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Manteniendo Algunas Luces Encendidas: Redefiniendo la Seguridad Energética

Tue, 16 Jan 2024 00:00:00 +0000

Mantener un suministro constante de algo que es finito es imposible. Imagen: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

A medida que una sociedad depende más de las fuentes de energía para su funcionamiento diario, se vuelve más vulnerable si se interrumpe el suministro de energía. Este hecho evidente se ignora en las estrategias actuales para lograr la seguridad energética, volviéndolas contraproducentes.

¿Qué es la Seguridad Energética?

¿Qué significa para una sociedad tener “seguridad energética”? Aunque existen más de cuarenta definiciones diferentes del concepto, todas comparten el criterio fundamental de que el suministro de energía siempre debe satisfacer la demanda de energía. Esto también implica que el suministro de energía debe ser constante, sin interrupciones en el servicio. ¹ ² ³ ⁴ Por ejemplo, la Agencia Internacional de Energía (AIE) define la seguridad energética como “la disponibilidad ininterrumpida de fuentes de energía a un precio asequible”, el Departamento de Energía y Cambio Climático de EE. UU. (DECC) define el concepto como “los riesgos de interrupción en el suministro de energía son bajos”, y la UE lo define como un “suministro estable y abundante de energía”. ⁵ ⁶ ⁷

Históricamente, la seguridad energética se lograba asegurando el acceso a bosques o turberas para la energía térmica y a fuentes de energía mecánica como humana, animal, eólica o hidráulica. Con la llegada de la Revolución Industrial, la seguridad energética pasó a depender del suministro de combustibles fósiles. Como concepto teórico, la seguridad energética está estrechamente relacionada con las crisis del petróleo de la década de 1970, cuando embargos y manipulaciones de precios limitaron el suministro de petróleo a las naciones occidentales. Como resultado, la mayoría de las sociedades industrializadas aún acumulan reservas de petróleo equivalentes a varios meses de consumo.

Aunque el petróleo sigue siendo tan vital para las economías industriales como lo era en la década de 1970, principalmente para el transporte y la agricultura, ahora se reconoce que la seguridad energética en las sociedades modernas también depende de otras infraestructuras, como las que suministran gas, electricidad e incluso datos. Además, estas infraestructuras están interconectándose cada vez más y dependen unas de otras. Por ejemplo, el gas es un combustible importante para la producción de energía, mientras que ahora se requiere que la red eléctrica opere los gasoductos. Las redes eléctricas son necesarias para ejecutar las redes de datos, y ahora las redes de datos son necesarias para ejecutar las redes eléctricas.

Las redes eléctricas son necesarias para operar las redes de datos, y las redes de datos son necesarias para operar las redes eléctricas.

Este artículo investiga el concepto de seguridad energética centrándose en la red eléctrica, que se ha vuelto tan vital para las sociedades industriales como el petróleo. Además, la electrificación se considera una forma de disminuir la dependencia de los combustibles fósiles, como los vehículos eléctricos, las bombas de calor y los aerogeneradores.

La “seguridad” o “confiabilidad” de una red eléctrica se puede medir con precisión mediante indicadores de continuidad como la “Probabilidad de Pérdida de Carga” (LOLP) y el “Índice de Duración Promedio de Interrupción del Sistema” (SAIDI). Utilizando estos indicadores, solo se puede concluir que las redes eléctricas en las sociedades industriales son muy seguras. Por ejemplo, en Alemania, la electricidad está disponible el 99,996% del tiempo, lo que corresponde a una interrupción del servicio de menos de media hora por cliente al año.⁸ Incluso los países con peor rendimiento en Europa (Letonia, Polonia, Lituania) tienen escasez de suministro de sólo ocho horas por cliente al año, lo que corresponde a una confiabilidad del 99,90%.⁸ La red eléctrica de EE. UU. se encuentra entre estos valores, con interrupciones de suministro de menos de cuatro horas por cliente al año (confiabilidad del 99,96%).⁹

¿Qué tan segura es una red eléctrica renovable?

En la operación actual de las infraestructuras, el paradigma es que los consumidores podrían y deberían tener acceso a tanta electricidad, gas, petróleo, datos o agua como deseen, en cualquier momento que lo deseen y durante el tiempo que lo deseen. El único requisito es que paguen la factura. Mirando al sector eléctrico, esta visión de la seguridad energética es bastante problemática, por varias razones. En primer lugar, la mayoría de las fuentes de energía de las que se produce electricidad son finitas, y mantener un suministro constante de algo finito es, por supuesto, imposible. A largo plazo, la estrategia para mantener la seguridad energética está destinada a fracasar. A corto plazo, puede alterar el clima y provocar conflictos armados.

La Agencia Internacional de Energía (AIE), creada tras la primera crisis del petróleo a principios de la década de 1970, fomenta el uso de fuentes de energía renovable para diversificar el suministro de energía y mejorar la seguridad energética a largo plazo. Un sistema de energía renovable no depende de importaciones extranjeras de energía ni es vulnerable a manipulaciones en los precios del combustible, que son las principales preocupaciones en una infraestructura energética basada en gran medida en los combustibles fósiles. Por supuesto, los paneles solares y las turbinas eólicas tienen vidas útiles limitadas y deben fabricarse, lo que también requiere recursos que podrían provenir del extranjero o que pueden agotarse. Pero, una vez instalados, los sistemas de energía renovable son “seguros” de una manera y por un período de tiempo que los combustibles fósiles (y la energía atómica) no lo son.

Las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética.

Además, la energía solar y eólica brinda mayor seguridad en cuanto a fallos físicos o sabotajes, aún más cuando la producción de energía renovable está descentralizada. Las plantas de energía renovable también tienen emisiones de CO2 más bajas, y los eventos climáticos extremos causados por el cambio climático representan un riesgo para la seguridad energética. Sin embargo, a pesar de todas estas ventajas, las fuentes de energía renovable plantean desafíos fundamentales para la comprensión actual de la seguridad energética. Lo más importante es que las fuentes de energía renovable con mayor potencial, como el sol y el viento, solo están disponibles intermitentemente, según el clima y las estaciones. Esto significa que la energía solar y eólica no cumplen con el criterio que todas las definiciones de seguridad energética consideran esencial: la necesidad de un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía.

