Investigacion Y Ciencia 362, Noviembre 2006

Para que un futuro tan hidrogen ado se haga realidad, debern vencerse numerosas y compl ej as dificultades. Los fab ricant es de auto s deb en aprender a manufactu rar nuevos tipos de vehc ulos , que resulten atra ctivos para los co nsumidores. La s compaas energ ticas deben adoptar nue vas tcnicas de produ ccin de hidrgeno y co nstruir las nuevas infraestru ctu ras de distribucin de co mbustible que sustituiran a los ac tuales sistemas de refino y distribucin de gaso lina. El hidrgeno no solven tar todos nuestros problemas en un da; de hecho, podran pasar decenios an tes de que empezara a redu cir las emisiones de gases de invern adero y el co nsumo de petr leo a esca la global. La transicin al hidrgeno guarda mayor semeja nza co n un maratn que con un esprint.

El futuro de la pila de combustible Durante el ltimo decenio, diecisiete pases han anunciado programas nacionales para el desarrollo de la energa hidrognica, con su correspondiente asig nac in de miles de millones de dlares del erario pblico. Ms de 30 estados de los EE.UU. y varia s pro vincias canadienses estn desarrollando planes simil ares. La mayora de los principales fabri cante s de automviles estn exhibiendo protot ipos de vehculos de hidrgen o e invirtie ndo ce ntenares de mill one s de dlares en investigac in y desarrollo. Honda, Toyot a y General Motors (GM) han anunciaelo planes para comerciali zar vehculos de pila ele comb ustible entre 2010 y 2020. Firmas de automocin y las co mpaas energticas Shell, Chevron y BP estn trabajando con los gobiernos para introducir las primeras flotas de vehculos de hidrgeno, adems ele pequeas reeles de repostaje en California, el noreste de EE.UU., Europa y China.

Esa oleada ele inters por el hidrgeno surge no slo de sus beneficios ecolg icos a largo plazo , sino tambin de su potencial para es timular la innovacin. Los fabri cantes de automv iles se han adherido a los coches de pila de combustible porqu e augura n conve rtirse en uno s magnficos productos de consumo. Esta tcnica promete un funcio namiento silencioso, ace leraciones rpidas y mantenimiento barato. La sustitu cin de los motores de combu st in interna por motores elc tricos y de pila de combu stible torna innecesarios a numerosos subsistemas mecnicos e hidrulicos; este ca mbio proporciona, a las empresas el e automocin, mayor flexibilidad en el diseo de sus vehc ulos y la capacidad para mejorar la eficiencia del proceso de fabricacin.

Ms an, los vehculos de pila de combustible dotaran a sus pro pie tarios de una fuente mvil de elec tricidad, que podran emplear co n otro s props itos . En los perodos de picos de consum o, cuando la tari fa elctrica es ms cara, los coches de hidrgeno haran tambin de grupos electrgenos, con lo que proporcionaran a hogares y oficinas un suplemento de energa barata, mientras perm anecen estacionados en las cercanas.

Los fabricantes de coches debern ocuparse tambin de hacer que los vehculos de hidrgeno res ulten ms atractivos para los consumid ores. Un componente clave de la pila de combustible para autom viles es la membrana de intercambi o protnico (PEM, de " Protonic Exchan ge Mernbrane"): se para el combustible, el hielrgen o, del

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oxgeno. A un lado de la membrana, un ca talizador escind e los tomos de hidrgeno en protone s y electrones; luego, los proton es cruzan la membran a y se combinan con los tomos de oxgeno que hay al otro lado. Los fabr icantes han reducido el peso y el volumen de las pilas de combustible con PEM para que encajen en el int erior de un coche compact o. Pero las membranas se degradan con el uso; las ac tuales pilas con PEM dur an slo unas 2000 horas, menos de la mitad de las 5000 horas de vida necesarias para que un vehculo se considere comercial. Se estn desarrollando membranas ms dur aderas. A finales de 2005 , investigadores de 3M inform aron de nuevos diseos que podr an situar las pilas el e combustible en las 4000 horas, y ms , dentro de los prximos cinco aos .

El abaratamiento de las pilas co nstituye otro de los retos principales. Los autos de pila de combus tible actuales son pie zas de artesan a: cues tan un milln de dlares la unid ad. Tan elevado precio se debe, en parte, al nmero exiguo de flotill as experi mentales; si eso s vehcul os se produjeran en mas a, el cos to de los sistemas de propulsin bajara a una cifra ms razonable de entre 6000 y 10.000 dlares. Ese precio equivale a 125 dlares por kilowatt de potencia en el motor, unas cuatro veces los 30 dlares por kilowa tt de un motor equiparable de co mbus tin intern a.

Las pilas de combustible pod ran requerir materiales y mtodos de fabr icacin de nue vo cuo para ponerse a la par co n los motore s de gaso lina . Acaso tambi n los fabricantes de auto s pudi eran dism inuir los costos mediante diseos que se adaptaran a la singularidad de la pila de combustible. Segn General Motors, los coches de hidrgeno podran acabar result ando ms baratos que los de gaso lina, pues contaran con menos piezas mviles y una arquitec tura ms flexibl e .

Los ingenieros de auto mocin deben desarrollar un sistema de almacenamiento de hidrgeno que asegure una autonoma razonable, de unos 500 kilmetros. El almacenamient o ele hidrgeno en es tado gaseo so requiere cilindros ele presin elevada y gran tamao . Aunque el hidrgeno lqu ido ocupa menos espacio, exige un sobreenfriamiento a temperaturas por elebajo de - 253 grado s Celsiu s. Los fabricantes de automv iles estn estudiando el uso de sis temas de hidruros metlic os que absorben el hidrgeno bajo presin, pero esos dispositivos tienden a pesar demasiado (unos 300 kil ogramos).

El desarrollo de un mtodo de almacenamiento constituye una de las prin cipales cuestiones pendientes de la investigacin sobre el combustibl e de hidrgeno . A falta de una tcnica avanzada, la mayora de los vehculos de pila de combustible optan hoy por el almacenamiento del hid rgeno en form a de gas comprimido. Con un envasado ingenioso a mayor presin, esos coches se ace rca n a una autonoma viable, sin comprometer el volumen del maletero ni el peso del vehculo.

En 2005, General Motors, Honda y Toyota presentaron coches co mpactos de clula de com bustible con unos 500 kilme tros de autonoma; empleaban gas hidrgeno a 70 megapascal. (La presin atmos frica al nivel del mar es de alrededor de 0, 1 megapascal. )

Con anterio ridad a la introdu ccin de un combustible nuevo, debe co nsiderarse la seguridad del mismo. Aunque

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el hidrgeno es inflamable , su temperatura de ign icin se encuentra por enci ma de ese parmet ro en el caso de la gaso lina; adem s, se dispersa en el aire mucho ms rpido que sta, lo que reduce el riesgo de incendio. Presenta, sin embargo, algunos inconvenientes: la gama de concentraciones inflam ables es ms amplia y las llamas son poco visibles. Las refineras de petrleo, las plantas qu micas y otras instalacione s industriales manipulan, de forma seg ura, cantidades inmensas de hidrgeno; con la ingeni er a adecuada puede hacerse que este combustible no resulte peligroso para las aplicaciones de consumo. El Departamento de Energa es tadounidense y otras organizac iones preparan cdigos y normas de seguridad para el combustible de hidr geno.

Una vez listos, cunto tardaran los coches de hidrgeno en hacerse con una buena cuota del mer cado y en comenzar a reducir las emisiones de carbono y el consumo de petrleo? Pue sto que un coche dura unos 15 aos, se tardara al menos eso en cambiar todo el parque al nuevo sistema. En general, tras pasar por las investigacione s precornerciales, el desarrollo y las demostraciones prcticas, una nueva tcnica de automocin se introduce en el mercado en un modelo de coche ; slo al cabo de un tiemp o aparece en varios vehculos. (Por ejemplo, los motores hbridos gas-elc tricos se desa rrollaron prim ero para sedanes compactos y se incorporaron luego a los utilitarios deportivos.) Los costos

suelen reducir se conforme aumentan los volmenes de produ ccin; ell o estimula la innovacin.

Una tcni ca nueva puede tard ar de 25 a 50 a os en infiltrarse en una fraccin considerable del parque automovilstico. Aunque la investigacin bsica sobre vehculos hbridos comenz en la dcada de los setenta, hasta 1993 Toyota no inici el desarrollo del Prius. Las primeras ventas llegaron a fines de 1997 ; ocho aos despus, los modelos de hbridos de varios fabricantes cubren slo el 1,2 por ciento de las ventas de coches nuevos en EE.UU.

Obtencin del hidrgeno Lo mismo que la electricidad, el hidrgeno hay que extraerlo de alguna fuente de energa. En su mayor parte se obtiene ahora mediante el tratamiento, a alta temperatura , de gas natural y petrleo. Las refineras emplean hidrgeno en la purificacin de combustibles derivados del petrleo; las plantas qumi cas en la obtencin de amonaco y otro s compuestos.

La produccin de hidrgeno consume hoy el dos por ciento de la energa global; un porcen taje que crece sin cesar. Si todo ese hidrgeno se consum iera en automviles, propulsara en torno a 150 mill ones de vehculos, del orden del 20 por ciento del parque mundial. Aunque la mayor parte del hid rgeno se produce y co nsume en las refiner as y las planta s qumicas, del 5 al 10 por

BARRERAS ANTE EL HIDROGENO Uno de los retos que deben salvar los coches de hidrgeno es el de mayor autonoma. El Laboratorio Nacional de Energas Perdurables estadounidense midi en fecha reciente la autonoma de 59 coches de hidrgeno (derecha). Incluso el modelo que mejor respondi se qued corto respecto a los 500 kilmetros de autonoma que necesita un vehculo comercial. Otro reto consiste en abaratar el hidrgeno. La obtencin a partir de energas renovables (elica, solar, biomasa), hoy demasiado cara, debera abaratarse con el progreso de la tcnica y alcanzar una plena nulidad de emisiones.

Autonoma deseada

1 I I I I O 100 200 300 400 500

Autonoma de los vehculos de hidrgeno (kilmetros)

Fuentes de produccin central Fuentes de produccin descentralizada

Coste actual

Coste futuro

Gama de precios competitivos con la gasolina

o Gas natural (conve rsor

central)

Carbn Carbn con secuestro

Biomasa Gas natural (conversor

in situ)

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ciento se remi te, mediante camin o gasodu ctos, a sitios alejados. En EE.UU., este sistema de distribucin transporta energa suficiente para abas tecer varios millones de vehcul os; la infraestructura servira de trampoln a la economa del hidr geno.

Pero la obtenci n de hidrgeno a partir de combustibles fsiles genera dixido de carbono. Si el hidrgeno se obtu viera del gas natu ral, el mtodo ms corriente en la actualidad, y se utilizara en un vehculo eficiente de pilas de combustible, las emis iones totales de gases de invern adero res ultaran del orden de 110 gramos por kilmetro recorrido. Esta cantida d es algo inferior al total de las emisiones de un hbr ido de gasoli na (150 gramos por kil metro) y significativamente menor que las de los coches actu ales de gaso lina (195 gra mos por kilmetro).

