Nuestra combinación energética del futuro

Predicción de sistemas energéticos

Muy pocos temas son tan complejos e importantes como la futura combinación energética de nuestra civilización. Dependiendo de a quién se le pregunte, es imposible deshacerse de la dependencia de los combustibles fósiles, o las energías renovables van a tomar el control a un ritmo vertiginoso. Por supuesto, la realidad es compleja y es muy difícil predecir el futuro de la energía.

En este artículo, analizaremos nuestra situación actual, veremos los pocos escenarios posibles y, lo que es más importante, qué cambios económicos o tecnológicos harán que un escenario sea más probable que el otro.

Nuestra Presencia

Si hasta ahora hay un patrón en nuestro creciente uso de energía, es que tienden a agregarse nuevas fuentes de energía a nuestra combinación energética, en lugar de reemplazar la anterior.

Por ejemplo, todavía utilizamos tanta, si no más, biomasa (principalmente madera) que en el siglo XIX, antes de la Revolución Industrial. De manera similar, el consumo de carbón en su mayor parte solo ha aumentado con el tiempo, a lo que se sumó el petróleo, el gas y luego la energía hidroeléctrica, la nuclear y las energías renovables.

Fuente: Nuestro mundo en datos

Esto podría ser una sorpresa, considerando cuánto progreso aparentemente han logrado las energías renovables en nuestra producción de electricidad. Esto se debe a múltiples causas:

• China, líder en nueva capacidad de energías renovables y en la transición hacia vehículos eléctricos, también es líder en la construcción de centrales eléctricas de carbón.
• La mayor parte del consumo de energía primaria no se utiliza para generar electricidad. En cambio, la mayor parte de nuestro consumo de energía proviene de la movilidad, la calefacción y usos industriales como la producción de acero y petroquímicos (producción de fertilizantes, plásticos, productos farmacéuticos, químicos, etc.).
• El crecimiento demográfico y la salida de miles de millones de personas de la pobreza extrema significaron un consumo de energía creciente, siendo la opción más barata disponible a menudo el carbón. Así como más consumo de carne, aire acondicionado, coches, viajes en avión, etc.
• La globalización de la economía, que conduce a un mayor transporte de mercancías, incluidos múltiples movimientos de ida y vuelta de materias primas, piezas semitransformadas y bienes finales.
• La industrialización de la agricultura, aumentando los rendimientos y reduciendo la mano de obra necesaria, pero también impulsando el consumo de combustibles fósiles y fertilizantes.

Para cualquiera preocupado por el cambio climático y las emisiones de carbono, esto puede representar un panorama deprimente, ya que los combustibles fósiles están firmemente arraigados en nuestra combinación energética global. Pero esto tampoco es realmente todo el panorama.

El cambio en curso

De una teoría apenas agradable en 2016, los automóviles eléctricos (EV) ahora son una parte de las ventas globales que crece exponencialmente, con más de 10 millones de autos eléctricos vendidos en 2022, o el 14% de las ventas globales, con China y Europa a la cabeza.

Fuente: IEA

La proporción de energías renovables (hidráulica + solar + eólica + geotérmica) también está creciendo rápidamente. Y si bien algunos países han estado en los primeros lugares de esta lista durante mucho tiempo, debido a sus enormes recursos hidroeléctricos (como Noruega, Brasil o Canadá), la energía solar + eólica es realmente donde se está produciendo el cambio.

Fuente: Nuestro mundo en datos

Una mirada por países muestra un claro punto de inflexión en 2010, cuando las energías renovables a menudo se duplicaron, generalmente impulsadas en su totalidad por el crecimiento de la producción solar y eólica. Por ejemplo, China y Australia:

Fuente: Nuestro mundo en datos

Fuente: Nuestro mundo en datos

Un importante impulsor de este cambio ha sido la fuerte caída de los costos de las energías renovables. Impulsado igualmente por la innovación tecnológica y la ampliación de la producción industrial, esto ha hecho que las energías renovables sean cada vez más competitivas. Al menos sobre el papel, las energías renovables parecen ahora más baratas que los combustibles fósiles (más sobre esto a continuación). como lo demuestra la IRENA (Agencia Internacional de Energías Renovables).