Imagen: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

La fiabilidad de una red eléctrica con un alto porcentaje de energía solar y eólica estaría significativamente por debajo de los estándares actuales de continuidad del servicio. ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ En una red eléctrica renovable de este tipo, el suministro de energía las 24 horas, los 7 días de la semana, solo se puede mantener a costos muy elevados, ya que requiere una infraestructura extensa para el almacenamiento de energía, la transmisión de energía y la capacidad de generación excedente. Esta infraestructura adicional corre el riesgo de hacer que una red eléctrica renovable sea insostenible, porque, por encima de un cierto umbral, la energía de los combustibles fósiles utilizada para construir, instalar y mantener esta infraestructura se vuelve más alta que la energía de los combustibles fósiles ahorrada por los paneles solares y las turbinas eólicas.

Las fuentes de energía renovable como el viento y el sol tienen ventajas que las definiciones actuales de seguridad energética no capturan

La intermitencia no es la única desventaja de las fuentes de energía renovable. Aunque muchos medios de comunicación y organizaciones medioambientales han pintado un panorama de la energía solar y eólica como fuentes abundantes de energía (“El sol entrega más energía a la Tierra en una hora de la que el mundo consume en un año”), la realidad es más compleja. El suministro “bruto” de energía solar (y eólica) es realmente enorme. Sin embargo, debido a su muy baja densidad de potencia, para convertir este suministro de energía en una forma útil, los paneles solares y las turbinas eólicas requieren magnitudes de espacio y materiales mucho mayores en comparación con las plantas de energía térmica, incluso si se incluye la extracción y distribución de combustibles. ¹⁵ Por lo tanto, una red eléctrica renovable no puede garantizar que los consumidores tengan acceso a tanta electricidad como deseen, incluso si las condiciones meteorológicas son óptimas.

¿Qué tan seguro es un sistema de energía fuera de la red?

Las políticas energéticas actuales relacionadas con la electricidad intentan conciliar tres objetivos: un suministro ininterrumpido e ilimitado de energía, la asequibilidad de los precios de la electricidad y la sostenibilidad ambiental. Una red eléctrica basada principalmente en combustibles fósiles y energía nuclear no puede lograr el objetivo de la sostenibilidad ambiental y solo puede alcanzar los otros objetivos siempre y cuando los proveedores extranjeros no corten los suministros o aumenten los precios de la energía (o mientras no se agoten las reservas nacionales o internacionales).

Sin embargo, una red eléctrica renovable tampoco puede conciliar estos tres objetivos. Para lograr un suministro ininterrumpido las 24 horas, los 7 días de la semana, la infraestructura debe ser sobredimensionada, lo que la hace cara e insostenible. Sin esa infraestructura, una red eléctrica renovable podría ser asequible y sostenible, pero nunca podría ofrecer un suministro ilimitado las 24/7. En consecuencia, si queremos una infraestructura de energía que sea asequible y sostenible, necesitamos redefinir el concepto de seguridad energética y cuestionar el criterio de un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido.

Si miramos más allá de las típicas infraestructuras centralizadas a gran escala en las sociedades industriales, queda claro que no todos los sistemas de provisión ofrecen un suministro ilimitado de recursos. La microgeneración fuera de la red, la producción y almacenamiento local de electricidad mediante baterías y paneles solares fotovoltaicos o aerogeneradores, es un ejemplo. En principio, los sistemas fuera de la red pueden dimensionarse de manera que estén “siempre encendidos”. Esto se puede lograr siguiendo el “método del peor mes”, que sobredimensiona la capacidad de generación y almacenamiento para que el suministro pueda satisfacer la demanda incluso durante los días más cortos y oscuros del año.

Ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad

Sin embargo, al igual que en una imaginaria red de energía renovable a gran escala, ajustar el suministro a la demanda en todo momento hace que un sistema fuera de la red sea muy costoso e insostenible, especialmente en climas con alta estacionalidad. ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ Por lo tanto, la mayoría de los sistemas fuera de la red se dimensionan según un método que busca un equilibrio entre confiabilidad, costo económico y sostenibilidad. El “método de dimensionamiento de la probabilidad de pérdida de carga” especifica un número de días al año en los que el suministro no coincide con la demanda. ¹⁹ ²⁰ ²¹ En otras palabras, el sistema se dimensiona no sólo según una demanda de energía proyectada, sino también según el presupuesto disponible y/o el espacio disponible.

Imagen: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Dimensionar un sistema de energía fuera de la red de esta manera genera reducciones significativas de costos, incluso si se reduce un poco la “confiabilidad”. Por ejemplo, un cálculo para una casa fuera de la red en España muestra que disminuir la confiabilidad del 99.75% al 99.00% produce una reducción del 60% en los costos, con beneficios similares para la sostenibilidad. El suministro se interrumpiría durante 87.6 horas al año, en comparación con las 22 horas en el sistema de mayor confiabilidad. ¹⁶

Según la comprensión actual de la seguridad energética, los sistemas de energía fuera de la red dimensionados de esta manera son un fracaso: el suministro de energía no siempre satisface la demanda de energía. Sin embargo, aquellos que viven fuera de la red no parecen quejarse de la falta de seguridad energética, al contrario. Hay una razón simple para esto: adaptan su demanda de energía a un suministro de energía limitado e intermitente.

En su libro de 2015 Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life, Phillip Vannini y Jonathan Taggart documentaron sus viajes por Canadá para entrevistar a alrededor de 100 hogares fuera de la red. ²² Entre sus observaciones más importantes se encuentra que aquellos que viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Quienes viven fuera de la red de manera voluntaria utilizan menos electricidad en general y se adaptan rutinariamente a su demanda de energía según el clima y las estaciones.

Por ejemplo, las lavadoras, aspiradoras, herramientas eléctricas, tostadoras o consolas de videojuegos no se usan en absoluto o solo se utilizan durante períodos de abundante energía, cuando las baterías ya no pueden almacenar más carga. Si el cielo está nublado, quienes viven fuera de la red actúan de manera diferente para consumir menos energía y tener algo más para el día siguiente. Vannini y Taggart también observan que quienes viven fuera de la red de manera voluntaria parecen sentirse perfectamente satisfechos con niveles de iluminación o calefacción diferentes a los estándares que muchos en el mundo occidental han llegado a esperar. A menudo, esto se manifiesta en la concentración de actividades alrededor de fuentes de calor y luz más localizadas. ²²

Observaciones similares se pueden hacer en lugares donde las personas, de manera involuntaria, dependen de infraestructuras que no están siempre en funcionamiento. Si las redes centralizadas de agua, electricidad y datos están presentes en países menos industrializados, a menudo se caracterizan por interrupciones regulares e irregulares en el suministro. ²³ ²⁴ ²⁵ Sin embargo, a pesar de la muy baja confiabilidad de estas infraestructuras, según los indicadores comunes de continuidad, la vida continúa. Las rutinas diarias en los hogares se adaptan a las interrupciones de los sistemas de suministro, que se perciben como normales y una parte en gran medida aceptada de la vida. Por ejemplo, si la electricidad, el agua o Internet solo están disponibles durante ciertas horas del día, las tareas domésticas u otras actividades se planifican en consecuencia. Además, las personas utilizan menos energía en general: la infraestructura simplemente no permite un estilo de vida intensivo en recursos. ²³

Más confiable, ¿menos seguro?