La meta ltima consi ste en la produccin de hidrgeno sin emisiones de gases de inverna dero en 10 posible. Una opcin estri ba en capturar el dixid o de carbono que se genera en la extraccin del hidrgeno de com bustibles fsi les e inyectarlo bajo tierra o en las profundidades ocenicas. Este proceso perm itira una producci n de hidrgeno limpia, a gran escala y a bajo cos te, pero exigira fund amentar la viabili dad tcnica y la seguridad ecolgica del secuestro del carbono.

Otra tcnica recurre a la gas ificacin de biomasa: calentamie nto de materiales org nicos (resi duos leosos y de cose chas) para provocar la liberacin de hidrgeno y monxido de carbono. (Este proceso no vier te gases de invernadero a la atmsfera, porque las emisiones de carbono estn compensadas por el dixido de car bono que absorbieron las plantas durante su crecimiento.)

De acuerdo con una tercera pos ibilidad se recurrira a la electrlisis del agua med iante energ a elica , solar y otras renovables.

Aunque la electrlisis y la gas ificacin de biomasa no ent raan dificultades tcnica s de importancia, los costos actuales de produccin de hidrgeno por esos mtodos son elevados: de 6 a 10 dlares por kilogramo. (Un kilogramo de hidrgeno tiene el mismo contenid o energtico que un poco menos de cuatro litr os de gasolina, pero mueve un coche hasta una distancia varias veces mayor que la lograda por los motores al uso de gaso lina, porque el rendimiento de las pil as de combu stibl e es mayor.)

Segn estimaciones recientes del Consej o Nacional de Investigacin y de la Academia Nacional de Ingeniera estadounidenses, las tcnicas futuras y la produ ccin masiva rebajaran el precio del hidrgeno en el surtidor a entre 2 y 4 dlares por kilogramo. En tal situacin, el hidrgeno para un coche de pila de combustible costara menos por kilmetro que la gasolina para un coche actual.

La energ a para la electrlisis podra ser tambin de origen nuclear, aunque el procedimiento no resultara ms barato que otro basado en fuentes renovables. Adems, las centrales nucleares generara n hidrgeno sin elect rlisis : el intenso calor de los reac tores descompone el agua medi ante un proceso termoqumico. Se obtendra as un hidrgeno ms barato, aunque de viabilidad toda va no contrastada. Por otra parte, cualquier opci n relacionada con la energa nuclear presenta los mismos inco nvenientes que han acosado dura nte decenios a la indus tria


2. UN CHASIS MONOPATlN, que incluye todo s los sistemas de propulsin y control, max imiza el espacio interior del Hy-wire, prototipo de coche de hid rgeno de General Motors.

nucle oelctrica: problem as con los residuos radiactivos, de prol iferacin y de ace ptaci n popular.

Una nueva infraestructura energtica Dado que EE.UU. dispone de esplndidos recursos elicos, solares y de biomasa, la fabr icacin de grandes cantidades de hidrgeno limpio y barato no resultar difcil. El mayor problema es logstico: cmo distri buir el hidrgeno a buen precio entre mltiples puntos dispersos? En la actualidad, en EE.UU. hay slo unas 100 estaciones de repostaje de hidrgeno, instaladas con fines demostrativos; el nmero de estacione s de gasolina, en cambio, asciende a 170.000. La conversin de las gaso line ras al suministro de hidrgeno no es directa: el gas deb e manejarse y almace narse de modo distinto del seguido con los com bustibles lquidos como la gaso lina; el surtidor requiere, pues , otras tcnicas.

Para la incipiente eco noma del hidrgeno, la necesidad de una nueva infraestructura se traduce en un problema del tipo del "huevo o la gallina". El pblico no com prar vehculos de hidrgeno a menos que se dispon ga de una extensa red de venta del combu stible a precios razo nab les, pero los proveedores de combustible no plantarn esta ciones de hidrgeno mientras no haya clientes suficientes. Y aunqu e el estudio del Consejo Nacional de Investigacin prev que el hidrgeno ser competitivo con la gaso lina una vez que haya disponible una exten sa red de distr ibucin, el hidrgeno podra result ar ms caro durante los primeros aos de es ta transicin.

Para el arranque de esta conversin energtica conviene concentra rse primero en las flotas de vehculos que no precisan de una red amplia de repo staje (furgonetas de repar to, autobuses o cam iones). Tambi n los motores de embarcaciones y las locomotoras fu ncionaran con hidrgeno, lo que eliminara no pocas emisiones con

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MULTIPLES USOS DEL HIDROGENO Dado que el lransporte de hidrgeno a largas distancias resulta de hidrgeno se emplearan tambin en motores de embarcara caro, cada planta generadora debera limitarse al abasteci ciones y ofreceran electr icidad suplementaria a los edilicios miento de su zona. Los primeros usuarios seran vehculos de de oficinas. Los propietarios de coches de hidrgeno cargaran flota (camiones, autobuses, etctera) y pequeos vehculos que combustible en las estaciones de servicio o generaran su prohoy emplean bateras elctricas (toros de almacenes). Las pilas pio hidrgeno en casa, mediante paneles solares.

tam inante s. Con pil as de combustible podran equiparse carretillas elevadoras, motociclos, bicicletas elctricas y otro s veh culos pequ eos que hoy emplean bateras elctricas. Se incorporaran tambi n en grupos electrgenos estticos: en comisaras de pol ica , bases militares y otros usuario s que no desearan depend er exclus ivamente de la red elctr ica general. Estos mercados especializados ayudaran a rebajar el precio de las pila s de combustibles y animaran a las compaas energticas a instalar las prim eras estacione s de hidrgeno.

Para incidir a escala mundi al en el consumo de petr leo y en las emisio nes de gases de invernadero, el combu stible hidrgen o deber abrirse paso en el comercio de los coches de turismo . De acuerdo co n las investig aciones acometidas en la Universidad de California en Davis, para que los prop ietarios de coches de pila de combustible disfruten de la misma comodidad que los consumidores de gasolina, deber an suministrar hid rgeno entre el S y el 10 por ciento de las es tacio nes de servicio urbanas (ms unas pocas ent re ciudades) .

Segn las estimac iones de General Motors, dar servic io a escala nacional de EE .UU . al primer milln de veh culo s de hidrgeno requerira unas 12.000 estaciones en ciudades y carreteras interestatale s, al costo de un mill n de dlares cada una. La construccin de un

sistema de aprovisionamiento de hidrgeno a gran escala para atender a los cien millones de vehculos que circulan en EE.UU. podra cos tar varios centenares de miles de mill ones de dlares, que se invert iran a lo largo de decenios. Esta estim acin incluye no slo los costes de la con struc cin de las es taciones de repo staje , s ino tambi n de los nuevos sistemas de produ ccin y distribucin que se requ erirn si se genera liza el uso combustible del hidrgeno .

Tales cifras pueden parecer abrumadoras. Sin embargo , segn las previsiones del Consejo Mundial de la Energa, los costes de infraestru ctura para el mantenimiento y ampliacin de la economa estadounidense de la gasolina durante los prximos 30 aos ascendern a 1,3 billones de dlares, ms de la mitad de los cuales se gastarn en los pases en vas de desarrollo productores de petrleo. De esa cantidad, la mayor parte se destinar a la prospeccin y produccin de petrleo. Unos 300.000 millones de dlares sern para refineras, oleoductos y cisternas: equipamientos que podran remplazarse por un sistema de produccin y distribucin de hidrgeno. La construccin de una economa del hidrgeno es car a, pero as son los negocios.

Existen varios procedimientos para abastecer de hidr geno a los vehculos. El hidrgeno puede producirse en


plantas de alcance regional, almacenarse en forma lquid a o gaseosa comprimida, y dist ribuirse a las estacione s de servicio por cubas o gasoductos. Puede tambin obtenerse in situ, en las propias esta ciones o en los domicilio s particulares, a partir de gas natural o electricidad. En las primeras etapas de una econ oma del hidr geno, cuando el nmero de vehculos de pila de combu stible sea redu cido, la distribu cin en cami n o la produ ccin in situ constituir n, quiz, las opciones ms econmicas. Pero cuando la demanda sea elevada -para un 25 por ciento de los vehculos de una ciudad, por eje mplo- la opcin ms barata corresponde a una planta regional con distribucin por gasoducto. Este sistema de produ ccin central allana el camino al secues tro del carbono, que tiene sentido slo a gran escala.

En numeros os aspect os, el hid rgen o guarda mayor semejanza con la electricidad que con la gaso lina. Dado que su tran sport e y almacenamiento resultan ms caros que los de la gaso lina, lo ms probable es que la produ ccin se reparta por todo el pas; cada planta productora atend era al mercado regional. Es ms, las rutas de abasteci miento dependern de la ubicacin. La infraestructura no sera la misma en Ohio -donde abundan la hulla y los enclaves adecuados para el sec uestro del dix ido de ca rbono-- que en el Noroeste (donde la energa hidru lica es barata) o en el Med io Oeste (que aprovecha la energa e lica y los biocombu stibles). Para la distribucin del hidrgeno, una ciudad pequea o una zona rural podran recu nir al abastecimiento por camin o a la produccin in si tu, mientras que una ciu dad de mayor tamao y con alta den sidad de pobl acin podra servi rse de una red de gasoductos.

El desarrollo de una economa del hidr geno entraa ciertos riesg os financieros. Si una compaa energtic a construyese instalaciones gigante s de produ ccin o distribucin, y el mercad o de pilas de combustible creciese ms lento que lo esperado, la empresa podra exponerse a perder parte de la invers in. Nos referim os al probl ema de los "activos varados" . Para minim izar el riesgo, el sector energ tico debera aumentar el suminis tro de hidrgeno de forma gradual , acompasado a la demanda. Por ejemplo, las compaas construir an centrales elctricas que generaran a la vez elec tric idad y un peque o flujo de hidrg eno para los primeros vehculos de pilas de combustible. En cuanto a la distribucin, las compaas empezar an con un reparto mediante camiones ; los gasoductos y otras inversiones sustanciosas se demoraran hasta el mome nto en que se hubi era creado una demanda importante y es table.

Primeros pasos El camino hac ia un sistema de transportes basado en el hidrgeno se compo ne de varias sendas paralela s. Potenciar el ahorro de combustible constituye el primer paso esencial. El desarrollo de coches ligeros, motores de mayor eficiencia y trenes de propulsin hbr idos elctricos reducira las emision es de carbono y el con sumo de petrleo durante los dos o tres pr ximos decenios. El hidr geno y las pilas de combu stibles se cimentaran sobre esa evoluc in tcnica; aprovecharan las mejora s en el rend imient o y la crecie nte elec trificacin de los vehcul os.


El desarroll o de la infraestructura del co mbustible hidrgeno durar decenios; avanzar al comp s del crecimiento en la demanda de vehculo s de hidrgeno. Mediante proyectos como la Red de Autopistas de Hidrgeno de California ("C alifornia Hydrogen Highway s Network") y el HyWays en Europa, las co mpaas energti cas estn ya suministrando hid rgeno a flotas experimentales y com probando el fun cionami ento de las tcnicas de repostaje. Para que los vehculos de hidrgeno penetren en los mercados de masas en 10 o 15 aos, debera haber para entonces combustible disponibl e a un precio competitivo. La concentracin de proyec tos hidrog nicos en regione s clave como el sur de Californi a o el corredor del Noreste pod ran ace lerar el creci miento del mercado de pila s de combustible y reducir el volumen de las inversion es en infraestructura .

