Universidad
Politécnica de Madrid

Devoradores de energía

Si de alguna forma podemos definir al homo sapiens sapiens, en contraposición al resto de especies autoconscientes del planeta Tierra, es como un "frenético devorador de energía".

01.02.12

José Ygnacio Pastor, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid, centra su investigación en el estudio del comportamiento mecánico y la fractura de materiales estructurales avanzados, en particular, de materiales para la energía. Un trabajo que desarrolla también en el ámbito docente, por el que recibió el Premio a la Excelencia Docente de la UPM en la festividad de Santo Tomás de Aquino. 

A continuación, abre una reflexión acerca de los retos que plantea para el futuro la dependencia energética, y propone como alternativa la investigación en nuevos materiales para alcanzar un ahorro sostenido de energía.

Devoradores de energía

“Hace aproximadamente millón y medio de años nuestros ancestros se acercaron por primera vez al fuego, fuente primaria de energía, y descubrieron sus beneficios. Desde entonces no hemos parado de aumentar nuestras necesidades energéticas. Inicialmente utilizamos la energía residual, el calor de los fuegos naturales para hacer más comestibles y digeribles la carne y otros alimentos. Esto permitió que la longitud de los intestinos se acortara, y contribuyó a que la masa cerebral pudiera crecer”.

“Esta mayor encefalización permitió ingeniar nuevos usos de la energía y su dominio básico: el fuego ya se podía controlar y generar a voluntad. Todo un avance tecnológico que no es fácil de reproducir, e invito al lector a que trate de hacer fuego por medios naturales. Es mucho más complicado de lo que parece… Cocinar alimentos, calentar el hogar, y ahuyentar a los depredadores fueron las principales necesidades durante milenios. Durante la mayor parte de este periodo, la energía se obtuvo a partir de la quema de madera y de la explotación de animales y hombres (la esclavitud es una forma de obtener energía a cambio de alimento).

Esta disponibilidad de la energía permitió el desarrollo humano en todos sus aspectos, y en especial del dominio de los materiales. Hace unos cuarenta mil años surgieron nuevas aplicaciones: una primitiva industria cerámica que con el paso del tiempo terminaría dando lugar a la metalurgia de la Edad de los Metales. A partir de ese momento las demandas energéticas han crecido de forma exponencial. Un procesos sinérgico entre materia y energía permitió el desarrollo de nuevos materiales con los cuales obtener un aprovechamiento más eficiente de la energía: herramientas, arados, energía hidráulica, energía eólica a través de molinos,... El proceso de desarrollo ha sido aparentemente lento, y tuvimos que esperar hasta el florecimiento de la Revolución Industrial para dar el siguiente gran paso en el uso de la energía. La llegada de la máquina de vapor permitió nuevas y más eficientes formas de aprovechar la energía. Esta se seguía extrayendo básicamente de la quema de la madera; como ejemplo, hubo momentos en que un tercio de la superficie de Inglaterra se dedicaba al abastecimiento de combustible.

Quemar lo que la naturaleza nos ofrece

Fue con el desarrollo de nuevas aleaciones (nuevos materiales) y la introducción del carbón, cuando se dio un salto cualitativo en las posibilidades de la utilización de la energía. Ahora ya era posible tener combustible barato y de una forma casi ilimitada. La Revolución Industrial era imparable y empezó a extenderse por todo Occidente. Sin embargo, el concepto de extracción de la energía seguía siendo el mismo, quemar lo que la naturaleza nos ofrece.

El carbón, con ser un buen sustituto a la madera (tiene mayor capacidad calorífica y hay importantes minas distribuidas por todo el mundo), presentaba un par de serios inconvenientes. Al ser sólido, su dosificación ha de hacerse de forma manual y su combustión deja abundantes residuos sólidos y gaseosos. La solución al problema vino de nuevo en la sinergia entre materiales y energía: el petróleo es líquido, con una capacidad energética mucho mayor y apenas deja residuos. Esto permitió que el motor de combustión interna fuera el gran protagonista del siglo XX. De su mano, llegó la revolución de los materiales y la alborada de una nueva supradisciplina: la Ciencia en Ingeniería de Materiales, que tomó cuerpo a partir de los años 50 del siglo pasado. Sus consecuencias pueden verse en todos los campos de la ciencia y la ingeniería: polímeros, aleaciones ligeras, cerámicos, semiconductores,… que dieron lugar a avances inimaginables en construcción, medicina, transportes, comunicaciones,… y energía. Nuevas centrales de generación de energía, abundante y barata, pero que siguen centradas en un mismo principio: quemar recursos naturales (madera, carbón, petróleo, gas natural, uranio y, más recientemente, biocombustibles).