La muy alta “confiabilidad” de las redes eléctricas en las sociedades industriales se justifica mediante el cálculo del “valor de la carga perdida” (VOLL), que compara la pérdida financiera debido a las escaseces de energía con los costos adicionales de inversión para evitar estas escaseces. ¹ ¹⁰ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹ Sin embargo, el valor de la carga perdida depende en gran medida de cómo esté organizada la sociedad. Cuanto más dependa de la electricidad, mayores serán las pérdidas financieras debido a las escaseces de energía.

Las definiciones actuales de seguridad energética consideran que la oferta y la demanda no están relacionadas y se centran casi por completo en asegurar la oferta de energía. Sin embargo, las formas alternativas de infraestructuras energéticas, como las descritas anteriormente, demuestran que las personas se adaptan y ajustan sus expectativas a un suministro de energía limitado y no siempre disponible. En otras palabras, la seguridad energética se puede mejorar no solo aumentando la confiabilidad, sino también reduciendo la dependencia de la energía.

Imagen: Terminal de almacenamiento de gas natural. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

La demanda y la oferta también están interconectadas y se influyen mutuamente en sistemas eléctricos 24/7, pero con el efecto opuesto. Al igual que las infraestructuras de energía “no confiables” fuera de la red fomentan estilos de vida menos dependientes de la electricidad, las infraestructuras “confiables” fomentan estilos de vida que dependen cada vez más de la electricidad.

Las sociedades industriales con redes eléctricas “confiables” son, de hecho, las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro.

En su libro de 2018 Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies, Olivier Coutard y Elizabeth Shove argumentan que un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido ha permitido que las personas en las sociedades industriales adopten una multitud de tecnologías dependientes de la energía, como lavadoras, aires acondicionados, refrigeradores, puertas automáticas o acceso a Internet móvil las 24 horas del día, los 7 días de la semana, que se vuelven “normales” y centrales para la vida cotidiana. Al mismo tiempo, formas alternativas de hacer las cosas, como lavar la ropa a mano, almacenar alimentos sin electricidad, mantenerse fresco sin aire acondicionado o navegar y comunicarse sin teléfonos móviles, han desaparecido o están desapareciendo.

Como resultado, la seguridad energética es, de hecho, mayor en los sistemas de energía fuera de la red y en infraestructuras de energía central “no confiables”, mientras que las sociedades industriales son las más débiles y frágiles frente a las interrupciones en el suministro. Lo que generalmente se asume como una prueba de seguridad energética, un suministro de energía ilimitado e ininterrumpido, en realidad está volviendo a las sociedades industriales cada vez más vulnerables a las interrupciones en el suministro: las personas carecen cada vez más de las habilidades y la tecnología para funcionar sin un suministro continuo de energía.

Redefiniendo la seguridad energética

Para llegar a una definición más precisa de la seguridad energética, es necesario definir el concepto no en términos de commodities como kilovatios-hora de electricidad, sino en términos de servicios energéticos, prácticas sociales o necesidades básicas. ¹ Las personas no necesitan electricidad en sí misma. Lo que necesitan es almacenar alimentos, lavar la ropa, abrir y cerrar puertas, comunicarse entre sí, moverse de un lugar a otro, ver en la oscuridad, y así sucesivamente. Todas estas cosas se pueden lograr ya sea con o sin electricidad, y en el primer caso, con más o menos electricidad.

Definida de esta manera, la seguridad energética no se trata solo de asegurar el suministro de electricidad, sino también de mejorar la resiliencia de la sociedad, de manera que dependa menos de un suministro continuo de energía. Esto incluye la resiliencia de las personas (¿tienen las habilidades para hacer cosas sin electricidad?), la resiliencia de dispositivos y sistemas tecnológicos (¿pueden manejar un suministro intermitente de energía?), y la resiliencia de las instituciones (¿es legal operar una red eléctrica que no está siempre encendida?). Dependiendo de la resiliencia de la sociedad, una interrupción del suministro eléctrico puede o no conducir a una interrupción de los servicios energéticos o prácticas sociales.

Por ejemplo, aunque nuestro sistema de distribución de alimentos depende de una cadena de frío que requiere un suministro continuo de energía, existen muchas alternativas. Podríamos adaptar los refrigeradores a un suministro eléctrico irregular aislando mucho mejor, podríamos reintroducir bodegas frías (que mantienen los alimentos frescos sin electricidad), o podríamos volver a aprender métodos antiguos de almacenamiento de alimentos, como la fermentación. También podríamos mejorar las habilidades de las personas en términos de cocina fresca, cambiar a dietas basadas en ingredientes que no necesitan almacenamiento en frío y fomentar las compras diarias locales en lugar de viajes semanales a grandes supermercados.

Para mejorar la seguridad energética, debemos volver menos confiables las infraestructuras.

Si examinamos la seguridad energética de manera más integral, teniendo en cuenta tanto la oferta como la demanda, rápidamente queda claro que la seguridad energética en las sociedades industriales sigue deteriorándose. Seguimos delegando cada vez más tareas a máquinas, computadoras e infraestructuras a gran escala, aumentando así nuestra dependencia de la electricidad. Además, Internet se está volviendo tan esencial como la red eléctrica, y tendencias como la computación en la nube, el Internet de las cosas y los vehículos autónomos se basan en varias capas interconectadas de infraestructuras que operan de manera continua.