A cor to plazo, el grueso del hidrgeno se extraer del gas natur al. Este sistema recortar slo mode radamente las em isiones de gases de invernadero, en comparacin con los vehculos hbridos; para que los beneficios del hidrgeno sean mximos, las compaas deben obtenerlo de fuentes energ ticas, sin contenido en carbono o bien con el secuestro de los subproductos carbnicos. Cuando el hidrgeno se haya convertido en un combustib le de prim era fila - a partir de 2025- los gobiernos debern apl icar de forma escalonada normativas que anul en las em isiones derivadas de su obtencin .

En el nterin, las pol tica s tend ran que prim ar los esfuerzo s en cur so para el desarroll o de tcnicas energticas limp ias, como la elica , la solar y la gas ificaci n de la biom asa, as com o el secuestro del carbono. El cambio a una economa del hidrgeno puede considerarse parte de un movimiento ms amplio hacia una economa menos "carbni ca".

Pese a que la transicin podra durar deceni os, los vehculos de hidrgen o ayudaran a prot eger el clima del planeta y a reducir la depend encia del petrleo. El enorm e potencial de est a nueva industria subraya la importancia de la investi gacin, el desarrollo y la comprobacin de las tcnicas del hidrgeno, para que estn listas cuando las necesitemos.

La autora Joan Ogden es profesora de ciencias y poltica ambientales en la Universidad de Cal ifornia en Davis. Codirige el Programa Hydrogen Pathways en el Instituto de Estudios sobre Transportes del mismo centro . Investiga sobre combustibles alternativos, pilas de combustible, energ as renovables y conservaci n de la energa.

Bibliografa complementaria

THE HVOROGEN ECONOM V: DpPORTUNITIES, COSTS, BARRIERS, ANO R&D NEEOS. National Research Council y la National Academy of Engineering. National Academies Press, 2004.

THE HVOROGEN ENERGV TRANSITION: CUTTING CARBON FROM TRANSPORTATION. Dirigido por Daniel Sperling y James S. Cannon. Elsevier, 2004.

THE HVPE ABOUT HVOROGEN: FACT ANO FICTlON IN THE RACE TO SAVE THE CUMATE. Joseph J. Romm. Island Press, 2005.

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RESUMEN Tcnicas nuevas y ambiciosas podran contribuir a saciar la sed de energa del mundo sin agravar el cambio climtico. Con el tiempo, acabarn siendo necesarias para cercenar la emisin de dixido de carbono. Pero si los mtodos tradicionales no logran limitarlas como se desea, tal vez sea necesario recurrir a ellas antes de lo previsto.

FUENTES DE ENERGIA REVOLUCIOI~ARIAS

para la energa Si el progreso de las tcnicas actuales no logra detener el calentamiento de la Tierra, ser posible Que fuentes energticas nuevas y revolucionarias, libres de carbono, salven la situacin? No hay Que darlo por hecho, pero tampoco debe descartarse W. Wayt Gibbs


ara que nuestro mundo siga acogiendo la vida

Pen las condiciones en que deseamos que lo haga, la humanidad ha de recorrer un largo derrotero, jalonado por cambios tcnicos, cuya meta se encuentra mucho ms all del horizonte . Robert H. Socolow y Stephen W.

Pacala, de la Universidad de Princeton, comparan en este mismo nm ero la tarea a una carrera de relevos entre varias generacio nes . Esbozan una es trategia para ganar la primera manga: medio siglo par a frenar las emi siones de di xido de carbono tras un siglo de aceleracin desenfrenada. Las tcni cas ya existentes, aplicadas co n sabidura y prontitud, deb eran permitir llegar a es ta primera referencia sin desc abalar la economa mundia l. Un plan A bien concebid o.

Pero no es infalible. Depende de que las sociedades impriman velocidad a una serie de medidas de reduc cin del uso del carbono para formar siete "cuas", cada una de las cuales evitar a que lleguen a la atmsfera 25.000 millones de tonel adas de car bono. Salir dem asiado tarde, una pausa demasiado pro nto, nos har an perd er la canera.

1. ENTRE LAS FUENTES DE EN ERG IA de finales del siglo XX I podran contarse reacto res nucleares de fusin, hidrgeno emit ido por lagunas de microorganismos obtenidos por ingeniera gentica, parques elicos a gran altitud sobre la superficie de la Tierra, sistemas de energ a solar en rbita y generadores basados en las fuerzas de las olas y de las mareas, conectados a una red elctrica suparconducto ra mundial.

No faltan cient ficos que opinen que la es tabilizac in de los gases de inverna dero podra exigir hasta 18 cuas all por 2056, en vez de las siete previstas por Socolow y Paca la.

Sera un error suponer que las emisiones de ca rbono van a ir aumentando ms lent amente que el producto econmico y e l consumo de energa, seala Martin I. Hoffert , de la Universi dad de Nueva York: por la elevacin de los prec ios de l petr leo y del gas, la industria vuelve al car bn. Est prev ista, aade, la construccin de 850 nuevas ce ntra les de carbn en los EE.UU ., Chi na e India, naciones que no han suscrito el protocolo de Kioto. En 20 12, las emisiones de esas plan tas quin tu-


plicarn las redu cciones acor dadas en Kioto.

Aun cuando el plan A llegase a funcionar y los ado lescentes de hoy lograran cubrir la primera etapa par a e l da de su jubilacin, la carrera es tara ga nada slo a medi as. Habra de tomar el testigo una nueva generaci n. Y tendra que conseguir en la siguiente etapa - la ms difcil , tal vez- que en el ao 2106 la emisin anual de CO 2 se haya redu cido a la mitad.

Antes o despus, el mundo va a necesi tar un plan B: una o varias tcnicas de naturaleza esencialmente nueva, capaces de generar en conjunto en tre 10 Y 30 terawatt sin emi tir una

sola tonelada de dix ido de carbono. Desde los aos sese nta se lleva dand o vueltas a un sinfn de osadas ideas a las que nadie presta odos . Ya es hora de tomarlas en consideracin. La infraestructura de un cambio revolucionario en los sistemas de produccin de energa ha de empezar a con struirse ahora, porque si no, advierte Hoffert , no llegar a tiemp o.

Pero, qu se ha de co nstruir? Vamo s a examinar algunas de las opciones ms prometedoras con otras dos , aunque populares, inverosmiles. Ninguna de ellas ofrece plenas garanta s. Sin emb argo, algun a podra en el futuro alimentar de energa a la civilizac in.

PLAN B: MAS TARDE OMAS TEMPRANO? Para evitar un calentamiento planetario catastrfico hay que colmar la distancia entre la cantidad de carbono que se emitir de seguir las cosas el rumbo actual y el mantenimiento de las emisiones en su nivel actual como parte de una trayectoria hacia una concentracin estable de dixido de carbono. Esa distancia puede abrirse mucho ms rpidamente de lo que Robert H. Socolow, de la Universidad de Princeton, y muchos economistas suelen estimar, advierte Martin 1. Hoffert, de la Universidad de Nueva York. El modelo de las "siete cuas" supone que tanto la energa consumida por unidad monetaria de producto mundial bruto como el carbono emitido por kilowatl-hora de energa seguirn disminuyendo. Hoffert seala, sin embargo, que China e India han empezado a "recarbonarse" y a emitir ms CO2 por kilowatl cada ao, debido a que estn construyendo centrales trmicas de carbn. La razn entre el carbono y la energa tambin ha dejado de descender en los EE.UU. Socolow reconoce que las previsiones correspondientes a las siete cuas dan por conseguidos importantes avances en la eficiencia de los sistemas y en la produccin de energa renovable dentro la actividad econmica normal.

Pero aunque resultasen correctas las hiptesis menos pesimistas, seguiran siendo necesarias tcnicas revolucionarias para reducir a la mitad las emisiones de carbono en la segunda mitad del siglo XXI.

_ Tendencia histrica _ Ruta hacia una

concentracin estable de CO2

_ Extrapolacin de Socolow de la tendencia actual

_ Extrapolacin de Hoffert de la tendencia actual

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FUSION NUCLEAR Los fsicos hablan de esta energa de combustibl e inagotable y sin apenas desechos. Pero los polticos, amedrentad os por los costes, temen quem arse

l os reac tores de fusin, que generan energa por la unin de ncleo s atmicos y no por su escisin, encabezan casi todas las listas de tcnicas ene rgticas definitivas para el gne ro humano . Una central de fusin que lograse pone r a nuestro serv icio la misma fuerza term onuclear que hace arder al Sol, generara una potencia elctrica de un gigawatt gastando cada da slo unos kilos de un combustible muy abundante: is topos del hidr geno, que se obtendra n del agua del mar y del litio, metal corriente. El reac tor no producira gases con efecto inverna dero; slo pequeas cantidades de residuos radiactivos de escasa intensidad, inocuos antes de un siglo. Aun cuando la planta qued ase arrasada por un accidente o un ataque, la intensidad de la radi acin a un kilmetro de su permetro sera tan dbil, que no se precisara una evacuaci n, afirma Farrokh Najmabadi, experto en fusin nuclea r que dirige el Centro de Investigacin en Energas de la Universidad de Californi a en San Diego.

La duda es si la fusin har ya una gran apor taci n al sig lo XXI o si no ser slo una solucin para el XXII. Segn recuerda David E. Baldwin ---qu ien al ser director de l grupo de energa de General Atomics tiene a su cargo el mayor de los reactores de fusin exper imentales de EE.UU., el DIII-D- , un decen io atrs haba todava cient ficos que dudab an de que la fusi n fuese posible, ni siquiera en el laboratorio. Pero en los ltimos veinte aos se han conseguido progresos impresionantes en los tokamaks, que se valen de gigantescos electroimanes para confinar el co mbustible ionizado en el interior de una cmara en forma de toro, donde el plasma se calienta hasta ms de 100 millones de grados centgrados.

Aunque se sabe ya que la fusin va a funcionar, asevera Baldwin, todava se duda de su viabilidad eco nmica. Y en caso de que fuera rentable, se

o ri----------,r--------,----------,I i i 1956 2006 2056 2106

Ao

INVESTIGACIN y CIENCIA, noviembre, 2006 70

Cmara de plasma revestida con 440 cubiertas modulares Tubos para helio

~_ liquido refrigerante_--'l----------_

H+~=r--- Im a nes

2. EL REACTOR DE FUSION ITER ser el primer tokamak capaz de generar mucha ms energa de la que consume, una vez que entre plenamente en funcionamiento a finales del prximo decen io . Los expertos en fusin estn planeando ya el reactor que le suceder, OEMO, del que se pretende que sea la primera planta comercial de generacin de electricidad que funcione con la energa de las estrellas.

Imanes superconductores

ignora en qu plazo se pasara de la fase ac tual, de laboratorio, a la construcci n de reactores a escala indu strial. Ni siquiera con un programa de choque , vaticina, ello ocurrira antes de 2S o 30 aos .