Fuente: IRENA

Los desafios

En los últimos años empezó a surgir una situación extraña. La rápida caída de los costos de las energías renovables ha convencido a bastantes personas de que los combustibles fósiles seguirán el mismo camino que los pájaros dodo en el corto plazo.

Fuente: Gorjeo/X

Pero en los últimos años, algunos shocks macroeconómicos han puesto esta idea en duda. La guerra en Ucrania desencadenó una inflación masiva y empujó a países como Alemania a reiniciar su dependencia del carbón.

Y esa misma inflación ha dañado gravemente la rentabilidad de los proyectos renovables planificados. Se cancelaron grandes proyectos de energía eólica marina y se desplomaron los precios de las acciones de las empresas solares y eólicas; este ha sido un período doloroso. Puedes leer más sobre lo que pasó en nuestro artículo “La crisis de las energías renovables de 2023".

Incluso las ventas de vehículos eléctricos se ponen en duda, después de el aplazamiento o cancelación de la estrategia de vehículos eléctricos por parte de los principales fabricantes, como GM, Ford o Honda.

Intermitencia de las renovables

Una cuestión clave que será necesario resolver es el almacenamiento de energía. La producción de energía eólica y solar depende del clima y puede desconectarse temporalmente de la demanda. Este es un problema para una red eléctrica que requiere producción “justo a tiempo” y un perfecto equilibrio instantáneo entre producción y demanda.

Hay muchas alternativas posibles, pero las tecnologías apenas están comenzando o no se han implementado a gran escala lo suficientemente pronto. Esto provoca un excedente de energía durante el día y/o el verano, y un déficit durante la noche y/o el invierno.

El problema no es irresoluble, pero requiere políticas bien coordinadas y más inversión en redes eléctricas.

Y, francamente, también admitir que los costos “reales” de las energías renovables deberían incluir los costos del almacenamiento de energía. Es posible que las energías renovables aún no sean completamente más baratas que los combustibles fósiles, al menos una vez que se conviertan en una gran parte de la producción eléctrica del país.

El lImitaciones de baterías

La preocupación por que la adopción de vehículos eléctricos se mantenga por buen camino se debe a limitaciones tecnológicas similares. Si bien los primeros usuarios estaban de acuerdo con mayores costos iniciales, menor alcance o tiempo de carga más lento que los vehículos ICE (motor de combustión interna), otros compradores podrían no estarlo. La escasez de litio que impulsó el precio del metal blanco también generó algunas preocupaciones.

Afortunadamente, pronto llegarán nuevas tecnologías de baterías, desde baterías chinas de iones de sodio hasta baterías de estado sólido, que deberían ayudar a reducir los precios de los vehículos eléctricos y eliminar preocupaciones legítimas como la ansiedad por la autonomía o los riesgos de incendio.

Demanda de energía difícil de cambiar

Y además, parte del consumo de energía es sencillamente difícil de eliminar de los combustibles fósiles. Por ejemplo, envío de larga distancia Todavía requiere un combustible muy denso y líquido para funcionar. Volar también requiere una fuente de energía de muy alta densidad energética, que las baterías por ahora no pueden funcionar. La mayor parte de la producción de plástico depende del petróleo, los fertilizantes del gas y el acero del carbón coquizable.

También en este caso existen soluciones, pero son tecnologías un tanto inmaduras y están lejos de ser implementadas globalmente.

Tecnologías revolucionarias

Los probables cambios de juego

Ya existen bastantes soluciones para ayudar a reiniciar el crecimiento de las energías renovables y la tecnología baja en carbono.

Innovación nuclear

Aún controvertida, la energía nuclear es, sin embargo, una tecnología baja en carbono que pueden ser necesarios para cerrar la brecha hacia un futuro impulsado por las energías renovables.

Los pequeños reactores nucleares (SMR) son otro sector que recientemente sufrió Malas noticias por el aumento de costos, vinculado a la inflación global. Pero en cualquier caso, la tecnología nuclear está experimentando un renacimiento, con nuevos diseños más seguros que apuntan a reactores más pequeños (SMR y microrreactores), o incluso nuevos combustibles como torio. Mientras tanto, China está construyendo 24 nuevos grandes reactores nucleares, y planificar para un total de tantos como 150 reactores.