Imagen: Una línea eléctrica abandonada.[Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Porque la demanda y la oferta se influyen mutuamente, llegamos a una conclusión contraintuitiva: para mejorar la seguridad energética, necesitamos hacer que la red eléctrica sea menos confiable. Esto fomentaría la resiliencia y la sustitución, haciendo que las sociedades industriales sean menos vulnerables a las interrupciones en el suministro. Coutard y Shove argumentan que “tendría sentido prestar más atención a las oportunidades de innovación que surgen cuando los grandes sistemas de red se debilitan y abandonan, o cuando se vuelven menos confiables”. Añaden que las experiencias de quienes viven sin conexión a la red “brindan algunas ideas sobre los tipos de configuración en juego”. ³⁰

Argumentar a favor de un suministro eléctrico menos confiable seguramente generará controversia. De hecho, la frase “Mantener las luces encendidas” se utiliza a menudo para justificar reformas energéticas como la construcción de más plantas atómicas o mantenerlas en funcionamiento más allá de sus vidas útiles planificadas. Para lograr una seguridad energética real, “mantener las luces encendidas” debería ser reemplazado por frases como “mantener algunas de las luces encendidas”, “¿cuáles luces deberíamos apagar a continuación?” o “¿qué tiene de malo un poco más de oscuridad?”. ³¹ Obviamente, un suministro de energía menos confiable traería cambios fundamentales a las rutinas y tecnologías, ya sea en hogares, fábricas, sistemas de transporte o redes de comunicación – pero ese es precisamente el punto. Las formas de vida actuales en las sociedades industriales simplemente no son sostenibles.

Este artículo fue originalmente escrito para el Centro de Demanda del Reino Unido.

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Historia y Futuro de la Economía del Aire Comprimido

Tue, 15 May 2018 00:00:00 +0000

El almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) se considera un componente importante de una red de energía renovable, ya que podría almacenar el excedente de energía producido por las turbinas eólicas y paneles solares a gran escala. Sin embargo, en su forma actual, esta tecnología sufre de grandes perdidas de energía y depende del gas natural para operar. Un vistazo a la historia del aire comprimido deja en claro que esto no es inevitable.

A pesar de que nuestros antepasados dependían de una tecnología menos eficiente energéticamente, usaron aire comprimido en configuraciones mas inteligentes que tenían menos perdidas de conversión de energía y eran independientes de los combustibles fósiles. Estos sistemas históricos son la clave para el diseño de un medio de almacenamiento de energía de baja tecnología, con bajo costo, robusto, sostenible y relativamente eficiente en energía. La economía del aire comprimido podría ser la alternativa práctica y realista al hidrógeno o a la utopía de una sociedad basada 100% en energía electrica.

La promesa del aire comprimido

Si bien el potencial de la energía eolica y solar es mas que suficiente para abastecer la demanda de electricidad de las sociedades industriales, estos recursos solo están disponibles de manera intermitente - es una forma de lidiar con la variabilidad e incertidumbre de la energía renovable, pero esta tiene sus límites. Por lo tanto, una red electrica renovable necesita poder almacenar energía, y lo mismo ocurre con un sistema fuera de la red eléctrica basado en energía solar o eólica.

Hoy, más del 99% de la capacidad de almacenamiento electrico mundial consiste en plantas de almacenamiento de energía hidroelectrica, donde la energía electrica excedente de las plantas de energía solar o eólica se almacena para su posterior uso bombeando agua desde un depósito inferior a uno superior.

El almacenamiento de energía hidroelectrica por bombeo es bastante eficiente y de baja tecnología, pero requiere una geografía adecuada para dos masas de agua grandes, separadas verticalmente, y una o dos presas. También inunda grandes áreas de tierra. Los sitios más adecuados ya están en uso, lo que significa que hay poco potencial para un mayor crecimiento. ¹ ²

Es por eso que muchas personas ven una alternativa prometedora en el Almacenamiento de Energía de Aire Comprimido (CAES), como forma de almacenamiento de energía mecanica. En estos sistemas, la electricidad se utiliza para comprimir el aire, que se almacena en una caverna subterranea. Para hacer uso de la energía almacenada, el aire se descomprime y se convierte nuevamente en electricidad.

Aunque CAES tambien requiere una geografía favorable para proporcionar las cavernas de almacenamiento de aire subterráneo, se cree que hay mas sitios adecuados para ello en todo el mundo que para el almacenamiento de agua para la generacion de energia hidroeléctrica. ³

Si la energía almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento se compara con la cantidad de energía primaria requerida para construir el dispositivo, CAES es muy superior a las baterías electroquímicas

Es importante destacar que CAES es el almacenamiento de energía mas sostenible que existe. A diferencia del almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada, el almacenamiento de energía de aire comprimido no presenta problemas ambientales causados por la inundación de la tierra y el embalse de los ríos.

Además, si la energía almacenada durante la vida útil de un dispositivo de almacenamiento se compara con la cantidad de energía primaria requerida para construir el dispositivo, CAES supera el almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada y es muy superior a las baterías electroquímicas, que requieren 10 a 100 veces más energía incorporada para una capacidad de almacenamiento dada. ³

Esta es una ventaja crucial, ya que el alto consumo de energía para la produccio n de almacenamiento de energía puede disminuir en gran medida la sostenibilidad de una red electrica renovable.

El problema con el aire comprimido

A pesar de estas ventajas, actualmente solo hay dos plantas de CAES a gran escala en funcionamiento en todo el mundo: una en Alemania, construida en 1979 y otra en los EE. UU., Construida en 1991. ⁴ Esta aceptación limitada se atribuye principalmente al hecho que más de la mitad de la energía se pierde al cargar y descargar una “batería” de aire comprimido.

Mientras que el almacenamiento de energía hidroelectrica bombeada tiene una eficiencia de carga / descarga del 70-85%, y las baterías químicas alcanzan el 65- 90%, las plantas de CAES en operación en Alemania y EE. UU. Tienen una eficiencia electrica a electrica de solo 40-42% y 51-54%, respectivamente. ² ⁵ ⁶

La baja eficiencia de conversión de energía se debe principalmente a que la temperatura del aire aumenta cuando se comprime a altas presiones (ambas plantas CAES operan a 50-70 bar, que es de 10 a 20 veces la presión de aire en un neumatico de bicicleta). Debido a que la densidad de energía del aire disminuye con el aumento de la temperatura, ambas plantas CAES eliminan el calor antes del almacenamiento y lo expulsan a la atmósfera. Esto implica una importante fuente de perdida de energía. ⁷ ⁸

Además, cuando el aire se descomprime a alta presión, la temperatura disminuye hasta tal punto que el vapor de agua en el aire puede congelarse, perjudicando las válvulas y el expansor del sistema de almacenamiento. Para prevenir esto, y para aumentar la potencia de salida, ambas plantas de CAES calientan el aire en calentadores usando combustible de gas natural antes de la expansión. Obviamente, esto reduce aún más la eficiencia energética del proceso global, haciendo que los actuales sistemas CAES sean completamente dependientes de los combustibles fósiles para su funcionamiento. ¹ ⁷ ⁹

Una eficiencia de conversión de 40-50% significa que la capacidad de generación de energía eólica o solar debe duplicarse para compensar esa pérdida. En consecuencia, necesitamos más energía, más materiales y más espacio para la misma producción de energía. La amigabilidad ambiental de CAES por lo tanto, disminuye por su baja eficiencia.

