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¿Cómo será el mercado de energía en el futuro?

¿Qué tipos de tecnologías nos encontraremos en el futuro?  ¿Qué podemos esperar para el futuro?  Una gran parte del debate sobre las fuentes de energía del futuro se centra hoy en la producción de energía limpia, pero se omiten otros factores.  Asimismo no se plantea cómo será el funcionamiento del mercado de energía en el futuro.

No pretendo anticipar el futuro, porque este sólo lo conoce Dios, sino que se trata de una presentación de información exploratoria acerca del futuro de la energía, para iniciar un debate.

Tareas primarias en el mercado de la energía

De lo que se puede observar, pareciera haber 4 tareas básicas:

  • Extracción del insumo energético (obtener el recurso de la naturaleza)
  • Procesamiento para obtener la energía (tecnologías)
  • Almacenamiento de energía
  • Distribución de la energía

Distribución de energía

La distribución de energía en EUA actualmente representa un gran problema. 

Al estar la infraestructura de energía en manos privadas y al estar el mercado desregulado, los pequeños productores no disponen de herramientas para acceder a dichos medios para hacer llegar la energía a sus clientes.  Es decir, cada uno sálvese como pueda.  Por este motivo en el mercado de energía no hay libre mercado, porque los canales de distribución están acaparados por las grandes firmas que no están interesadas en darle espacio a competidores pequeños.

The Daily Beast (21st Century Power) señala que:

Es esencial que modernicemos la infraestructura eléctrica mundial para apoyar la energía renovable y el incremento en eficiencia energética.  "los sistemas globales de transmisión eléctrica y sistemas de distribución simplemente no le han podido seguir el ritmo a nuestra sociedad que crece y exige energía limpia y fiable" dice Gina Domanig, Managing Partner de Emerald Technology Ventures.

Almacenamiento de energía

Existen varios tipos de baterías (Batería - wikipedia):

  • Alcalinas
  • Alcalinas de manganeso
  • Níquel-Cadmio
  • Níquel-hidruro metálico
  • Iones de litio
  • Polímero de litio
  • Pilas de combustible
  • Condensador de alta capacidad

En un articulo publicado en Investigación y Ciencia en 1996 (Baterías de litio. La alternativa al plomo y al cadmio) se dice esto:

Actualmente existen dos tipos de baterías recargables que dominan el mercado: las baterías de plomo y las de niquel-cadmio.  Las baterías de plomo reinan en nuestros automóviles pero sólo destinadas a cubrir las necesidades de arranque, iluminación e ignición (no tienen suficiente energía para mover el coche).   Las baterías de níquel-cadmio a falta de mejores baterías, se emplean en artículos de electrónica de consumo como videocámaras y ordenadores o teléfonos móviles.

Así como el cadmio y el plomo son muy contaminantes, el litio es reactivo y venenoso también, y las pilas suelen tener un efecto de memoria que hace que con el tiempo dejen de ser tan recargables.  ¿Qué otras alternativas existen?

Las pilas de combustible

Una pila de combustible no es exactamente una batería tradicional, en tanto no se almacena energía eléctrica sino química. 

Un ejemplo de ello es la tecnología del hidrógeno.  Puedes obtener hidrógeno del agua, que se consigue en todo el planeta y es el gas más abundante en el universo.  Al combinarse de nuevo con oxígeno, se obtiene una reacción de altísimo octanaje.  Tu podrías tener el oxígeno e hidrógeno separados por tiempo indefinido y puedes combinarlos cuando quieras, de modo que la energía química queda almacenada de forma indefinida sin que haya pérdida.

Los motores principales del transbordador espacial (Space Shuttle Main Engine también llamado SSME), han logrado 100% de éxito en el vuelo y han demostrado una fiabilidad por encima de 0.9999.  Son motores fabricados por Boeing que son reutilizables y usan combustión de oxígeno (LOX) e hidrógeno (LH2).  Los SSME posen un coeficiente de impulso específico (Isp) de 453 segundos. El Isp es una medida de eficiencia de uso de propelente en un motor a reacción, y a mayor ISP la eficiencia es mayor.  Indica la cantidad de impulso que se puede obtener por unidad de propelente.  Cabe indicar que el ISP no tiene nada que ver con la fuerza de empuje (thrust) que un motor provee, sino esencialmente con el consumo de propelente.

La diferencia entre impulso específico y empuje puede ser ilustrada con las marchas de un carro.  La primera marcha gasta mucho combustible (poca eficiencia) pero proporciona suficiente empuje para subir una montaña empinada (alto empuje).  La sexta marcha de un auto gasta poco combustible (alta eficiencia) pero si tratas de arrancar el auto en dicha marcha probablemente se te apague el carro porque sta marcha no tiene suficiente fuerza para mover un carro estacionado (bajo empuje).