Hasta el momento, los resp onsables polticos han optado por impulsar la fusin nuclear mucho ms tmidamente. Slo ahora est el ITER (Reac tor Experiment al Termon ucle ar Int erna-

o ~

cional) cer ca de su aprobacin definiti va, casi D 20 aos despus de la propuesta original. Est z -c so previsto que comience a funcionar en el sudes te i de Fran cia hacia 2016. Cos tar cerc a de die z mil ii ~ mill ones de euros. ::: -c En el nterin , en India, Chin a y Corea, unaL> w o generacin intermedia de tokamaks cuya construco o-c ci n est casi termin ada servir para comprobar ; si los electroimanes superconductores logran que :: > Z el torbellino de pla sma ardi ent e se mant enga ::>

:::;;' girando de forma estable dent ro de su bote a: lia magn tica durante varios minutos. Los o o g: reactores actuales logran estabilizarlo du::; segundo lugar, se propone ensayar m::> o todos que permitan utilizar los neutro :: > nes rpid os creados en la reaccin par a ~ a: engendrar tritia , uno de los co mbustibles ; w

o podra hacerse, por eje mplo, disparnd olos o

N @ contra un recubrimiento de liti o. En tercer


superconductores

3. LOS ESTELARAOORES funcionan a la manera de los tokamaks, pero utilizan imanes de formas ms complicadas, que facilitan el confinamiento del plasma ultra caliente (en naranjal. El grupo de trabajo ARIES est analizando diseos para un estelarador comercial.

I FACTI-

BILlDAD3* Factibilidad tcnice estimada, desde

1 (inverosmil) a 5 (apto para el mercado)

~ ~

Reaccin de fusin Deuterio Helio + -2..... . .

Tritio 'i: "'Il< Energla Neutrn

Reactores de fusin de la prximageneracin

Entrada Proyecto Lugar en servicio EA5T China 2006 55T-1 India 2006 K-Star Corea 2008 NIF EE.UU , 2009 ITER Francia 2016 NTC Japn ?

lugar, se trata de integrar las diversas tcnicas necesarias para logr ar una central elctrica ba sada en la fusin nuclear.

Aunque el ITER tenga xito, no aportar ni un so lo watt a la red elctrica. Pero s llevar la fusin nucle ar ms all del hito alcanzado por la energa de fisin nuclear en 1942, cuando Enri co Ferrni logr la primera re accin en cade na autosostenida . Slo 11 aos despus, haba ya reactores de fisin impulsando submarinos. Empero, el problema de la fusin es incomparablemente ms difcil. Algunos vete ranos en este campo pron ostican que harn falt a 20 o 30 aos de experimentacin en el ITER para refinar el diseo de una planta de produccin.

Najmabad i es ms op timista . Encab eza un grupo de trabajo que ha preparado ya tres esbozos de reactores de fusin co merciales. El lt imo , al que han llamado ARIES-AT, sera

meno s voluminoso - y por cons iguien te, exigi r a unas inversio nes mucho men ores- que

el ITER. La mquina ARIES-AT debera alcan zar una potencia de 1000 megawatt y generarla a unos 4 cntimos de euro el kilowatt-hora, precio competitivo con el de las centrales actu ales de fuel o de gas. Si los trabajos par a crear una planta comercial se desarrollasen en paralelo con los del ITER , la fusin no habr a de esperar decenios tras la puesta en servicio de ste, sino que podra entrar en la fase de produ ccin comercial a medi ados de sig lo, sostiene Najm abadi.

La fusin sera todava ms competitiva en el plano eco nmico si los neutrones

rpidos produ cidos por los tokamaks se utili zaran par a transmutar torio (ms abun

dante) en uranio (que podra escasear dentro

71

de 50 aos), el combustib le de las centrales nucleares de fisin. Aunque empae la limpi eza de la energa de fusin , convendra tender hacia hbridos de fisin y fusin, segn Hoffert.

VIENTOS DE GRAN ALTITUD Los vendavales de mayor energa soplan muy por encima de los aerogeneradores actuales. Convendra por eso llevarlo s a mayor altura, quin sabe si hasta el chorro estratosfrico

El viento es energa solar convertida en movimiento . Alrededor deIS por mil de la energa lumnica solar que penetra en la atmsfera se transmuta en energa cintica del aire , slo 1,7 watt de media en toda la colum na atmosfrica que se alza sobre un metro cuadrado de superficie terrestre. Pero, por fortuna, esa energa no est uniformemen te distribu ida, sino que se concentra en flujos intensos . Ahora bien, las corrien tes ms cons tantes y grandes y de mayor potencia se encuentran a gran altitud. Hoffert estima que unas dos terceras partes de la energa total de los vientos de nuestro planeta residen en la troposfera superior, ms all del alcance de los actuales parqu es elicos.

Ken Caldeira, de la Institu cin Carnegie de Washington, calcul la variacin de la potencia del viento en funcin de la altitud, la latitud y la poca del ao. En el hemisferio norte, el filn sera la corrie nte en chorro, a unos 10.000 metros de alt itud, en la franj a comprendida ent re los 20 y 40 grados de latitud. En los cielos de EE .UU., Europa, China y Japn - los pases, por otra parte, mejor preparado s para expl otarla-, la pote ncia elica puede ser de hasta 5000 e inc luso 10.000 watt por metro cuad rado. La corriente en chorro es errtica. Pero no cesa jams.

Para que el viento apor te terawatts a la produccin mundial de energa, habr que inventar mtodos econmicamente viables de explotar la corriente en chorro. Hay tres proyectos en marcha de generadores cernidos en el aire.

En Ottawa, Magenn Power pien sa poner a la venta un generador rotativo, relleno de hel io, que saca partido del efecto Magnus (el que permite marcar gol desde un saque de esquina). Se elevara, sujeto por una tralla, hasta una altura de unos 120 metro s sobre el suelo. El arte facto, que tiene el tamao de un autobs, enviara 4 kW a su base en tierra; el precio de venta ser de unos 8000 euros, helio no incluido. La compaa esper a que hacia 2010 producir unidades del tamao de un campo de ftbol que flotarn a mayor altitud y generarn 1,6 MW.

Sky WindP ower, de Ramona, en California, sopes los globos, pero el arrastre pareca imposible de manejar con los vientos de gran altitud. Estn pensando en autogiros, que atrapan el viento con rotores de palas. Estas mquin as, si se elevasen hasta los 10.000 me

4. LOS AUTOGIROS diseados por Sky WindPower se valdran de palas propulsadas que rotaran en sentidos opuestos para elevarse a ms de 3000 metros. Entrara entonces en modo de generacin. El ngulo de ataque de las palas se ajustara mediante ordenadores para mantener la posicin y altitud del artefacto.

ha cos tado mucho conseguir los casi Datos rpidos 4 millones de euros que necesit a para

Se espera que en un prototipo de 250 kW. 2014 se haya tripli El "aerogenerador en escalera" , cado la capacidad de concebido por el astronauta Wubbo generacin elica de electricidad, cifrada J. Ockels y sus alumnos de la Univerhoy en unos 58 sidad Tcnica de Delft, es de momento gigawatt. slo una idea. Consistira en una serie Los generado- de cometas controladas por ordenares hinchados con helio se tendran que dor y conectadas por un largo cable. rellenar cada pocos La escalera de cometas sube y baja, meses. con cuyo vaivn impulsa un generador Nmero de aerostatos anclados con situado en el suelo. Segn las simutrallas para vigilar laciones, una de estas escaleras que la frontera de los subiera hasta el chorro estratosfr ico EE.UU. con Mxico: 8.

dara una potencia de 50 MW. Pero hasta que no se instalen de

verdad mqu inas a gran alti tud, no se podr saber cmo soportarn las turbulencias, las rach as sbitas y las tormentas elctricas . Su perdicin sera que los cos tes de mantenimiento

BILlDADFACTI resultasen demas iado grandes.

Tambin hay que salvar una ser ie de obstculos administrativos. Los parques e licos areos necesitan menos extensin que los terrestres, aunque los tcnicos tendrn que conseguir que se impida el trfico areo en su vecindad . Ya existen preceden

126 metros..

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tros, generaran regular mente un 90 por cien to de su 5. LOS GENERADORES EOLlCOS AEROSTATlCOS que Magenn Power capacidad mxima. La inconstancia de los vient os de espera tener en servicio en 2010 se elevaran a una altura que superficie limita el rendimiento de los aerogeneradores vendra a triplicar la de los mayores aerogeneradores actuales, pero terrestres a la mitad de su mximo. Pero a esta casa le su anchura ser solamente dos terceras partes de la de stos.


tes: la Fuerza Area estadounide nse lleva aos manteniendo en el aire una docena de grandes aerosta tos suje tos por tra llas a lo largo de la fron tera con Mxico.

No obstante, en comparaci n con otras tcnicas revolucionarias, la explotac in de los vientos a gran altitud parece de las ms factibles y benignas.

J 6. UN SISTEMA EOLlC O "en escalera" ensartara i

cometas en forma de media luna, velas de parapsnte o alas sin fusela je a lo largo de la mitad superior de un cable largo. Cada ala se valdra de sensores y de actuadores que la guiaran e inclinaran durante su ascenso y descenso. Con este sistema, los pasados generadores pe rmaneceran en el suelo.

7. UN ROTOR INFLADO CON HELIO atrapara el viento en cangilones de tela y hara girar qeneradares sujetos a las trallas, que conduciran la electricidad a un transformador fijo en el suelo.


SOLUCIONES DE CIENCIA FICCION FACTILas visiones futuristas resultan muy BILIDAD

entretenidas. Lstima que la fsica no las respalde 1 Fusin fra y fusin de burbujas I B. Stanley Pons y Martin Fleischmann provocaron una tormenta en un vaso de agua en 1989 al anunciar que haban logrado la fusin nuclear a temperatura ambiente en un recipiente. La idea les rode de una camarilla de obcecados seguidores, pero los cientficos ortodoxos han rechazado de plano esa variedad de fusin fra.

Tericamente ms verosmil, pero todava en entredicho desde un punto de vista experimental, es la sonofusin. En 2002, Rusi Taleyarkhan, adscrito por entonces al Laboratorio Nacional de Oak Ridge, inform en Scence de que al dirigir un haz de ultrasonidos de gran intensidad parejamente con un haz de neutrones a una cuba de acetona se formaban burbujas microscpicas que hacan implosin a velocidades hipersni- 1. Las burbujas siguen reventndose. casoLa acetona se haba sintetizado con deuterio (un istopo de hidrgeno que posee un neutrn) y el grupo de Taleyarkhan aseguraba que las extraordinarias presiones y temperaturas que se creaban en la implosin de las burbujas forzaban a los tomos de deuterio a fusionarse con los neutrones incidentes, formndose tritio (hidrgeno con dos neutrones por ncleo). Otro grupo de Oak Ridge reprodujo el experimento, pero no apreci signos de fusin.

Taleyarkhan se traslad a la Universidad Purdue y sigui informando de xitos a pesar de que otros que intentaron repetir su experimento fracasaron. Este ao, la universidad se ha visto obligada a investigar las acusaciones de que Teleyarkhan haba estado obstaculizando trabajos que parecan contradecir los suyos. Los resultados de estas averiguaciones han sido guardados bajo siete sellos, y con ellos, otro captulo de la historia de la fusin fra. Hay investigadores que siguen alentando la esperanza de que mtodos diferentes puedan algn da inaugurar una nueva pgina en la sonofusin.