Además, la baja eficiencia de conversión de energía de CAES esta intrínsecamente relacionada con su baja densidad de energía, lo que significa que depende de depósitos de almacenamiento muy grandes. En principio, la densidad de energía del aire comprimido puede mejorarse mucho utilizando presiones de aire mas altas, pero a medida que aumenta la presión de aire, se convierte más energía en calor residual y la eficiencia de todo el proceso se deteriora aún más. En consecuencia, un sistema CAES, en su configuración actual, es siempre un compromiso entre la eficiencia y la densidad de energía.

4.000 años de historia

En un contexto histórico, la muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales de almacenamiento de energía de aire comprimido es notable. El uso de aire comprimido data de hace más de 4.000 años y siempre ha sido un importante impulsor del progreso tecnológico. Aunque estas aplicaciones históricas no estaban dirigidas al almacenamiento de energía, ofrecen inspiración para mejorar tanto la eficiencia energetica como la densidad energética de los sistemas CAES actuales.

El uso más antiguo y posiblemente más importante del aire comprimido a lo largo de la historia ha sido la alimentación del fuego. Esto sucedio en la cocina y en todos los procesos de producción basados en calor, pero fue especialmente importante en los procesos de fabricación de metales. Un incendio de carbón desatendido podría alcanzar los 900°C, pero un potente suministro de aire forzado podría elevar su temperatura a casi 2000°C. ¹⁰

Aunque hay diferencias regionales importantes, la historia de la fundición de metales muestra una evolución desde metales con puntos de fusión relativamente bajos, como estaño (230°C), a metales con puntos de fusión más altos, primero cobre (1050°C) y luego hierro (1500°C).

Este progreso fue en parte impulsado por las mejoras en la tecnología de compresores de aire, que evolucionaron de bolsas de aire, cilindros y pistones de madera, y varias formas de fuelles, todos propulsados por humanos, hasta fuelles de acordeón mucho más grandes y potentes hechos de madera y pieles de toro , que eran de doble acción y operados por energía hidráulica. ¹¹

El progreso en la fundición de metales fue en gran parte impulsado por las mejoras en la tecnología de compresión de aire

Comenzando en la década de 1860 y continuando en los 1900, el aire comprimido (o “neumática”) fue el centro de otra revolución tecnológica. Esta vez, la neumática se estableció como la tecnología de transmisión de energía más versátil y ampliamente utilizada antes de la introducción de la electricidad. ¹²

Debido a que la energía eléctrica aún se distribuía a bajos voltajes: el aire esta disponible en cualquier lugar y su escape no presenta problemas, mientras que los sistemas hidráulicos requieren un suministro de agua suficiente y un medio para drenar el fluido después del uso.

Como tecnología de transmisión de energía, el aire comprimido se aplicó por primera vez en los túneles y la minería. Brindaba una respuesta a la necesidad de un taladro mecánico de roca para la construcción de canales y ferrocarriles, donde la construcción del túnel formaba un importante cuello de botella. Bajo severas condiciones, debido a la dureza de la roca, el avance del túnel con la perforación manual -con pico y explosivos- se midió en pulgadas por día, y los túneles de tan solo media milla de longitud podían tardar años en completarse. ¹²

En la nueva configuración, los motores de vapor comprimían aire sobre el suelo, y este era canalizado en los pozos o túneles. El avance de la transmisión de potencia de aire comprimido y las herramientas de perforación neumática ocurrió con la excavación del túnel Mont Cenis de 13,7 km de longitud en los Alpes, que se completó en solo 14 años (1857-1871). La tecnología se extendió rápidamente a la industria minera, especialmente en los EE. UU., donde el aire comprimido no solo funciona con perforadoras de roca sino también con otras maquinas, como las de transporte, bombeo y estampado. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

La red de aire comprimido de París

Con su efectividad demostrada de manera tan espectacular en la perforación de potencia, el aire comprimido se adaptoó a una gama cada vez mayor de operaciones industriales: martilleo, remachado, pintura y pulverización, manejo de presión de fluidos en el procesamiento entre una serie de otros usos. En los Estados Unidos, la neumática llegó a ser ampliamente introducida como un sistema de potencia auxiliar en la fabricación desde la década de 1880. El Censo de 1900 se refirió a la introducción generalizada de herramientas neumáticas pequeñas como posiblemente “el desarrollo de herramienta única más importante de la década”. ¹²

Casi al mismo tiempo en Europa, los franceses llevaron la transmisión de energía neumática un paso más alla al establecer una red de distribución de energía en toda la ciudad en París. Permanecería en uso durante ma s de 100 años (de 1881 a 1994), distribuyendo aire comprimido a una presión relativamente baja de 5-6 bar en una red de (eventualmente) más de 900 km, atendiendo a más de 10,000 clientes. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

La red de aire comprimido de París comenzó como un sistema diseñado exclusivamente para regular los relojes por impulsos de aire comprimido enviados a traves de tuberías subterráneas. En 1889, la red en París estaba regulando 8,000 relojes a través de 65 km de red. El servicio de regulación del reloj se retiró en 1927, después de que quedó claro que la electricidad era la energía más adecuada para el trabajo. Sin embargo, en ese momento, la red de aire comprimido en París había demostrado ser muy exitosa en pequeños establecimientos industriales y de servicios. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

Los franceses establecieron una red de distribución de energía en toda la ciudad en París, que atendió a más de 10.000 clientes y permaneció en uso durante 100 años.