Mejores energías renovables

Es probable que la disminución de los costos en comparación con los combustibles fósiles siga siendo una tendencia duradera. Esto es especialmente cierto en el caso de la energía solar, con innovaciones como células solares de película fina o células solares de tercera generación (silicio amorfo, polímeros orgánicos o cristales de perovskita).

Los proyectos de baterías a escala de servicios públicos también ayudarán, con más del triple de la capacidad actual para 2025.

Fuente: EIA

Baterías de estado sólido

Todos los que trabajan en tecnología de baterías saben que las baterías de estado sólido, que no requieren los electrolitos líquidos de la batería de litio actual, cambiarán las reglas del juego. Y muchas empresas están hablando de lanzar su propia versión de baterías de estado sólido entre 2026 y 2029. Esto incluye QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) y Samsung SDI (006400.KS). Mientras que Tesla (TSLA) está trabajando en su propia alternativa a las baterías de estado sólido.

El cambio de juego especulativo

Algunas otras tecnologías son menos maduras, pero aún más prometedoras y probablemente serán la forma de obtener nuestra energía en 2040-2050 y en adelante.

Surgeneradores nucleares

Una gran preocupación con las centrales nucleares son los residuos nucleares. Surgeneradores (o “reproductores”) pueden consumir estos desechos nucleares y convertirlos nuevamente en energía y combustible nuclear. Esto podría hacer que el combustible nuclear disponible sea prácticamente ilimitado y reducir en gran medida el problema de los desechos nucleares. Una ventaja es que esta tecnología no es realmente nueva, tal como fue utilizado por Francia hasta 1997, por lo que es sólo especulativo debido a las dificultades políticas que rodean a la energía nuclear.

Solar basada en el espacio

Producir energía solar desde la órbita resolvería de inmediato todos los problemas de la energía solar: sin intermitencia, sin nubes, sin disminución de la producción en invierno. Con el internet espacial convertido de repente en una realidad... Starlink, esto no es tan descabellado como parece.

Es algo que investigamos más a fondo en nuestro artículo “De la ciencia ficción a las alturas: ¿son los paneles solares en órbita una idea brillante?"

Geotérmica

Una fuente de energía renovable hasta ahora casi ignorada y capaz de proporcionar energía de base las 24 horas del día, los 7 días de la semana, es la energía geotérmica. Esto finalmente está cambiando, con empresas como Vulkan Energy (VUL.AX), Tecnologías Ormat (ORA), o Sabor. Irónicamente, estas empresas reutilizan los avances en perforación y fracking realizados por la industria petrolera para aprovechar las fuentes de calor de la Tierra. (Cubrimos Ormat en este articulo y vulcan en este).

Combustibles sintéticos

La energía generada a partir de energías renovables (o incluso nuclear) podría utilizarse para sintetizar combustibles gaseosos o líquidos. Esto incluye hidrógeno, amoníaco, gas de síntesis, or combustibles sintéticos.

Otra opción para el combustible sintético podría ser aprovechar la biología y utilizar microalgas para generar biocombustibles (ver “Biocombustible de algas: ¿la próxima revolución energética?”) o biofermentadores para producir biogás y biometano a partir de materia orgánica residual.

Estos combustibles podrían luego usarse en aviones, barcos y otras aplicaciones que requieran combustibles muy densos o temperaturas de combustión muy altas (como la fabricación de acero).

Fusion

La energía de fusión tiene como objetivo crear energía fusionando elementos ligeros como el hidrógeno, recreando en la Tierra el proceso que alimenta al propio Sol. Con temperaturas que oscilan entre millones y cientos de millones de grados, este es un inmenso desafío tecnológico.

También proporcionaría energía limpia, sin producir carbono ni residuos nucleares, con un suministro ilimitado de “combustible”, ya que el hidrógeno es el átomo más abundante del universo.

El mayor proyecto de fusión es el consorcio internacional de investigación ITER, en el que muchas nuevas empresas también persiguiendo el sueño de la fusión nuclear, incluyendo Helion, Fusión general, Fusión de la Commonwealth, Tecnologías del TÉ, Energía ZAPy NEO Fusión (financiado por el fabricante chino de vehículos eléctricos Nio).