Motor Velocidad de salida en la tobera (m/s) Impulso específico Isp (s) Energía por kilogramo expulsado (MJ/kg)
Impulso específico para varias tecnologías de propulsión
Motor de jet de turboventilador 29.000 3.000 0,05
Cohete de combustible sólido 2.500 250 3
Cohete de bipropelente líquido 4.400 450 9,7
Motor de iones 29.000 3.000 430
Motor electrostático de iones de doble etapa y rejilla de cuatro 210.000 21.400 22,500
VASIMR 290.000 30.000 43,000

Fuente: Specific impulse

Aunque observamos que la propulsión de iones y el motor VASIMR tienen un Isp mayor, desafortunadamente son tecnologías que están optimizadas para operar en el vacío del espacio y su empuje es muy bajo.  Destaco el motor VASIMR de la empresa Ad Astra Rocket, porque me parece un invento muy interesante que podría usarse en el mercado energético a futuro, y no sólo para viajes espaciales como el viaje a Marte (Conceptual Mars mission using 3 VASIMR engines).

La tecnología del hidrógeno aún presenta algunos desafíos técnicos como:

  • Filtraciones de hidrógeno: Las moléculas de hidrógeno son muy pequeñas y se escapan de los tanques metálicos como se escapa el agua a través de una bolsa de tela (Dynamic modeling of a solar hydrogen system under leakage conditions).  Según algunos el hidrógeno presenta riesgos al ser un gas invernadero (Environmental impacts of hydrogen based energy systems).  Una posible manera de compensar este problema sería combinar el hidrógeno en un compuesto que no sufra filtraciones y no ocasione efecto invernadero.
  • Condiciones de operación: Para obtener el máximo de eficiencia del sistema, y con ello mejorar la cantidad de energía que se obtiene de la reacción, se ocupa enfriar mucho el hidrógeno hasta volverle líquido (Liquid Hydrogen Fuel).  En 1991 BMW introdujo su primer carro de hidrógeno.

Por supuesto, el uso de hidrógeno en la mente de algunos también genera temores, cuando se cita la explosión del transbordador Challenger o el desastre del Hindenburg que trajeron consecuencias fatales.  Sin embargo cabe señalar que a diferencia de dichos vehículos que fueron destruidos, un conductor de auto con motor de hidrógeno no estaría sentado sobre toneladas de combustible.

Energía nuclear

Lester Brown en su excelente artículo "The Flawed Economics of Nuclear Power" hace un interesante análisis de los problemas de la energía nuclear.  Los costos de energía que se suelen usar no incluyen la disposición final de desechos nucleares, el costo de disponer de instalaciones nucleares viejas, y costo real de asegurar las instalaciones contra accidente, que al trasladarse en forma de gasto público se ven como déficit de gobierno, y no como costo real de la energía.  Por esta razón los impulsores de este tipo de energía, quienes han querido hacer negocio aprovechando el tema del cambio climático, tienen serias fallas en sus propuestas.

Con el proceso de enriquecimiento de Uranio o al irradiar combustible nuclear, produce uranio empobrecido (What is depleted uranium?). El desecho de hexafluoruro de uranio es una sal (combinación de fluoruro o silicato con el uranio) altamente venenosa.  No hay tecnología actual que se use para procesar estos desechos de modo que se envían a basureros nucleares.

Una posible opción (que es una simple ocurrencia mía) para procesar estos desechos es usar un motor VASIMR que convierte todo en su interior en plasma a varios millones de grados, de modo que las moléculas se disocian y de obtiene los elementos químicos de dichas sustancias, estratificados según peso atómico. Claro, puede existir el problema de que el material radiactivo interfiera con el funcionamiento o surja algún problema técnico o de seguridad para procesar desechos tóxicos de esta manera.

Otra forma sería enviar los desechos al sol.  Se ocuparía un lanzador para llevar el desecho a la órbita, y luego la última etapa podría ser remolcada por una nave remolcadora reutilizable que también usaría un motor VASIMR. A diferencia de los cohetes de combustible químico que gastan mucho propelente, una nave VASIMR presenta cualidades de eficiencia que podrían permitir efectuar este tipo de maniobras orbitales a un costo muy inferior al de los motores de combustible químico.  El motor, aunque necesita probarse en el espacio, ya fue probado en tierra (VASIMR Fires At Full Power For 15 Seconds) de modo que ya no es ciencia ficción.

Sin embargo esta posible solución a uno de los problemas, no resuleve el resto de los aspectos mencionados por Brown para la fisión nuclear (división de átomos).  Quizá debamos entonces voltear los ojos al cielo y encontrar maneras de desarrollar minería de Helio 3 que se encuentra en la Luna y que fue depositado por el viento solar en la Luna.

Energía eólica

Brown tambien señaló desde 2003 que la energia eólica es el candidato perfecto para ser considerada como la fuente de energía del futuro (Wind Power Set to Become World's Leading Energy Source).  Si vemos hoy a nuestro alrededor es posible comprar por internet una pequeña turbina eólica en le techo de la casa que nos puede dar 900W (una luz incandescente casera puede consumir unos 100W) por un precio cercano a los $2000.