Ya en 1892, F.E. Idell escribió que “entre los propósitos industriales más pequeños para los cuales se usan los motores de aire en París, encuentro la conducción de tornos para metal y madera, de sierras circulares, taladros, pulidoras y muchos otros. Tambien se utilizan en los talleres de carpinteros, ensambladores y ebanistas, herreros, fabricantes de paraguas, fabricantes de collares, encuadernadores y, naturalmente, en muchos lugares donde se utilizan máquinas de coser, tanto por modistas, sastres, y zapateros, desde la más pequeña hasta la más grande". ¹⁸

Central energetica de la red de aire comprimido en París. Fuente: [Museo de Retrotecnología](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm)

Con los años, la energía eléctrica se volvió más importante y el uso comercial y doméstico del aire comprimido disminuyó. Sin embargo, el consumo industrial de aire comprimido siguió creciendo y muchas fábricas grandes en París , desde fabricantes de automóviles hasta fabricantes de vidrio, estuvieron conectadas a la red de distribución de energía hasta el final. Los dentistas se convirtieron en nuevos usuarios durante los años setenta y ochenta. ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸

Primera lección: evitar las conversiones de energía

¿Qué se puede aprender al comparar tecnologías historicas y actuales basadas en aire comprimido? Una primera y crucial diferencia es la cantidad de conversiones de energía involucradas. En los sistemas históricos, la energía mecánica (por ejemplo, de una noria o una máquina de vapor) se convertía directamente en aire comprimido (utilizando un compresor de aire) y luego, con mayor frecuencia, se convertía de nuevo en energía mecánica (por ejemplo, moviendo un martillo neumático) En consecuencia, solo hubo dos fuentes de pérdida de conversión de energía: en el compresor de aire y en el expansor de aire.

El aire comprimido sigue siendo vital para la productividad de muchas industrias y servicios en todo el mundo y se utiliza en miles de aplicaciones, desde el envasado de alimentos y la fundicón de metales hasta la fabricación de microchips y plásticos. Sin embargo, el aire comprimido ahora es producido por compresores de aire que funcionan con electricidad. Esto introduce dos fuentes adicionales de perdida de energía: el generador eléctrico (que convierte la energía mecanica de una fuente de energía en electricidad) y el motor eléctrico (que convierte la energía electrica en energía mecanica para hacer funcionar el compresor de aire). Como resultado, el uso industrial actual de aire comprimido es muy derrochador: suponiendo que cada convertidor tiene una eficiencia del 75% eficiente, y suponiendo que no haya otras pérdidas de energía, solo el 30% de la entrada de energía se convierte en una salida de energía útil. ¹⁹

En París, el aire comprimido se canalizaba a traves del sistema de alcantarillado.

La eficiencia general del sistema de las dos plantas CAES existentes es aún peor que eso: no solo existe el paso de conversión adicional al comienzo de la cadena (la perdida de energía en el generador del molino de viento y en el motor electrico que funciona con el compresor), sino también al final de la cadena. Esto contrasta con las aplicaciones industriales, donde el producto final es aire comprimido: una planta CAES convierte el aire comprimido nuevamente en electricidad.

Cuando se dice que la eficiencia de una planta de CAES es de 40-50%, esto solo se refiere a las pérdidas en el compresor de aire y el expansor de aire (eficiencia de electricidad a electricidad). Sin embargo, si incluimos las conversiones hacia y desde la electricidad, la eficiencia general del sistema disminuye a menos del 20%, asumiendo de nuevo que cada convertidor tiene una eficiencia del 75%.

Ahora imagine que una fábrica usa electricidad de una planta de CAES para alimentar sus compresores de aire industriales, un escenario perfectamente posible. Obtendríamos la siguiente cadena de conversión de energía: la energía mecánica se convierte en electricidad, la electricidad se convierte en aire comprimido, el aire comprimido se convierte en electricidad, la electricidad se convierte en aire comprimido y el aire comprimido se convierte en energía mecánica. Eso no es dos, ni cuatro, sino seis fuentes de pérdidas por conversion de energía. Suponiendo que cada convertidor es 75% eficiente, la eficiencia general del sistema ahora cae por debajo del 10%.

Si conectamos una planta de CAES directamente a una fábrica que usa herramientas neumáticas, al conectar el aire comprimido de una a otra, no habría necesidad de convertir aire comprimido en electricidad y volver.

Por otro lado, si conectamos una planta de CAES directamente a una fábrica que utiliza herramientas neumáticas, al conectar el aire comprimido de una a otra, sufriremos solo cuatro fuentes de pérdida de energía (generador, motor, compresor, expansor). En la planta de CAES, ya no es necesario convertir el aire comprimido almacenado en electricidad, mientras que en la fábrica no hay necesidad de comprimir el aire una segunda vez, utilizando electricidad. CAES y una fábrica podrían estar a una distancia de hasta 25 km, la distancia hasta la cual el aire comprimido se puede distribuir de manera eficiente.

Mapa. Fuente: [Museo de Retrotecnología](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/airnetwork/airnetwork.htm).

El siguiente paso sería comprimir el aire en una planta de CAES utilizando un enlace mecánico directo entre el molino de viento y el compresor de aire, omitiendo así la conversión de energía mecánica a electricidad y viceversa. Tal enfoque -que se ha demostrado a pequeña escala, en configuraciones ligeramente diferentes ⁸ ²⁰ ²¹, haría CAES completamente independiente de la electricidad y llevaría los pasos de conversión de energía a dos, como en todos los sistemas históricos. Las únicas pérdidas por conversión de energía restantes serían en el compresor de aire y en el expansor de aire.

Una conexión rígida entre el eje del molino de viento y el compresor de aire también mejoraría la eficiencia de una planta de CAES que no esta conectada a una fábrica sino que suministra electricidad para fines generales, aunque la ganancia de eficiencia sera menor. Obviamente, la compresión mecánica del aire solo funciona con molinos de viento y no con paneles solares fotovoltáicos, que no producen energía mecánica.