Limitaciones de las “tozudas” leyes de la termodinámica

Actualmente, en los procesos de transformación de los combustibles en energía los rendimientos siguen siendo muy limitados, y en los mejores casos apenas alcanzan el 50%, pero lo habitual es estar muy lejos de estos valores. Lo peor de todo es que las “tozudas” leyes de la termodinámica limitan que podamos llegar mucho más allá de lo conseguido. Sólo en los últimos decenios se ha vuelto la vista hacia las energías renovables (solar, eólica e hidráulica, aunque estas dos últimas con mayor o menor intensidad ya se explotaban desde hace mucho tiempo) como opciones alternativas. No obstante, el reto que tenemos por delante no es fácil de responder, y para ello es necesario que de nuevo materiales y energía colaboren. Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía, de seguir el aumento de población y de consumo energético al ritmo actual, la demanda mundial se multiplicará en un factor entre 3 y 5 de aquí a final de siglo. Para responder a estas necesidades tenemos varias opciones:

º Utilizar el carbón en forma licuada (algo que ya se hizo en la Alemania Nazi). El carbón es barato y hay reservas para varios siglos, pero el incremento de contaminación que esto implicaría sería inasumible con la tecnología actual. Una respuesta sería encontrar materiales y tecnologías que permitieran la captura y almacenamiento de CO2 de forma segura, barata e indefinida.

º Apostar por las energías renovables. El desarrollo de biocombustibles parece una alternativa, pero en el cómputo global de emisiones de CO2 siempre el saldo es positivo y la cantidad de tierras de cultivo inmensas. Esto, además, puede llevar aparejado el encarecimiento, interesado a veces, de los alimentos de primera necesidad. La energía solar fotovoltaica, hoy por hoy, es una apuesta más estética que real, ya que el precio de la energía generada resulta muy elevado y las instalaciones tardan unos veinte años en amortizarse. Necesitamos materiales baratos para mejorar la eficiencia energética de las células solares. La energía eólica y la termo-solar pueden ser una interesante alternativa, pero presentan un problema básico: su aleatoriedad. Es necesario tener centrales de generación alternativas para cuando éstas no funcionan, y sistemas de almacenamiento para cuando producen energía en exceso. Esto último requiere el desarrollo de materiales y tecnologías que lo permitan de forma eficiente y barata.

º La energía nuclear, que no está de moda y a todos nos asusta. Aunque en estos momentos no esté en su máximo de popularidad, los nuevos diseños de centrales nucleares de cuarta generación y posteriores dan respuesta a los requerimientos más estrictos de seguridad pasiva. Por otro lado, las nuevas tecnologías de procesamiento de materiales están empezando a dar respuesta al reprocesamiento de residuos de alta actividad. Adicionalmente, si en algún momento fuera posible el desarrollo de centrales que usen torio como combustible, tendríamos resueltos simultáneamente varios problemas: los residuos de las centrales actuales, la posibilidad de su uso para la proliferación armamentística y las limitaciones de la disponibilidad de uranio; con el torio tendríamos combustible para más de un milenio. Finalmente, las centrales de fusión (el combustible en este caso son isótopos de hidrógeno presentes en el agua de mar de forma prácticamente inagotable) se llevan presentando como la respuesta definitiva a nuestros problemas energéticos desde hace 50 años. Lamentablemente, todavía estamos lejos de poder dar una fecha de cuándo será posible tener un reactor de estas características pues los problemas, principalmente con los requerimientos de los materiales involucrados, son tan brutales que nos faltan decenios de investigación. No obstante hay experimentos que se van a realizar durante este mismo año y que podrían cambiar radicalmente el panorama. Estemos atentos.