Reactores de materia y antimateria La nave Enterprise obtena la energa que necesitaba para distorsionar el hiperespacio de una mezcla de materia y antimateria. No hay duda de que se trata de una potente combinacin: un kilogramo de una y otra liberara, en su mutua desintegracin, tanta energa como toda la gasolina quemada en los EE.UU. en 2005. Pero no se conocen fuentes naturales de antimateria; tendramos que sintetizarla. La fbrica de antimateria ms eficiente que existe es el acelerador de partculas del CERN, cerca de Ginebra. Pues bien: tendra que funcionar sin pausa durante cien millones de aos para producir un kilo de antiprotones.

Aunque se dispone de formas de 2. Slo la Enterprise tiene materia capturar antitomos [vase "Creacin y antimateria suficientes. de antimateria fra", por Graham P. Collins; INVESTIGACIN y CIENCIA, agosto, 2005], las centrales elctricas de antimateria quiz no lleguen nunca a existir.

C

ENERGIA SOLAR DESDE El ESPACIO En rbita, donde el Sol brilla sin cesar y con todo su fulgor, los paneles foto voltaicos desarrollaran por completo su capacidad. Pero hay un inconveniente

uando Peter Glaser propuso en 1968 que se cose chara la energa solar en el espacio

profundo med iante satlites del tamao de una ci udad y se la radiase a la Tierra en forma de microondas invisibles, pareci una idea descabell ada , por mucho que Glaser presidiese la Sociedad Internacional de Energa Solar. Pero cuando la crisis del petrleo de hace 30 aos dispar los precios del combu stible, los ingenieros de la NASA decidieron examinar la propuesta. Juzgaron que, en lo que se refera a los aspectos tcnicos, era factible. Hast a que en 1979 calcularon el "costo al primer watt" : unos 305.000 millones de dlares (del ao 2000). Ah acab el proyecto.

Desde aquellos tiempos, las tcni cas espaciales y fotoelctricas han avanzado a grandes zancadas. La energa solar espacial (ESE) no carece hoy de paladines. Hoffert cit a dos grandes ventajas de esas estru cturas espaciales con respecto a sus hermanas ancladas al suelo. En una rbita geoes taci onaria, bien apartada de la sombra y de la atm sfera terrestre s, la inten sidad media de la luz solar es ocho vece s la del suelo. Y por estar el Sol siempre en su punto de mira, las estaciones ESE inyectaran una cantidad constante y fiable de energa en la red elctrica. (Una antena rec tificadora, o "rectena", extendida sobre varios kilmetros cuadrados de terreno, convertira las microondas en corriente elctrica con una eficiencia del 90 por ciento, aunque estuviera cubierta por nubes.)

La ESE sera una fuente de electricidad autnticamente sos tenible, vlida a escala planetaria, del todo carente de emisiones y, sostiene Hoffert, con una relaci n entre coste y rendimiento y una viabilidad tcni ca que superaran las de la fusin termonuclear. A pesar de ello , apenas si se da dinero para investigar la energa solar espacial; en cambio, acaba de aprobarse un reactor de fusin que costar diez mil mill ones de dlare s.

La verdad es que la NASA s ha costeado algunos pequeos estudios, entre 1995 y 2003. Evalu con ellos diversos comp onentes y arquitecturas para la ESE. Se utilizaron en esos estudi os clulas fot ovoltaicas de pelcula delgada para la generacin de electricidad, elementos superconductores de alta temperatura para transportarla y lseres infrarrojos (en lugar de haces de microondas) para dirigirla a las estaciones terrestres. Estas innovaciones alig eraran muchsimo los sistemas y reduciran , en consecuencia , el formidable costo de situarlos en rbita.

Pero aqu est el inconveniente: la relacin entre la potencia generada y la masa en rbita sigue siendo demasiado baja, apenas unos cientos de watt por kilogramo. Mientras no aumente, la ESE nunca competir en precio con otras energas renovables , ni siquiera teniendo en cuent a los sistemas de alma cenamiento que stas precisan para cubrir las noches o las rach as de mal tiempo.

A pesar de todo, puede que los avances tcnicos no tard en en camb iar la situacin. Se estn preparando materiales fotovoltaicos ms ligeros o ms eficientes. Un equipo de la Universidad de Neuch tel acaba de informar de una nueva tcnica, que deposita c lulas de silicio amorfo sobre una pelcula que resistira las cond iciones espaciales y generara densidades de potencia de hasta 3200 watt por kilogramo. Aunque tal resultado sea esperanzador, en la estru ctura portante y en la gesti n de la energa se esconden las dificultades, segn John C. Mankins, que diri gi el programa ESE de la NASA desde 1995 hasta 2003. Mankins cons idera ms prometedores los sistemas avanzados de transporte espacial de tierra a rbita, todava en el tablero de diseo, que podran recortar en los decenios venideros los gastos de lanzamiento desde los 10.000 euros por kilogramos actuales hasta unos poco s centenares de euros por kilo.

La agencia japonesa del espacio, JAXA, anunci el ao pasado que en 2010 lanzar un satlite que desplegar un gran panel solar y rad iar lOO kW, en forma de microondas o de lser, a una estacin

Contrapartidas

Para ensamblar las gigantescas matrices de clulas solares tendran que trabajar coordinadamente grandes equiposde robots. Los haces de microondas podran interferir con los sistemas de comunicaciones. Las agencias espaciales tendran que multiplicar por 80 sus lanzamientos. La "rectenas" ocuparan grandes extensiones de terreno.

FACTIBILIDAD

3

--8. UN GIGANTESCO COLECTOR SOLAR, en rbita geosincrnica, funcionara da y noche, y con cualquier tiempo. Una planta piloto del tamao de la repre sentada interceptara alrededor de 4 gigawatt de luz solar, los convertira en 1,8 GW de microondas y entregara 1,1 GW de electricidad a la red elctrica.


receptora en tierra. A ms largo plazo, hacia 2020, quiere poner en rbita un prototipo de 250 MW, que servir de preparacin para una planta ESE con una potencia de gigawatt destinada a un uso comercial.

La NASA dispuso otrora de diseos no menos ambiciosos, pero detuvo los trabajo s sobre ESE hace dos aos, al considerar pr ioritaria la exploraci n del espacio.

CELULAS SOLARES NANOTECNICAS Material es conformados a escala atmica podran multiplicar los rendimientos fotovoltaicos, muy pobres hasta ahora

inca gigawatt, un miserable 0,038 por ciento de la eenerga total que el mundo consume. Esa es, aprox imadamente, la capacidad acumulada de los sistemas de electricid ad fotovoltaica instalados en el mund o, transcurrido medio sig lo desde que empez la comercializa cin de las fotoclulas. En cuanto a grandes promesas incumpl idas, la energa elctrica solar carece de rival.

Mas aunque las estacione s en rbita no lleguen nunca a alzar el vuelo, parece que la nanotecnia est decidida a rescatar a la energa solar de su perenne irrelevancia. Se trabaja en un amplio abanico de materi ales muy superiores al silicio que se utiliza en casi todas las clulas fotovoltaicas; mejoraran su eficiencia y disminuiran su coste.

Las ms perfectas (y costosas) clulas de silicio de segunda generacin alcanzan un rendimiento que ronda el 22 por ciento. Nuevos materiales dotados de puntos cunticos duplicarn ese valor, si los descubrimientos anunciados el pas ado mes de marzo evolucionan de acuerdo con lo esperado. Los puntos cunticos, de dimetros del orden del nanm etro (10-9 metros) fueron creados por grupos del Laboratorio Nacional de Energas Renovable s en Colorado y del Laboratorio Nacional de Los Alamas en Nuevo Mxico.

Cuando la luz solar incide en una clula de silicio , se convierte casi por completo en calor. En el mejor de los casos , puede que un fotn arranque de ella un electrn. Los puntos cunticos permiten que una gama ms amplia de longitudes de onda presten trabajo til y lleguen a arrancar hast a siete electrones por fotn. Pero la mayora de tales electrones vuelven a quedar atrapados en el material, por lo que se buscan mejores mtodos de canalizarlos hacia los hilos conductores. Tambin se estn buscando materi ales menos agresivos para el entorno que el plomo, el selenio y el cadm io que se utilizan en los nanocristal es de hoy. Aunque su nombre suene a tcnica muy avanzada, no resulta caro fabricar punto s cunticos.

Hay otro tipo de nanopartculas que pro mete abaratar la energa solar. No lejos de San Francisco, la compaa Nanosolar est construyendo una fbrica de la que saldrn 200 millones de clulas solares al ao, creadas imprimiendo diminutas piezas de diseleniuro de galio, indio y cobre en bobinas continuas de pelcula ultrafina. Las partculas se autoensamblan en estructuras recolectoras de luz. El presidente de Nanosolar afirma que aspira a reducir el costo hasta unos 40 cntimos de euro por watt.

Dato esencial

SO cntimos: el precio de una clula solar de 1 W ha de bajar de este precio

FACTIBILIDAD

4 El rumor ha despertado a los gigantes de la energa.

En la actualidad, Shell cuenta ya con una filial que fabrica clulas solares, y Briti sh Petroleu m lanz en junio, con el Instituto de Tecnol oga de Californi a, un proyecto de cinco aos de duraci n. Su objetivo: lograr clulas solares de gran rendimiento a partir de nanovarillas de silicio.

UNA SUPERRED ELECTRICA GLOBAL Las fuentes energtic as revolucionari as necesitan una red elctrica de superconductores, no menos revolucionaria, que cubra el planeta

Un problema bsico de las fuentes de energas renovables es el acoplamiento de la oferta y la demanda, como seala Hoffer t. El suministro de luz solar, viento, oleaje e incluso de vegetales para los biocombustibles flucta de modo impredecible; adems, tienden a concentrarse donde apenas existe poblacin. Una solucin

9. ESTOS NAN OTU BULOS DE TITANIO creados en la Universidad estatal de Pennsvlva nia multiplican por 10 la luz que recogen las clulas solares de silicio .

FACTIBILIDAD

2 -

10. ITINERARIO DE LA RED ELECTR ICA planetaria propuesto en 1981 por Buckminster Fuller. Conectara todos los territorios pnblados y eludira largas travesas ocenicas.


sera construir lneas de conduccin a larga distancia con cables superconductores. Una vez enfriados hasta las cercanas del cero absoluto, transportaran corrientes ingentes a lo largo de enormes distancias con prdidas casi nulas .

En julio pasado, el grupo BOC de Nueva Jersey y sus socios comenzaron a instalar 350 metros de cable superconductor en la red elctrica de Albany, estado de Nueva York. Este enlace, refrigerado con nitrgeno lquido, transportar hasta 48 MW de electricidad a 34.500 volt.