Segunda lección: usar calor y frío para otros fines

Una segunda diferencia relacionada entre los usos presentes e históricos del aire comprimido es cómo lidiar con las diferencias de temperatura causadas por la compresión y expansión del aire. Para mejorar la eficiencia, ambas plantas de CAES operativos usan múltiples compresores de aire. La compresión de múltiples etapas aumenta progresivamente la presión y enfría el aire después de cada etapa de compresión, utilizando agua circulante que se bombea a una torre de enfriamiento y se libera a la atmósfera. ²² ²³

En la actualidad, la mayoría de los ingenieros de CAES se centran en mejorar aún más la eficiencia mediante el uso del calor de compresión residual para recalentar el aire comprimido durante la expansión. Este me todo se llama “CAES Adiabático Avanzado” (AA-CAES) o “CAES sin combustible” y elimina la necesidad de recalentar con gas natural como en el CAES “diabático” estándar. Se espera que la tecnología alcance una eficiencia general de aproximadamente 70%, acercándola a la eficiencia de las baterías químicas y las plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo. ⁷

Sin embargo, AA-CAES sigue siendo una tecnología no probada hasta ahora: se han propuesto varias plantas, pero ninguna ha superado la etapa de diseño. ²² ²³ El problema es doble: primero, la mejora del proceso aumenta los costos de una planta de CAES del 20 al 40%; segundo, reutilizar el calor residual del proceso de compresión es un desafío tecnológico. Para transferir calor a una velocidad alta con una diferencia de temperatura mínima, se requiere un área de contacto muy grande. ⁷

En la red de energía de aire comprimido de París, el enfriamiento proporcionado por la expansión del aire se usó para la refrigeración, la congelación, la enfriamiento y la ventilación.

Si observamos los sistemas neumáticos más antiguos, vemos que hay otras maneras mas fáciles de aprovechar las diferencias de temperatura debido a la compresión y expansión. En la red de energía de aire comprimido de París, los ingenieros aprovecharon el enfriamiento que proporciona la expansión del aire. En París, el aire comprimido solía calentarse con coque antes de ser utilizado por un motor neumático, lo que aumentaba la producción de energía de una manera muy similar al uso de gas natural en los sistemas CAES actuales.

Sin embargo, en bares y restaurantes, estos recalentadores no fueron utilizados. En cambio, el aire frío se uso para fines de refrigeración, congelación, enfriamiento o ventilación. En 1892, F.E. Idell describió un restaurante de París donde el escape fue llevado a través de una chimenea de ladrillo en la bodega de cerveza. En este tiro, las garrafas se congelaban y se fabricaron grandes moldes de hielo en bloque para el uso en la mesa mientras el aire todavía estaba lo suficientemente frío al pasar a través de la bodega de cerveza para hacer innecesario el uso de hielo, incluso en el clima más cálido". ¹⁸

El uso de aire comprimido para enfriar o congelar a veces iba de la mano con la producción de electricidad para la iluminación y la conducción de una dínamo. En estos casos, los motores de aire básicamente se trabajaron para su escape, con la luz eléctrica que es el subproducto. Aprovechando las diferencias de temperatura también se utilizó en las aplicaciones mineras anteriores, donde el escape de los taladros de roca ayudó a enfriar (y ventilar) las minas.

Una idea similar y prometedora hoy en día es el almacenamiento de energía de aire comprimido combinado con almacenamiento térmico para proporcionar electricidad, calefacción, refrigeración, refrigeracio n y / o ventilacio n al mismo tiempo. De hecho, este enfoque tambien evita varias conversiones de energía, ya que podría reemplazar a los refrigeradores, congeladores, acondicionadores de aire y sistemas de calefacción que funcionan con electricidad. El método podría funcionar a nivel de un distrito de la ciudad o un área industrial ²³, pero es especialmente interesante para el almacenamiento de energía descentralizada, utilizando contenedores artificiales de almacenamiento sobre el suelo.

Como hemos visto, una presión de aire más alta puede reducir en gran medida el tamaño de un recipiente de almacenamiento de aire comprimido, pero solo a expensas del aumento del calor residual. En los edificios individuales, el espacio para los recipientes de almacenamiento es limitado, mientras que hay una gran demanda de calor y frío, además de electricidad. El aumento de la presión de aire hace que el recipiente de almacenamiento sea más pequeño y aumenta la producción de calor y frío, satisfaciendo todas las necesidades energéticas de un hogar.

Algunos diseños propuestos siguen otros enfoques para lidiar con el calor de la compresión, y estos podrían funcionar tanto para sistemas de CAES a gran escala como los de pequeña escala. Una idea interesante es un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido que funciona tanto con energía eólica como con energía solar. [24] La energía eólica se almacena en forma de aire comprimido por la cadena del compresor, como en las otras plantas CAES. Sin embargo, la energía solar de un plato parabólico se almacena en un tanque térmico solar aislado y se utiliza para recalentar el aire comprimido antes de la expansión. Debido a que el calor del proceso de compresión ya no es necesario para calentar el aire después de la expansión, este se usa para producir agua caliente.

Un concepto similar para un diseño híbrido de almacenamiento de energía de aire comprimido y térmico utiliza calefacción eléctrica en lugar de energía solar térmica. ²⁴ Debido a que la carga de trabajo en estos sistemas se desplaza de la conversión pura a la inversión parcial en el almacenamiento térmico, se pueden lograr densidades de energía muy superiores a las CAES tradicionales y se puede reducir el tamaño del almacenamiento de aire.

Tercera lección: mejorar el compresor de aire

Una tercera forma de mejorar la eficiencia del almacenamiento de energía de aire comprimido es mediante el uso de compresores de aire y expansores con mayor eficiencia energética. Esta estrategia es opuesta a la anterior. En lugar de aprovechar el calor y el frío para hacer que el sistema sea mas eficiente, trata de minimizar la producción de calor residual durante la compresión (y, en consecuencia, limitar el enfriamiento durante la expansión).

Una vez más, vale la pena mirar hacia el pasado en busca de inspiración. Sorprendentemente, el Santo Graal de la compresión del aire “isotérmico”, en el que no se produce ningún calor residual, se descubrió hace 400 años. El compresor de aire hidráulico – o “trompe”, como se conocía originalmente – era una invención italiana mencionada por primera vez por nombre en 1588, pero posiblemente ya se conocía en la Antiguedad.

Desde 1600 en adelante, docenas de “trompe” proporcionaron una ráfaga de aire continuo a los primeros hornos de fundición de hierro y bronce en el Pirineo franco-español. ²⁵ ²⁶ ²⁷ En comparación con una rueda hidráulica que funciona con un compresor de pistón de madera, este era aproximadamente tres veces más eficiente, lo que permite una mayor producción de hierro con menos recursos de energía hidráulica.

