¿QUÉ SIGNIFICA Y CÓMO SERÍA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA?
¿QUÉ SIGNIFICA Y CÓMO SERÍA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA?
por Mauricio Cattaneo
Es octubre, y empieza a calentarse el ambiente tucumano. Ya con la lluvia se limpió un poco el aire y respiramos mejor, mientras volvemos a contemplar el cerro con nitidez y el color de los lapachos viste la ciudad. Fue un invierno extrañamente frío, pero sabemos que el calor será implacable durante el verano. En las noticias aparecen algunas inundaciones en Europa, olas de calor en China, sequías en el Amazonas, incendios en Grecia, y torrenciales tormentas huracanadas en el caribe, tifones en China y la última gran DANA que destruyó Valencia…. y también algún loquito que afirma que el cambio climático no existe[1]…
Energía y humanidad
Desde hace unos 200 años el desarrollo tecnológico requirió del aumento del consumo de energía. De las 2.000 calorías que requiere una persona en alimento sólo para sobrevivir, hoy, al nivel de vida estándar de un argentino, se requieren más de 19 millones de calorías (casi 10.000 veces más) para llevar una vida normal[2]. El problema es que más del 83% de la energía que se utiliza en el mundo proviene de “quemar algo”: petróleo, carbón, gas, madera, etc. Y seguir “quemando” nos está alterando el equilibrio en la atmósfera.
El proceso de “quemar” es una reacción química de donde se obtiene energía a partir de un compuesto -combustible- para utilizarlo de alguna manera. Para la combustión se requiere del oxígeno del aire, dando como resultado dióxido de carbono y agua. Pero además de “quemar”, el petróleo, el carbón y el gas son cruciales para la producción de todo lo que nos rodea hoy en día en una sociedad como la nuestra -plásticos, textiles sintéticos, pinturas, cemento, automóviles, medicamentos, alimentos, etc.; por lo que el problema con los combustibles fósiles no es solo la energía, sino toda la industria petroquímica que genera casi todo lo que utilizamos cotidianamente. Entonces, la transición energética es un poco más compleja que, solo no usar combustibles cambiando los autos de motor a combustión por uno eléctrico con batería de litio. Utilizar un vehículo eléctrico cuando su fuente primaria de energía sigue siendo los combustibles fósiles, no soluciona el problema. De hecho, el consumo de combustibles fósiles en movilidad es de un ~30% del total utilizado.[3]
Rompiendo el ciclo de carbono
Desde las primeras clases en ciencias naturales nos enseñan que los elementos químicos principales para la vida son el hidrógeno (H), carbono (C), oxígeno (O) y nitrógeno (N); representando más del 96% de nuestro peso corporal total. Estos elementos son claves en el funcionamiento de la vida y estuvieron en equilibrio en la biósfera durante millones de años.
Desde hace un tiempo, la humanidad ha roto completamente el ciclo del carbono por la “quema” de combustibles fósiles. Actualmente, expulsamos a la atmósfera más de 36,8 billones de toneladas de CO2 en el año 2022.[4] Toda la comunidad científica global expresa enfáticamente que el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera genera el “efecto invernadero”, incrementando la temperatura media de la atmosfera y provocando el aumento de eventos climáticos inesperados y de mayor magnitud.[5] Así, la ruptura de un ciclo genera un desequilibrio, ¡obviamente!, aunque haya algunos pocos, con mucha prensa, que digan lo contrario.
Ufff y ¿qué se hace?
Reducir, reutilizar y reciclar…las tres R son la clave para poder volver a generar un ciclo equilibrado en la naturaleza. La pregunta sería, ¿cómo hacemos un ciclo equilibrado y estable de los diferentes elementos que extraemos de la naturaleza? (carbono, nitrógeno y muchos más).
El sistema de producción actual que requiere la elaboración de productos al menor costo va en contra de este requerimiento de supervivencia…Quizá por eso, sean algunos de los más acérrimos defensores de este sistema los que niegan todas las evidencias. En la ciencia importan los datos, eventos y acontecimientos, lo que los números y hechos concretos revelan de nuestra realidad.