En un seminario celebrado en 2004, los expertos esbozaron diseos para una "superred" que transportara simultneamente electricidad e hidrgeno. El hidrgeno, tal vez licuado, o en forma gaseosa ultrafra, enfriara los hilos superconductores y alimentara pilas de combustible y motores de combustin [vase "Una red de energa para la economa del hidrgeno", por Paul M. Grant, Chauncey Starr y Thomas 1. Overbye; INVESTIGACIN y CIENCIA, septiembre 2006].

Con una superred transcontinental, los extensos territorios, idneos para la energa fotovoltaica, de Australia y los parques elicos de Siberia entregaran electricidad para los acondicionadores de aire de los EE.UU. o para la iluminacin en Europa. Pero la construccin de estas infraestructuras sera labor de varias generaciones y costara billones de euros.

OLAS Y MAREAS El mar, con su oleaje y sus mareas, ofrece enormes recursos energticos, hoy casi intactos. Las compaas elctricas se preparan para explotarlos

Ha cambiado de sentido el viento para el sueo de explotar el incesante movimiento del mar. En expresin de Roger Bedard, que dirige la seccin de energa marina del Instituto de Investigaciones de la Energa Elctrica, la energa de los ocanos, que lleva un retra

12. LOS DISPOSITIVOS que aprovechan la energa de las olas, como los construidos por Ocean Power Delivery, generan electricidad a partir de los movimientos de flexin de sus articulaciones al pasar las olas por debajo de ellos . Como se zambullen en las olas que les llegan, las mquinas Palamis soportaran la bravura del oleaje que acompaa a las fuertes galernas.

11 . EL PARQUE MAREO MOTOR proyectado por Marine Current Turbi nes estara formado por una serie de turbinas ms cercanas entre si que los generadores elicos. Los rotores, de 20 metros de dimetro, se sumergeran para extraer energa de las corrientes de la marea, pero subiran a la superficie para los trabajos de mantenimiento.

so de por lo menos veinte aos con Ya en marcha respecto a la elica, no va a tardar

otros veinte en ponerse a su par. Proyectos de ener Durante los aos ochenta y novenga mareomotriz ta del pasado siglo, quienes abogay del oleaje:

ban por el aprovechamiento de olas Rhode Island (EE.

y mareas slo podan exhibir dosUU.): 500 kW en 2006 xitos comerciales: una planta ma

MW a finales de 2006 reomotriz de 240 MW en Francia y Irlanda del Norte: 1

Santoa: 1,25 MW otra de 20 MW en Nueva Escocia. en 2007 Ahora aade China una instalacin Motrico: 480 kW de 40 kW en Daishan. Pronto empeen 2007

zarn a girar seis turbinas, de 36 kW Aquacadoura, en Portugal: 24 MW cada una, en el East River de Nueva en 2007 York. Frente a Agucadoura, en Pvoa Cornualles, en de Varzim, cerca de Oporto, acaba de Gran Bretaa: 5 MW en 2008 empezar a operar el primer parque Northern Devon, en comercial que explota la energa de Gran Bretaa: 10 MW las olas. en 2010 De los proyectos en estudio, el Daishan. en China: plan ms ambicioso corresponde a120 a 150 kW. Sin fecha anunciada Gran Bretaa. Los analistas piensan

que la energa del mar podra llegar a suministrar una quinta parte de la energa elctrica del pas; le permi

FACTI tira cumplir sus obligaciones como BILlDAD

5 firmante del protocolo de Kioto . El pasado mes de julio, el gobierno britnico orden un estudio de factibi ci lidad de un dique de 16 kilmetros ':J

:z ....que cerrara el estuario del Severn, ~ zcuyas mareas son las segundas en iD

magnitud del mundo. Esta barrera del Severn costara a: .... " unos 20.000 millones de euros y producira 8,6 GW .... z

W

Las afirmac iones de Fraenkel sern sometidas a una pequ ea prueba por el generador mareomotor que la compaa instala en Stran gford Lough, con capacidad para suminis trar una potencia media de 540 kW a la red elctrica de Irlanda del Norte . La mquina viene a ser una turbin a elica submarina, con dos rotores que comparten un mismo mstil anclado en el lecho marino.

La mxima ventaj a de la energa de las mareas estriba en su carcter pred ictible, aunque a escala planetari a su contribucin nunc a ser muy grand e: los lugares donde las mareas se mueven a suficiente velocidad escasean dem asiado .

Las olas de gran energa son ms caprichosas, pero tamb in ms ubicu as. Segn un anlisis del grupo de Bedard , bastara con que parque s de oleaje con un rendi miento del 50 por ciento aprovechasen el 20 por ciento de las olas econmicamente explotables de las costas de los EE.UU. para que la energa producida superase la generada hid roel ctricamente en el pas.

MICROORGANISMOS DE DISEO En ingeniera gentica se cree posible la creacin de seres sintticos mediante los cuales se cultive energa con la misma facilidad con que hoy se cultivan alimentos

11 V emos el genoma com o el programa, o incluso el sistema operativo, de la clula", dijo 1. Crai g

Venter a los bilogos reuni dos en el congreso de Biolo ga Sinttica 2.0, de mayo de 2006 . Ya es hora de una actu alizaci n, les propuso. Muchos de los all presentes proyectan remodelar genticamente ciertos organismos hasta el punto de que las c lulas resultantes bien podran califi carse de especies sintticas. Venter, que logr fama y fortuna con los mtodos que contribuy a crear para la secuenciacin veloz del genoma humano, ha fundado Synth etic Genomics, empresa que comerci alizar clulas construidas sobre pedido . Cree que ese campo cuenta con muchas posib ilidades para ree mplazar a la industria petroqumica, tal vez en el plazo de 10 aos.

Ese lapso quiz sea exageradamente optimista; nadie ha logrado todava ensambl ar una sola c lula partiendo de cero . Pero Venter info rm de los rpidos progreso s de su equipo en su empeo por crear cromosomas artificiales. Contendran el mnimo de genes preci sos para lograr una vida que se manteng a por s mism a en un ambiente controlado y rico en nutrientes. Pronostica que la primera clula procariota (sin ncleo) se obtendr en los dos aos prximos y que los genomas eucariotas sintticos (de clulas nucle adas) estarn disponibles en diez aos, como mximo.

Venter imagina nuevos microo rganism os que capturarn dixido de carb ono de la chimenea de una central trmi ca y lo convertirn en gas natural para la caldera. Al fin y al cabo, aduce, existen ya en nuestro planeta millares, millon es tal vez, de organismos que saben hac erlo. Aunque ninguna de esta s especies pueda vivi r en una central elctri ca, se podran tomar de ellas sus circuitos genticos para crear seres nuevos. Trata tambin de construir sistem as biol gicos que produzcan hidrgen o


13. CHARCAS CON CUBIERTAS DE INVERNADERO, parecidas a las del lago del proyecto Biosfera 2, podran algn dla servir para el cultivo de nuevos microorganismos, plantas o algas diseados para generar hidrgeno, secuestrar el dixido de carbono o producir biocombustibles.

directamente graci as a la luz solar, Dato esencial medi ante fot osntes is.

Steven Chu, director del Labora50.000 litros: torio Nacional Lawrence en Berkede biogasleo ley, ha anunciado un gran proyecto por hectrea que convertir a la energa del sol en de granja de combu stibles para el transp orte. Con algas donde los medios de la ingeniera gentica, se inyecte CO2 sostiene Chu , se podran modificar plantas y algas para que se autofecunden y resistan sequas y plagas.

Los nuevos cultivos ofrecera n altos FACTI rendimientos de celulosa, que sera BILlDAD

4 transformada en combustible por microorganismos de factura humana. Chu espera que los procesos biolgicos resulten mucho ms eficientes que los procedimientos energticamente intensivos, como la explosin de vapor o

la hidr li sis trmi ca, util izados en la ac tualidad para fabricar etanol.

Con precios del petrleo cercanos a los 80 dlares por barril , es posible que el bioprocesado no tenga que esperar a formas de vida sintticas. La firma GreenFu el, de Cambridge, en Massachusetts, ha instalado granjas de algas en las centrales trmicas con el fin de convertir hasta el 40 por ciento del COz que vomitan en materias prim as para biocombustibl es. Esta empresa afirma que un gran cult ivo de algas vecino a una cent ral de 1 GW producira hasta 200.000 metros cbicos anuales de etanol.

Bibliografa complementaria PROCEEOINGS OF THE HVOROKINETlC AND WAVE ENERGV TECHNOLOGIES

TECHNICAL ANO ENVIRONMENTAL ISSUES WORKSHOP, Washington D.C ., 2628 de octubre de 2005.

URSI WHITE PAPER ON SOLAR POWER SATELlITES. International Union of Radio Science, noviembre de 2005.

BIOLOGIA SINTTICA. David Baker et al. en Investigacin y Cienca, agosto de 2006.

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El transporte depende del petrleo. Unaposible escasez futura de este combustible, el aumento de su precio y su contribucin al calentamiento global aconsejan diversificar las fuentes de enerqa utilizadas por los medios de transporte. La obtencin de carburantes a partir de la biomasa vegetal es una de las principales opciones para esa diversificacin. El bioetanol es, con mucha diferencia, el biocarburante ms utilizado en el mundo La produccin de biocarburantes a partir de la masa Iignocelulsica podra mejorar decisivamente su competitividad.

difcil de solucionar. Dado que la movilidad que pr oporciona

el tra nsporte es esenc ia l para el desarrollo eco nmico y el bienestar social, deb en buscarse so luciones que reduzcan sus efectos neg ativos sin me rmar sus contribuc iones positivas. Una de las pri ncipales vas para la diversificacin energtica en el tran sporte es el uso de carburantes derivados de la bio masa vegetal.

Biocarburantes El trmino biocarburante engloba a todos los comb ustibles lquidos o gaseosos derivados de la biomasa vegetal: ace ites vegetales, bicg s, bio metilter, biohidrgeno, bio metano l y su derivado el bio rnetil-terciario-butil- ter, o bioMTB E, el biodi sel y el bioetanol. Se trat a, por tanto, de combust ibles de origen vegetal que tienen caractersticas parecidas a las de los combusti bles fsi les , lo que permite su utili zacin en mot ores ape nas modificados. Adems, los biocarburan tes no contie ne n azufre, uno de los pri ncipales causa ntes de la lluvia cida.

CARBURANTES SIN PETROLEO

Este alcohol, producido a partir de la caa de azcar, la remolacha o los cereales, ofrece al sector del transporte una opcin energtica sostenible. Su fabricacin a partir de material lignocelulsico aportara ms ventajas a ese recurso

Mercedes Ballesteros Perdices

El transport e depende en un 98 % del La produccin de biocarbur antes puede tampetr leo. Este sector aporta una par te bin generar beneficios eco nmicos , crear ms co nsiderable del crec imien to de la empleo, redu cir las fac tura s de las importademanda de energa; se prev que ciones de energa y abrir nuevos mercados en el prximo decenio seguir cre potenciale s de exportacin en num erosos cie ndo en torno a un 2 % anual. Tal pas es en va s de desarrollo.

aume nto en el consumo tiene graves conse cuencias para la calidad del medio y para el cam bio cli mtico mundial. El transporte es el responsable de la cuarta parte de las em isiones de gases de invernadero a la atms fera . Aunque se estn introduciendo tcnicas que reducen esa cuanta, el CO 2 arrojado por el transporte sigue co nsti tuye ndo un problem a RESUMEN

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Para que los biocarburant es de origen agrcola constituyan un a opcin energtica rea l, no basta co n que presenten caractersticas equivalentes a los de procedencia fsil. Han de llegar al mercado a un coste similar al de los der ivados del petrleo reemplazados. Y se necesita que en el co njunto de los procesos de obtencin se consiga n balances energticos positi vos. A pesar de que la produccin de buen a parte de los biocarburantes resulte hoy ms car a que la de los combu stibles fsiles , su utilizacin se est increment and o en todo el mund o por las ventajas que report an.