El futuro de la energía

Ya el petróleo parece tener sus días contados, y a pesar de esto su comportamiento podría no ser el esperado (Dudas en el alza del precio del crudo).  Muchos países ya se mueven en dirección hacia los renovables (Chile reactiva proyecto solar en desierto)

Actualmente es poco probable que sea EUA el que lidere el futuro de la energía por varias razones:

¿Irá China a ser el faro de innovación en materia energética en el futuro?

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  1. en respuesta a Franchisek
    -
    Top 100
    #5
    03/01/11 15:25

    No es un disparate. Es igual que cambiar tu computadora vieja por una más nueva, y dejamos el petróleo que queda para hacer plástico.

  2. en respuesta a Gaspar
    -
    Nuevo
    #4
    03/01/11 13:51

    Razonablemente, podemos suponer que renovar todo el parque automovilístico por vehículos eléctricos es un disparate. Pero tenemos que tener en cuenta que el petroleo es una materia prima excelente y simplemente la estamos quemando.

    En cuanto a los almacenamientos energéticos a gran escala yo he realizado mi tesis en ellos y es lo que será capaz de integrar las renovables con la red y dar salida a las centrales altamente contaminantes como fuel y carbón.

    La carrera "Eléctrica" consistirá en cambiar el modelo actual y adaptar la grid parity y el almacenamiento con las redes de transmisión. Que realmente faltan mucha. La interconexión con nuestros vecinos que actualmente es más o menos 1GW con Europa (como una central nuclear) y por supuesto la eficiencia energética.

    Saludos y feliz año!

  3. #3
    03/01/11 01:09

    Tocas un tema interesante y clave para el futuro de la civilizaciòn.

    A todo esto mi opiniòn es que, a diferencia de otras èpocas donde se dependiò de un sòlo energètico (vapor, en los inicios de la revoluciòn industrial, combustiòn de fòsiles poco despuès), ahora se tendrà que buscar una profunda diversificaciòn de fuentes de energìa, pero cuidando lo que dictan las dos primeras leyes de la termodinàmica.

    En primer lugar, buscar que la fuente de energìa sea renovable, para no decir inagotable, y ahì entran en esa categorìa la energìa solar, eòlica, las mareas, la volcànica - Islandia es un ejemplo - y las combinaciones posibles.

    Y, en segundo lugar, buscar que los desechos resultantes sean mìnimos, para no contribuir al desorden en los sistemas ambientales.

    Es cierto, China a tomado ciertos pasos, dada su altìsima dependencia petrolera. Estados UNidos està haciendo su parte desarrollando tambièn una extensa granja de molinos eòlicos en la parte occidental del Estado de Texas.

    Hay algo que quiero agregar acerca de la energìa biològica, en especial la obtenciòn de alcohol a travès del cultivo extenso de maìz o caña de azucar. Este tipo de energìa, y sus ahorros aparentes, se obtienen a un alto costo, dado que han estimulado a la desforestaciòn en gran escala, ahì tenemos los casos tràgicos del Amazonas y de los bosques tropicales de Indonesia, pues su desapariciòn total podrìa lograrse en tan sòlo un par de dècadas.

    Parece que se han hecho experiementos piloto exitosos con el alga marina, pero habrìa que ver si es sustentable desde un punto de vista econòmico.

    sal-u2

  4. Joaquin Gaspar
    #2
    30/12/10 20:08

    Buen tema. En cuanto a las pilas creo que han faltado las fuel-cells.

    Aunque el problema de almacenamiento y distribución no esta resuelto y pocas han sido las propuestas serias, creo que empezaremos de menos a más, es decir, con pocos y pequeños autos eléctricos, pocos y pequeños campos eólicos y conforme se comience a hacer rentable se hará la inversión necesaria.

    Yo en lo personal apuesto primero por el crecimiento de productos renovados del petroleo y después por otras energías. Como el biodiesel como el que produce evergreen. Ya que es más rentable seguir utilizando la industria actual que invertir en toda una nueva red de distribución y almacenamiento.

  5. #1
    30/12/10 04:57

    Interesantísimo tema. Creo que la energética será la próxima gran revolución.

    Yo no desestimaría alguna invención o descubrimiento que cambie radicalmente el panorama, ya sea la viabilidad de centrales de fusión, la viabilidad de superconductores a temperatura ambiente o alguna fuente de energía potente y portable a pequeña escala o que facilite la generación de grandes cantidades de energía sin necesidad de centrales específicas, de forma muy distribuida, reduciendo considerablemente los altísimos costes de la distribución actual.

    De lo que existe actualmente, yo me decantaría por la energía de las mareas, no tanto por la ausencia de problemas tecnológicos(que son muchos), sino por el potencial de energía disponible, infinitamente superior a otras energías renovables como la eólica o la solar.