º El ahorro energético. Posiblemente ésta sea la única alternativa plausible y viable que tengamos en estos momentos. La cantidad de energía que desperdiciamos y desperdigamos a nuestro alrededor es enorme. Probablemente, más del 80% de la energía contenida en nuestros combustibles se despilfarra. Sólo con conseguir un ahorro del 2% anual, en 30 años conseguiríamos tener energía para todos. Si este ahorro, además, va acompañado de un desarrollo humano mucho más homogéneo en todo el mundo sería posible que la población mundial se estabilizara en torno a los 11.000 millones de humanos. ¿Pero cómo conseguir este ahorro sostenido de energía? Unos pocos materiales pueden tener las respuestas:

- Materiales superconductores de alta temperatura crítica. Buena parte de la energía eléctrica se pierde en su transporte y en la conversión de energía eléctrica a mecánica. Con estos materiales, si finalmente pudieran funcionar a temperatura ambiente, sería posible el transporte de energía sin pérdidas, el movimiento de vehículos con la décima parte de la energía actual, y el funcionamiento de los motores de una manera mucho más eficiente y silenciosa. Además, permitiría un almacenamiento sencillo e instantáneo de la energía. Los problemas a resolver para conseguirlo parecen hoy por hoy insalvables, pero hace sólo 30 años era inimaginable que pudieran existir estos materiales.

- Materiales para altas temperaturas. Cuanto mayor sea la temperatura de las centrales térmicas de producción de energía, mayor será el rendimiento de la misma y más energía será posible extraer del combustible. En la actualidad, prácticamente todas las centrales de producción de energía son centrales térmicas, desde las de carbón a las termosolares, pasando por las nucleares. Sólo subir 100 o 200 ºC su temperatura de trabajo permitiría rendimientos mucho mayores, y en esto de nuevo los materiales tienen la respuesta.

- Materiales de efecto térmoelectrico. En todo proceso de combustión tenemos siempre un calor residual que se pierde. Por ejemplo, a través del tubo de escape de nuestros coches o por la rodadura de los neumáticos en la carretera. El desarrollo de nuevos materiales de efecto termoeléctrico está abriendo la posibilidad de recuperar parte de este calor residual en forma de energía eléctrica.

- Materiales para el aislamiento térmico y la iluminación. En estos momentos disponemos de tecnologías y materiales para hacer edificios y ciudades autosostenibles, donde el calor generado o recibido del exterior se puede utilizar para generar energía y así reducir el impacto ecológico de la construcción.

Como se ha visto, el factor clave para conseguir todo esto está en el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. Estos “Materiales para la Energía” son sólo algunas de las opciones que tenemos a nuestro alcance y su mejor conocimiento puede servir para un mayor aprovechamiento de aquélla.

En esta situación no nos podemos permitir el lujo de recortar en investigación, pues limitaremos nuestro desarrollo futuro. Ni nos podemos permitir el lujo egoísta en el que unos pocos consumamos hasta mil veces más energía a lo largo de nuestra vida que otros muchos. La cantidad de energía disponible, manteniendo el equilibrio ecológico de esta isla de vida que vaga por el universo que es nuestro planeta, es en estos momentos limitada, y el derroche de unos pocos implica la escasez para otros muchos. No tenemos derecho a restringir el desarrollo de los más desfavorecidos, pero esto tampoco tiene que implicar que en los países desarrollados tengamos que retroceder en nuestra calidad de vida.

Sería suficiente con no despilfarrar y hacer una planificación energética a escala planetaria para que, con la tecnología y materiales disponibles actualmente, pudiéramos dar respuesta a los dos problemas más acuciantes: desarrollo de los países más desfavorecidos, y conseguir el control del calentamiento global terrestre de origen antropogénico. El tiempo y la investigación básica y aplicada se encargarían de darnos el resto de las respuestas, tal y como se ha apuntado en los párrafos anteriores. Tenemos que dejar de ser devoradores de energía y convertirnos en usuarios racionales de la misma, auténticos gourmets energéticos que utilizan pequeñas cantidades de forma especializada para fines específicos. Esto nos permitiría conseguir un mundo más sostenible, justo e igualitario”.

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Doctor en Ciencias Físicas, José Ygnacio Pastor es catedrático del Departamento de Ciencias de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid, de cuya subdirección también es responsable. Su actividad docente se ha centra en la enseñanza de Física y Estructura y Comportamiento de Materiales a estudiantes de Ingeniería de Caminos, Ingeniería Civil y Territorial, Ingeniería de Materiales, Máster y Doctorado; una intensa actividad que ha generado la coautoría de libros, artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos y ponencias de investigación docente, e investigador en más de una decena de proyectos de Innovación Educativa.

Desde hace seis años, organiza los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales de la UPM, que en su opción de teleasignatura son retransmitidos semanalmente a estudiantes de España e Iberoamérica.