El sector mundi al de los biocarburantes es t constituido bsicamente por el biodi sel y el bioe tanol. El biodi sel se obtien e a part ir de acei tes vege tales procedentes de plantas oleaginosas. Se aplica en motores di sel ; sustituye al gasleo de automoc in o se mezcla con l, cas i en cualqu ier pr oporci n . El bioet anol se obt iene por fermentacin de medios azucarados extrados a partir de caa de azca r, remolach a, maz, tr igo y cebada. Tras la fer mentacin se fo rma un mosto con un grado alc ohlico en torn o al 10 %-15 %, que se conc ent ra por destil acin para la obtenc in de l "a lcoho l hidratad o" (4-5 % de agua) o para la consecuci n de alcohol absoluto (99 ,4 % mino de riqueza), luego de un proceso especfico

de deshidratacin. El alcoho l absoluto se mezcla con gasolina en vehculos corrien tes .

El bioetanol, como combustible de transporte, se utiliza de diferentes formas ; por ejemplo, mezclad o con gasolina en bajos porcentajes (me nores del 5-10 %). Los alco holes aumentan el contenido de oxgeno de la gasolina y, con ello, su octanaje. As arde mejor y mejoran las prestacion es del vehculo sin que haya que modificar los mot ores, al mismo tiempo que se reducen el consumo y las emisiones co ntaminantes . La mezcla al 10 por ciento recibe el nombre de "gasohol" . El etanol desempea un pap el de aditivo oxigenado de mod o indirecto: en forma de ETBE (etil-terciario-butil-ter) , que se fabrica a partir de una mezcla de etanol e isobutena .

Se mezcla tambin el et anol con la gasolina en porcentajes des de el 10 al 85 %, pero requiere que se efecten

1. PLANTA de biocarburantes de Castilla y Len, en Babilafuente, Salamanca, Que ha entrado en func ionamiento en 2006. Producir etanol a partir del grano de cereal y de la paja. Los alcoholes obtenidos a partir de materiales lignocelulsicos podran reducir mucho la con tribucin del transporte al aumento del dixido de carbono acumulado en la atmsfera.

modifi caciones en los vehculos . El E-SS es un combustible que contiene hasta e l SS % de et anol y s lo un 15 % de gasolina; se utili za en los veh culos de combustible flexible (FFV). Los ve hculos FFV estn dise ado s para con sumir indisti ntamente gas olina o mezcl as en cualquier porcentaje, hasta un mximo de e tanol del 85 %. Van equipados con un sensor de combustible que detecta la prop orcin de etano l y gasol ina; adapta los sistemas de inyeccin e ignicin a las caracter s ticas de la mezcla.

Por l timo, el etanol puede me zclarse con un aditivo pa ra mej orar la ignicin . Se utili za esta me zcla en motores disel especialmente co nfigurados para ese propsito.

Estado actual de desarrollo del bioetanol En la ac tualidad el bioetan ol es, co n mucha diferen cia, el bioc arburante ms utili zado. En 2004 se produjeron en el mundo a lrededor de 30.000 millones de litros de bioetanol para co mbus tible , lo que representa en torno al 2 % del co nsumo mundial de pet rleo .

Brasil es el mayor productor y co ns umidor mundial de etanol. En res pues ta a la crisis del petrleo de comienzos de los setenta, el gob ierno brasileo cre el program a PROAL

2. LA MATERIA VEGETAL es una de las principales fuentes alternativas de energ a para el transporte. El aceite de la mostaza etope (Brassica carinatal se emplea para producir biodisel. Esta especie se halla mejor adaptada a determinadas zonas mediterrneas semiridas que la colza, cuyo aceite se utiliza con mayor frecuenc ia que el de la mostaza para la obtencin de biodisel.

COOL con el objetivo de aumentar la produ cci n de alcoho l de caa de azcar destinado a su st itu ir a la gasolina. En sus inicios el progra ma foment, med iante pol ti ca s de ben eficio s ec onmic os e incentivos fiscales, la sustitu cin de los vehculos de gasolina por vehc ulos de etanol hidratado. A finales de los aos och enta y comienzo de los noventa, el descenso en los precios del crudo hizo el mercado del bioetanol menos atractivo y el go bierno redujo las subvenciones . En 1989 ac ab el progr ama de incenti vos. Desde entonces, el etanol se ha empleado mezclado co n gasolina. Brasil cuenta con un parque automovi ls tico de ms de 2 millones de vehculos adaptados para fun cion ar co n bioet an ol y 16 millones que util izan me zclas de etanol y gasolina con un porcentaje de etanol que oscila entre el 22 y e l 25 %. La extensin dedicad a al cultivo de caa de az car en los ltimos aos est aume ntando de manera co nsiderable para hacer frente a la demanda interior y ext erior, en fase de expansin .

En Estados Unidos, el bioetanol producido a part ir de maz se utiliza de sde la en trada en vigor en 1978 de la Ley del Impuesto de la Energa, que introdujo incent ivos fiscales para su ex tracc in. No obs tante , el verdadero impulso al mercado del bioet anol tien e su or ige n en la prohibicin de aadir a la gas olina MTBE, impuesta en algunos es tados del pas (Califo rnia y Nu eva York, desde 2004) . La razn de la prohibicin reside en la co ntaminacin de poz os de ag ua que causa ese adi tivo oxige nado, ob tenido a partir de una mezcla de metan al e isobutileno.

Se ado pt el etanol como sustituto del MTBE porque permite mantener las especificaciones de la gaso lina reformulad a en lo que respecta al contenido en ox geno . En mayo de 2006 se suprimi la obligacin de que la gasolina reformulada es t ox igenada . La capacidad de produccin de etanol en Estados Un idos , cifrado hoy en 10.000 millones de litros, est exper imentando un a ex pansin sin precedente; se ac erca rpidamente a las cifras brasileas . Por lo que co n-

INVESTIGACIN y CIENCIA, noviembre, 2006 80

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cierne a la Unin Europea, todava queda un gran camino que recorrer para aproximarse a la produc cin de Brasil y Estados Unid os. Las actua les especifi cacion es de las gaso linas sin plomo permiten la adici n directa de un mximo del cinco por ciento (en volumen) y exigen un etiquetado especfico en los puntos de venta para porcentajes mayores. En 2004 se produjo en Europa medio milln de toneladas, lo que supuso un 10 % de la produccin mundi al de bioetanol. Hasta el ao 2000, Francia fue el mayor produ ctor de bioetanol de la Unin Europea; desde 2002 lo es Espaa. Suecia importa el 80 % del bioetanol con sumido, principalmente de Brasil.

En la Unin Europea se estn adoptando una serie de medidas de apoyo a la produ ccin y utilizacin de bioc arburantes. La Directiva 2003130, del Par lamento Europeo y del Consejo para el fomento del uso de biocarburantes en el sector del transpo rte, instaba a los estados miembros a que tomasen las medidas necesarias para que en el ao 2005 un mnimo del 2 % del combustible para el transporte vendido en su territorio consistiese en biocarbur antes.

Esta cantidad aume nta pro gresivamente , de manera que la sustitucin alca nce e l 5,75 % en el ao 20 10. Si no se arbitran medidas de ahorro energtico , las previsiones indican que en el ao 20 10 se con sumirn en Europa unos 304 Mtep (millones de toneladas equivalentes de petrleo) en el sector del transporte, y la contribucin prevista de biocarburantes en ese ao debera estar en torno a los 17,5 Mt ep. La Directiva 2003/30/CE, junto con el artculo 16 de la Directiva 2003/96/CE, que reestru ctura el marco impos itivo de los produ ctos energticos y permite exonerar de impuestos especiales a este tipo de biocarburantes, abre la puerta al des arroll o de los mismos. Permitir a la Uni n Europea crear un mercado de biocarburantes competitivo.

La Comisin Europea acaba de adoptar una ambiciosa estrategia para los biocarburantes (COM 2006 34). El docum ento , que viene a sumarse al Plan de Acci n sobre la Biomasa adoptado en diciemb re de 2005 (COM 2005 628), se fija tres metas principales: promover los biocarburantes


tanto en la Unin Europea com o en los pases en vas de desarrollo; preparar el terreno para su uso a gran escala, mejorando su competitivi dad en cuanto al coste e incrementando la investigacin sobre combu stibles de "segunda generacin" ; y apoyar a los pases en vas de desarrollo en los que la produccin de biocarburante s pod ra estimular el crecimiento econmi co sostenible. Extender su uso redu cira la dependencia de Europa de las importaciones de combustibles fsiles, proporcionara nuevas salidas a los agr icultores y abrira nuevas posibilidade s econmicas en varios pases del Tercer Mundo y podra aminorar las emisiones de gases de efecto invernadero.

Recepcin del material

Extracc----indel jugoPurificacin

Fermentacin

Destilacin/Deshidratacin

BIOETANOL COMBUSTIBLE ---3. ElAPAS DEL PROCESO de extraccin de etanol a partir de materias primas

azucaradas.

En Espaa, el Plan de En ergas Renovables 2005-20 10 considera la produccin de un total de 2.250.000 tep de biocarburantes en el ao 2010. Los biocarburantes gozan de una exencin total sobre impu estos espec iales.

Existen en nuestro pas dos plantas de produccin de etanol, Ecoc arburantes Espaoles y Bioetanol Galicia , con una capac idad de produ ccin de 80.000 y 100.000 toneladas al ao, respectivame nte. Las refineras espaolas con cap acidad de produ ccin de MTBE han realizado las modificaciones oportunas en sus instalaciones para poder utilizar etanol en vez de

metanol en la formulacin del aditivo. En todas ell as se produ ce ETBE con el bioetanol que suministran las dos plantas en funcionamiento.

Se est iniciando la puesta en marcha de Bioc arburantes de Castilla y Len, en Babil afuente (Salamanca), con una capac idad de produccin anual de 160.000 tonelad as. Constituir la primera instalacin industrial que utilizar como materia prima para la produccin de etanol, no slo el grano de cere al (que supondr el 95 % de la produccin total), sino tambi n la paja.

Materias primas del bioetanol La caa de azcar es el cultivo habitual para la extraccin de etanol en los pases de clim a c lido; en Europa se emplea remolacha. Los cereales (maz en Estados Un idos y trigo y cebada en Eur opa) son las materias prim as para el etanol de almidn.