La(s) combinación(es) energética(s) del futuro

Si bien es probable que sea prometedor a largo plazo, examinaremos principalmente posibles combinaciones de energía sin ninguno de los “cambios de juego especulativos” discutidos anteriormente, mientras miramos el horizonte de 2040.

La EIA (Administración de Información Energética) ha lanzado múltiples escenarios, dependiendo del crecimiento económico y de la adopción o no de tecnología baja en carbono.

En la mayoría de los casos, se espera que el uso de energía siga creciendo y que los combustibles fósiles sigan representando la mayor parte de la energía mundial en 2050. Ahora bien, esto es una proyección si no cambian las leyes y las inversiones en energía se mantienen en línea con la tendencia actual.

Fuente: EIA

Lo de siempre

Este es un escenario deprimente para cualquiera que preste atención al cambio climático. Se supone que el carbón, el gas y el petróleo seguirán siendo durante las próximas dos décadas la fuerza dominante en nuestro sistema energético y producirán la mayor parte de nuestra energía.

Esto está lejos de ser imposible, como lo ilustra el reciente regreso de Alemania al carbón, a pesar de que anteriormente el país era ampliamente visto como un campeón de las energías renovables y la transición energética.

El camino de la alta tecnología

Otra opción es que nuestras sociedades adopten el cambio tecnológico en materia de energía. Esto incluye las energías renovables, pero también la energía nuclear masiva, probablemente tanto de tipo convencional como de tipo más pequeño a la vez.

Se trata de un escenario en el que la generación de energía a partir de combustibles fósiles queda descartada por mejores alternativas o directamente prohibida por ley.

También es un escenario en el que los vehículos eléctricos se siguen adoptando rápidamente, probablemente gracias a las nuevas tecnologías de baterías.

Si bien la energía nuclear produce energía de base y capacidad invernal, las energías renovables pueden gestionar el excedente de producción de combustibles líquidos para descarbonizar los vuelos, el transporte marítimo y la industria pesada.

El camino del bajo consumo

Considerando el hambre de energía del mundo en desarrollo, incluyendo no sólo a China sino también a Sudamérica, África, India e Indonesia, este no parece un escenario muy probable.

De alguna manera, implicaría “elegir” un verdadero decrecimiento y probablemente, en promedio, una disminución en los niveles de vida, con especialmente menos viajes y comercio internacional. La agricultura se desindustrializa hasta cierto punto, la actividad industrial disminuye y las economías en general se vuelven mucho más locales.

Lo más probable es que un escenario así deba concebirse en paralelo a tensiones internacionales masivas, una guerra o una depresión global, lo que explica la disminución repentina de las actividades económicas, ya que una elección voluntaria de una menor producción parece poco probable tanto en los países democráticos como en los autocráticos.

El escenario de salir adelante

Este es un escenario donde todo sucede a la vez. Los combustibles fósiles están disminuyendo ligeramente, pero no se han eliminado por completo. En general, el carbón se está eliminando progresivamente, pero no tanto el petróleo y el gas. Algunos países apuestan por la energía nuclear, otros por las energías renovables y otros mantienen las cosas como siempre.

La electrificación y la descarbonización se producen, pero a un ritmo más lento de lo deseado. Las emisiones de carbono se mantienen en ese escenario muy por encima del escenario neto cero previsto por el GIEC para evitar que las temperaturas globales aumenten demasiado.

Esto no es muy diferente de los escenarios de la EIA mencionados anteriormente. Más adelante, la captura de carbono podría utilizarse para acelerar la descarbonización y revertir algunas de las emisiones pasadas.

El escenario revolucionario

Se logra un gran avance en la generación de energía, lo que permite disponer de energía abundante, y la solución se puede implementar rápidamente en todo el mundo.

Podría ser una disminución drástica de la infraestructura solar orbital a través de una nueva carrera espacial entre SpaceX y las empresas chinas.

O un gran éxito para el lanzamiento del ITER en 2025-2026.

O nuevos diseños revolucionarios en tecnología solar y de baterías.

Estos cambios son, por naturaleza, casi imposibles de predecir o cuantificar. Pero tampoco deberían descartarse por completo.