Si se ha roto un ciclo, lo primero seria intentar repararlo, tan simple y tan complejo como eso… pero ¿cómo? En el caso del carbono, habría que evitar emitir a la atmósfera esos 37 billones de toneladas de CO2; justamente lo que se propone en todos los acuerdos por el clima suscriptos hasta ahora -sin mucho éxito, por cierto- o al menos recuperemos lo que se emite -por cierto, también muy difícil-. El principal problema es que para lograr eso, o se modifica parte de la química conocida hasta ahora, o nos olvidamos de toda la vida moderna como la conocemos…incluso seríamos muchos menos (viñeta aparte). El reciclado de todos los elementos tendría que ser una de las áreas de mayor desarrollo en estos años. Dejar de extraer de la naturaleza y reusar lo ya extraído. Con este objetivo se vienen desarrollando métodos de clasificación, separación y transformación de diferentes componentes. Por supuesto que esto cuesta más económicamente hablando, especialmente porque requiere más energía para hacerlo y por ende aumenta el consumo energético. Desde el punto de vista químico requiere del desarrollo de nuevos mecanismos sintéticos para poder suplantar los insumos iniciales provistos por el petróleo.
Fuentes y vectores
Es más fácil de visualizar el reciclado de una botella, del papel o de los residuos en el compost, pero para reciclar el CO2 hay que extraerlo del aire y transformarlo nuevamente en un compuesto con carbono: combustible o vector químico para la industria petroquímica. Así, el CO2 podría ser reducido a etileno, etanol o acetaldehído y posteriormente, incluido en los accesorios utilizados cotidianamente.[6] El problema es que esto cuesta energía, la cual hoy obtenemos de los combustibles fósiles y una pequeña parte, de las energías renovables. Justamente lograr eso sería como la solución integral. Reproducir en conjunto con la naturaleza la captura de CO2 y producción de compuestos para ser utilizados como reservorio de energía. Las plantas obtienen la energía de la luz solar, nosotros tenemos no solo la posibilidad de utilizar la energía solar, sino también otras como la eólica, mareomotriz, geotérmica, hidroeléctrica y nuclear. Todas ellas producen energía eléctrica, y en el caso de la solar y eólica son intermitentes y desacopladas de la demanda. De mucho menor escala, las mareomotriz y geotérmica, tienen flujo constante; y las hidroeléctrica y nuclear se pueden regular y acoplar según la demanda.
Los combustibles fósiles -que consisten en energía obtenida a través de la fotosíntesis y almacenada por miles de años en la corteza- cumplen con los requisitos de versatilidad, transportabilidad, almacenamiento y producción de energía acoplada a la demanda. Esa versatilidad se debe a que esa energía está almacenada en sus “enlaces químicos”, aprendizaje principal de la naturaleza. Así, la fotosíntesis toma la energía del sol y la transfiere a enlaces en compuestos de carbono, que después son “quemados” por las células para devolver el CO2 a la atmósfera. Durante miles de años esto generó un equilibrio en la biósfera, permitiendo que los organismos vivos florezcan en plenitud. Por todo esto, los compuestos con carbono son por definición “vectores energéticos”, en la que su fuente primaria de energía es el sol.
¿Es posible reproducir esto? Claro que sí… ¿Es fácil? Claro que no…
Hasta el día de hoy se lograron varios escalones para controlar la tecnología. El vector energético más nombrado y más simple es el hidrógeno (H2), que se obtiene por la electrólisis del agua (H2O),
H2O aq -Energía→ H2 gas + O2 gas (Ecuación 1)
usando como fuente primaria de energía la electricidad producida por cualquiera de las fuentes renovables, dando nombre al “hidrogeno verde”. Pero los inconvenientes del hidrógeno no son pocos -baja compresibilidad y alta fugacidad, que dificultan su almacenamiento y transporte-, por lo que utilizar el H2 para producir otro “vector” como el amoníaco es una alternativa -y es ciertamente su principal uso (ver recuadro).
H2 gas + N2 gas -Energía→ NH3 gas (Ecuación 2)
Haber, el nitrógeno y “pan del aire”[7]Hacia fines del siglo XIX se esperaban futuras hambrunas por la escasez de alimento[8]. El guano disponible como fertilizante se estaba acabando, por lo que urgía una forma de obtener nitrógeno disponible para las plantas. El proceso Haber-Bosch permitió convertir el nitrógeno del aire en amoníaco, que es usado para la fabricación de los fertilizantes. Pero, así como puede servir para producir alimentos (de allí que fuera denominado como “pan del aire”), también lo es para producir explosivos. Su implementación se dio durante la primera guerra mundial, demostrando el amplio poder de destrucción colateral que tiene la ciencia cuando sus resultados son utilizados con esos fines; así como también su capacidad de alimentar a una humanidad en crecimiento. Actualmente, la producción de amoníaco es uno de los procesos más demandantes de energía a nivel global, contabilizando alrededor del 2% del total de la energía mundial.[9] |
Por otro lado, ya hay desarrollos para poder capturar el CO2 (proceso que separa el CO2 del aire, y reducirlo a otros compuestos como el metano (CH4). Sus ventajas radican en que toda la infraestructura mundial y la industria está preparada para utilizar estos componentes, por lo tanto, se pueden almacenar y quemar a demanda.