El precio de las materias primas viene regido por el mercado alimentario, su dest ino tradi ciona!. Para las nece sidades del mercado de la energa deben desarrollarse nuevos cultivos ms productivos y rentables. Para liberarse de las fluctuaciones que suelen caracterizar los cultivos destinados a la alime ntacin (animal y huma na), se estn investigando otras especies, como la pataca (Helianth us tuberosus L.) y el sorgo azucarero (Sorghum bicolor L. ) . Estos cultivos, adems de su menor coste de produ ccin , sera n ms rentables para la obtencin de etanol, ya que se podran emplear los tallos secos (de la pataca) o el bagazo (del sorgo) para la gene racin del vapor y la electricidad necesarios en el proceso de fabric acin de etanol.

Aparte de es tos nuevos cultivos azucarados, los materiales lignoce lulsicos so n los que ofrecen un potencial mayor para la produccin de bioetanol. Una gran parte de los materiales con alto co ntenido en celulosa, susceptibles de ser utilizados para estos fines, se generan como residuos en otros sectores. As, los residuos agrcolas proceden de los cultivos leosos y herbceos. Los residuos de origen forestal proceden de los tratam ientos silvcolas y de mejora y mantenimiento de los montes y masas forestales. Tambin pueden utilizarse residuos generados en

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MOLIENDA HUMEDA MOLIENDA SECA

~U L! U!!!'!!!!!!!!!!!jI~ AGUA RESIDUAL __-.::::~ Mo lienda -= _

""""""---""'" __...~:::::::,::", MoliendaF i lt rado lavad",,:::=-__

UI!I!!!!!!!!!!!!!!~ ' GERMEN ~ ~

, Molienda .

Coccin ---=---= Separacin Ui! L!!!' !!!!!!!!!!!!!j''''''"", FIBRA---=---= ~ __-=~ Almidn -=::__-- UI!L!!!!-=I!it'" !!'>,.- GLUTEN __~...; n ~__Licuefacci..__-::::~Licu efaccin~::__------

Hidrlisis ' , "--_-=~ Hidrlisis-=::___ ...J---=---= ----__-:::-EFenmentaciil::n::=-- ...:lI!!.!!!!!!!!!1! __...,.,Re c c l. avadui!,!rs I Recicl. levadu !::s '~ i l a~..-__ ::ra ::___...J=:::::...--;:::

- ----- p1--Destilacin~1Destilacin ALCOHOL "'---l!UDeshidratacin ~sh id ra laci~ ------ ~

Centrifugacin

Secado Evaporacin Vinazas ligeras

. ~:-----~-------=--- --~-----~GRANOS DE DESTILERIA SIROPE

y SOLUBLES

la industria papelera , y la fraccin orgnica de los residuos sli dos indu striales. Los mate riale s lignoce luls icos, aportados por cultivos dedi cado s a la produ cc in de biomasa con fines energticos pueden proceder de especies de crec imiento rpido y ciclos biolgicos cortos (el eucalipto o el chopo) y de especies vegetales anuales.

Tcnicas de produccin de etanol El bioetanol puede extraerse a partir de cualquier materia prim a orgnica que contenga cantidades significativas de azcares o compuestos que pued an tran sformarse en azcares (almidn, inulin a o celulosa). En la actualidad, el bioetan ol se produce por la fermentacin, mediante levaduras, de los azcares (principalmente glucosa) contenidos en la materia prima. Las tcnicas de transformacin a partir de materias prim as azuca radas o amilceas han alcanzado un alto grado de refinamiento.

La manera ms sencilla de producir etanol es utiliz ar materias primas que contengan azcares de seis tomos de carbono (hexosas) , como la caa de azcar y la remolacha, ya que pueden ser fermentados di rectamente

4. ETAPAS DEL PROC ESO de obtencin de etanol a partir de materias primas amilceas (con almidn), como los granos de cereal.

a etanol. El proceso general de fabricacin de bioetanol combustible a parti r de caa consta de varias etapas (vase la fig ura 3).

La caa preparada por las picadoras llega a los molinos y, mediante presin, se extrae el jugo, que se recolecta en tanqu es. En el recorrido de la caa por el molino se le agrega agua para insaturar los jugos y maximizar la extracci n de la sacarosa, contenida en el material fibroso que pasa a travs de todas las unidades que componen el molino. El ju go azucarad o se precal ienta, par a facilitar su paso por el regulador de den sidad y evitar al mismo tiempo la formacin de microorganismos. Posteriormente se aade un ayudante de ftoculacin con el fin de favorecer la formacin de ftculos y as retirar, por precip itacin , los slidos suspen didos y algunas sustancias - sale s de cal, material proteico- txicas para la fermentacin y que agra van el problema de las incru staciones en la destil acin.

A continuaci n se realiza la fermenta cin . Por acci n biolgica de la levadura, los azcares fermentables

co ntenidos en el jugo se transform an en alcohol etlico y gas carbnico. El vino obtenido, con un 8 % de etanol en peso aproximadamente, se bombe a hacia las destiladoras. El etanol y el vapor de agua dejan la parte superior de la co lumna con un 75 % en peso y ent ran en la rectificadora. Los lquidos y slidos residuales, las vinazas, salen por el fondo de la columna y se bombean al sistema de tratamiento. En la rectificadora el alcohol se eleva a su punto azeotrpico de mxima concentracin por simple destilacin (el 96 %) Y abandona la torre por la parte superior, convertido en vapor sa turado, para entrar en la secc in de deshidratacin.

El bagazo que sale de la ltima unid ad de molienda se empl ea en las calderas para la produccin del vapor utilizado en el proceso y, a la vez, de electricidad que atiende las necesidad es de la planta; los excedentes se exportan a la red elctrica y contribuyen a reducir los requerimientos de energa fsil y las emisiones de gases de efecto invernadero del proceso de produccin de etanol a partir de caa de azcar.


En los proceso s ordinarios de obtencin de etanol a part ir de grano de cereal se emplean, para la ferm entacin, los azcares del almidn, extrados por un proceso de hidr lisis. Existen dos vas principales para la obtencin de etanol a partir de grano de cereal; se diferencian, bsicamente, en el proceso de molienda (vase la fi gura 4) .

En la molienda hmed a, se empapa previamen te el grano , lo que fac ilita la separaci n de sus comp onentes. El gran o hmedo se procesa con una serie de amolad oras para separar el germen del maz. El aceite de maz del germen se extrae en la misma planta de produccin de etanol o se vende a las tritur adoras que extraen dich o aceite. Los componentes restantes de la fibra, del gluten y del almidn se van segregando . Tras un proceso de secado, se venden para alimentacin animal. El almidn restante, mezclado luego con rx-amilasas, se cali enta a una temperatura entre 120 Y 150 oC para favorecer el proces o de licuefaccin y evitar la proliferacin de microorgani smos no deseados. La mezcl a se enfr a y se le aade glucoamilasa, enzima que transforma el almidn licuefactado en dextrosa, un azcar simple que pueden fermentar las levaduras. Despus de la fermentacin , el medi o, que contiene aproximadamente un 10% en volumen de etanol, se transfiere a las columnas de la destil acin, donde se separa de los slidos no ferm entables y del agua. Este slido, rico en protena, se destin a al mercado de la alimentacin anim al. El etanol, con un 96 % de pureza, sale por la parte superior de la columna y se transfiere al sistema de deshidratacin, normalmente un tamiz molecular.

En los procesos de moliend a seca no hay separacin de los componentes que integran el grano. El cereal se tritura hasta obtener harina; se le aade agua , hasta formar un pur que se somete a un proceso de cocci n y licu efacci n, prev ios a la hidr lisis que convierte el almidn en dext rosa . A partir de aqu los procesos son los descritos anteriormente.

De las casi 70 planta s de produc cin de etanol a partir de cereal que estn operando en Estados Unidos, el 55 % aplica la molienda seca y el 45 % la hmeda, mientras que en Europa todas las inst alaciones re-


5. LA REDUCCION DE ALGUNAS EMISIONES CONTAMINANTES es una de las razones del inters por los biocarburantes. El uso de etanol y metanol como aditivo oxigenador de la gasolina limita la emisin de monx ido de carbono. El biodisel ofrece ventajas ambientales con respecto al disel ordinario; por esa razn algunas ciudades estn probando autobuses de biodisel; Madrid y Barcelona, entre ellas.

curren a la molienda seca, que tiene menor coste de capital asoc iado tanto a la construccin como a [a operacin.

Etanol Iignocelulsico Las tcnicas actuales de produccin de etanol a partir de cereal no ofrecen todava soluciones comp etiti vas desde el punto de vista de su coste. Su utilizacin slo es viable si se reduce el tipo de impuesto especial aplicable al bioetan ol. Por lo tanto, es necesari o seguir mejorando los procesos de transformacin, con mayores rendim ientos y mejor calidad de los copr oductos.

En este contexto, el desarrollo de los biocarburante s de segunda generacin, frut o de la transformacin de la biomasa ligno celul sica, en los que la investigacin y el desarrollo desempean un papel importante, pueden contribuir de mane ra decisi va a mejorar la competitividad.

Los materi ales lignocelul sicos estn compuestos en su mayor parte por dos polmeros de carbohidra tos, la celul osa (35-50 %) y la hemicelulosa (15-25 %), y un polm ero fenlico, la lignina (20-25 %). La fracci n mayoritari a de la biomasa lignocelulsica es la celulosa cristalina, constituida por cadenas largas de molculas de D-glu cosa unidas por enlaces ~-(1-4 )

que, a su vez, se agrupan en estructuras superiores de gran cris talinidad, ]0 que dificulta su hidrl isis y conversin en azcares fermentables. Sin embargo , una vez producidos , los azcares simp les se ferm ent an con facili dad.

La hemicelul osa est formad a por polmeros de azcares de cinco tomos de carbono (principalmente xilosa). Esta fraccin se hidroliz a con facilidad, pues no presenta estru ctura cristalina; sin embargo, la xilosa es un azcar difcil de fermentar a eta nol.

La lignina , por fin, es un polmero trid imensional de unidades de fenilpropano ligadas por enlaces ter y C-e.

Los ca rbohidratos presen tes en la biomas a lignocelulsica pueden transformarse en etanol, tras un proceso de hidrli sis, mediante la accin de microorgan ismos fermentativos . Pero su es truc tura compleja hac e que el proceso de transformacin en etan ol sea ms dif cil que en el caso del almidn. La hidrl isis de la celulosa puede llevarse a cabo con la intervencin de catalizadores cidos o enzimticos (vase lafigura 6 ). En los proces os de hidrlisis cida, en co ndic iones adecu adas de presin y temper atura, se produce una solubilizac in de la hemicelulosa y

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Biomasa Iignocelulsica r Microorganismo fermentativoCatalizador

Hidrlisis DestilacinPretratamiento Fermentacincida/enzimtica Deshidratacin

ETANOL

Xilosa Fermentacin

Generacin de calor ~ ~ y electricidad

6. ESQUEMA GENERAL del proceso de produccin de etanol a partir de biomasa lignocelulsica.

la celulosa, qued ando prcticamente inalterada la lignina. A temperaturas superiores a los 200 "C aparecen productos de descomposicin de los azcares (furfural, hidroximetilfurfural y una serie de sustancias solubles no identificadas), lo que reduce el rendimiento del proceso. Tales sustancias inhiben el proce so fermentativo, por lo que deben eliminarse del hidrolizado antes de la fermentacin.

Estos pro

Investigacion Y Ciencia 362, Noviembre 2006

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