velocidad de llama y un bajo punto de inflamación. Lo que implica tomar ciertas precauciones en su transporte y almacenamiento.

Indudablemente el hidrógeno permitirá aprovechar a fondo las energías no contaminantes ya que es un eficiente vehículo energético que evita la contaminación de la atmósfera. De esta forma se podrá transportar la energía desde las fuentes alternativas que por lo general están lejos de los centros de consumo. Además permitirá obtener agua pura que es el otro gran desafío del futuro.

En el caso particular de la energía eólica, desaparecería la limitación que actualmente posee en lo referente a potencia total instalada en sistemas interconectados.

El hidrógeno es el elemento más simple y abundante de la naturaleza y como todas las cosas simples de la vida, hay que saber aprovecharlas, y no es tan fácil como se piensa, para ello hay que vencer dificultades tecnológicas pero principalmente temores y egoísmos.

Por : Ing Osvaldo Luis Mosconi
Profesor Titular de Máquinas e Instalaciones Eléctricas
Facultad de Ingeniería – Universidad nacional de la Patagonia San Juan Bosco