CO2 gas + H2O aq -Energía→ (H2CO)n gas/liq/sol + O2 gas (Ecuación 3)
La naturaleza ha logrado esta difícil tarea, en lo que se conoce como ciclo oscuro de la fotosíntesis (Ciclo de Calvin), donde a través de la enzima RuBisCo – quizá la enzima más abundante y más conservada en la naturaleza- reduce el CO2 a un compuesto de carbono, almacenando la “energía de la luz” en los enlaces moleculares como “energía química”.[10] De alguna manera la historia de la humanidad no habría sido, ni sería posible sin esta reacción.
Agua, enlaces, protones y electrones
Las ecuaciones químicas (1), (2) y (3) anteriormente consignadas, nos ayudan a interpretar que la energía almacenada en los enlaces químicos puede ser utilizada de diferentes modos. Y en el sentido contrario, si aplicamos la energía necesaria, estos enlaces pueden formarse nuevamente. Para ello, en todas hay que transferir electrones (eˉ) y protones (H+) de una molécula a otra. En la electrólisis del agua para producir hidrógeno, se sacan los electrones del oxígeno en el agua y se los pasan al protón.
O2 gas + 4H+ aq + 4eˉ → 2H2O liq E0 = 1.23 V
2H+ aq + 2eˉ → H2 gas E0 = 0 V
O2 gas + 2H2 gas → 2H2O E0 = 1.23 V (28,4 Kcal/mol)
Comprender los procesos de transporte de electrones ha posibilitado dilucidar cómo funciona la naturaleza, explicando el funcionamiento de la vida en la fotosíntesis y la respiración celular. Justamente allí, donde se encuentran los complejos entramados moleculares y enzimáticos que posibilitan una “cadena de transporte de electrones” para aprovechar la energía.
La curiosidad y el trabajo dedicado de muchos científicos a lo largo de los años, nos permite hoy tener herramientas para poder pensar en nuevas preguntas, solucionar nuevos dilemas y generar desarrollos que posibiliten que la vida continúe en equilibrio.
Consideraciones finales
Se requieren acciones urgentes, y por milagro o por desgracia, Argentina cuenta con excelentes oportunidades en todas las energías renovables. Pero esas oportunidades necesitan una planificación de corto, mediano y largo plazo que beneficien al conjunto de la sociedad y el desarrollo regional. Con la participación de nuestras universidades, nuestro sistema científico y nuestras empresas hay que desarrollar la investigación, la recopilación de datos, la formación de recursos humanos y el análisis de los factores que afectan nuestro ecosistema de vida; repensar la transición energética de forma integral, pensando no solo en los combustibles, sino también en todos los componentes que permiten nuestra cotidianeidad; crear una nueva industria en química y de materiales; aumentar rápidamente la provisión de energía de fuentes renovables que permitan reciclar la basura y disminuir la demanda de materia prima de la naturaleza; eficientizar los procesos de reciclado e industrializar estos componentes para volverlos al ciclo ya que fueron extraídos de la naturaleza.
Por todo esto, aprender cómo se transforman los materiales y las reacciones que intervienen nos ayudará a mejorar la eficiencia del uso de la energía. Todo envuelto por un fino y delicado traspaso de electrones y protones para aprovechar la energía de la manera más eficientemente posible.
[1] Se puede conocer más en los siguientes enlaces: https://news.un.org/en/focus-topic/climate-change
https://unfccc.int/about-us/reports/quarterly-updates/un-climate-change-quarterly-update-q2-2024
[2] Se puede conocer más: https://ourworldindata.org/grapher/per-capita-energy-use
[3] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Energy_statistics_-_an_overview#Final_energy_consumption
[4] https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2022
[5] https://www.ipcc.ch/languages-2/spanish/
[6] https://www.iea.org/reports/putting-co2-to-use
[7] https://quimicamoderna.net/quimica-experimental/legado-fritz-haber-experimento-alimento-mundo/
[8] https://quimicamoderna.net/quimica-experimental/legado-fritz-haber-experimento-alimento-mundo/
[9] https://www.iea.org/reports/ammonia-technology-roadmap/executive-summary
[10] Lehninger. Principios de Bioquímica – 7 Edición
Imagen de portada: Representación de Tucumán con sus cerros, las yungas y la caña de azúcar (Imagen generada con IA por el autor)