El “trompe” consistía en uno o mas tubos verticales de madera a través de los cuales el agua se canalizaba por gravedad. Después de su descenso, el agua absorbe aire a través de orificios en el tubo y actúa como un pistón continuo para comprimir el aire. En la parte inferior del tubo, el aire se separó del agua en un receptáculo, después de lo cual se envió a la boquilla del horno mediante presión ajustable. Sorprendentemente, el compresor de aire hidráulico produjo aire comprimido sin partes móviles, a excepción de las válvulas de compuerta para cerrar el flujo de agua entrante. Esto lo convirtió en un dispositivo extremadamente confiable. ²⁵ ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹

El compresor de aire hidráulico produjo aire comprimido sin partes móviles, lo que lo convirtió en un dispositivo extremadamente confiable y eficiente.

En el siglo XIX, el diseño del compresor de aire hidráulico se mejoró aún más, haciéndolo más eficiente y práctico. En 1861, se construyó un compresor de aire hidráulico para impulsar los taladros de roca para la construcción del túnel Mont Cenis en los Alpes, pero la tecnología alcanzó su apogeo solo a fines del siglo XIX, en la industria minera.

Durante un período de 33 años que comenzó en 1896, se construyeron dieciocho gigantescos compresores hidráulicos de aire, principalmente en los EE. UU., Canada, Alemania y Suecia. En la más grande de estas instalaciones, que se construyeron parcial o completamente bajo tierra, el agua y el aire cayeron a través de tuberías y pozos, excavados en las rocas, que podían tener mas de 100 metros de profundidad y hasta 4 metros de ancho. La presión de entrada ascendió a 8 bar y la potencia de salida podría llegar a 3.000 kilovatios. ²⁸ ²⁹ ³⁰

Las primeras instalaciones utilizaron una multitud de pequeñas tuberías de aire descendentes, como en el “trompe” original, mientras que las instalaciones posteriores usaban solo dos ejes. Las compuertas y las tuberías forzadas suministraban agua a las “cabezas mezcladoras” de aire y agua, las cuales podían tener diversos diseños, y el aire comprimido a menudo se subdividía para llegar a diferentes minas y se canalizaba a muchos kilómetros de distancia. La mayoría de los compresores de aire hidráulicos funcionaron durante décadas, el último hasta 1981. ²⁸ ³⁰

Las pruebas de rendimiento, realizadas periódicamente entre los años 1890 y 1950, reportan que la eficiencia de conversión de energía hidroeléctrica a neumática vario entre 53% y 88%. Una investigación más reciente ha reducido estos números al tomar en cuenta los efectos de solubilidad del gas, informando eficiencias de 40 a 78%. ²⁸ ²⁹ Aunque la compresión de aire hidráulico produce poco calor residual, se introduce un nuevo tipo de pérdida de energía: parte del aire se disuelve en el agua, evitando el proceso de separación aire-agua, reduciendo así el flujo de aire en la salida. ²⁸

Últimamente, el compresor de aire hidráulico ha suscitado un renovado interés. Un equipo de investigación canadiense desarrollo una plataforma de demostración de compresión de aire hidráulico de 30 m de altura en un antiguo pozo de ascensor de mina. ²⁸ ³¹ El “Proyecto Demostrador de HAC” (“The HAC demonstrator project” en inglés) mide y verifica el potencial de ahorro de energía de esta tecnología principalmente en aplicaciones para la minería. Sin embargo, también podría ser una alternativa para los compresores de etapas múltiples utilizados en la industria y en los sistemas CAES. Esto se debe a que el nuevo diseño también se puede configurar en de circuito cerrado, utilizando una bomba en lugar de una fuente de agua natural.

Aunque la bomba introduce un uso de energía extra, una configuración de circuito cerrado tiene dos ventajas importantes. En primer lugar, podría aplicarse en cualquier lugar, en lugar de tener que estar cerca de una fuente de agua explotable y una gran diferencia de altura. En segundo lugar, ofrece la oportunidad de suprimir los efectos indeseados de la física de la solubilidad, por ejemplo, mediante la adición de sal al agua circulante.

Según los investigadores, un compresor de aire hidráulico de circuito cerrado podría tener una eficiencia del 75%, teniendo en cuenta el uso de energía extra de la bomba. Esto es un 13% más eficiente que un compresor centrífugo de tres etapas, y las ventajas relacionadas al costo seran mayores debido a los menores requisitos de mantenimiento. ²⁸ ³¹

El compresor de aire hidráulico parece una combinación perfecta para sistemas CAES a gran escala con depósitos subterráneos. De hecho, muchos de los compresores de aire hidráulicos de los siglos XIX y XX utilizaron la cámara de separación de aire inferior también para el almacenamiento de energía de aire comprimido, en lo que podría considerarse el primer uso a gran escala de CAES. El almacenamiento, que podría ser de hasta 5.600 m3, se utilizo para satisfacer un exceso de demanda de aire a corto plazo, lo que significa que el compresor de aire hidráulico no tuvo que diseñarse para las cargas más grandes. ²⁹

El futuro del aire comprimido

Ninguna de estas ideas hará que las plantas de CAES sean 100% eficientes desde el punto de vista energético. Sin embargo, podrían ayudarlos a alcanzar eficiencias similares a las baterías, pero con problemas ambientales mucho menores y mucho menos consumo de energía. En el siguiente artículo, nos enfocaremos con más detalle en los sistemas CAES de pequeña escala, que prometen ser una alternativa sostenible a las baterías químicas en sistemas fuera de la red.

Gracias a George Fleming.

Chen, Haisheng, et al. “Compressed air energy storage.” Energy Storage-Technologies and Applications. InTech, 2013. https://www.intechopen.com/books/energy-storage-technologies-and-applications/compressed-air-energy-storage ↩︎ ↩︎
Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914010290 ↩︎ ↩︎
Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092. https://gcep.stanford.edu/pdfs/EES_reducingdemandsonenergystorage.pdf ↩︎ ↩︎
Solo una de estas plantas CAES se usa (parcialmente) para almacenar el excedente de energía eólica. Ambas fueron diseñadas como plantas de potencia pico con motivos económicos. ↩︎
Kaiser, Friederike. “Steady State Analyse of existing Compressed Air Energy Storage Plants.” Power and Energy Student Summit (PESS). Dortmund, Germany (2015). https://www.efzn.de/uploads/tx_wiwimitarbeiter/S02.2.pdf ↩︎
Las eficiencias más altas se alcanzan en condiciones de funcionamiento óptimas. La pérdida de eficiencia adicional es causada por el hecho de que durante la expansión, el depósito de almacenamiento se descarga y la presión disminuye. Mientras tanto, se requiere que la presión de entrada para el expansor varíe solo en un rango mínimo para garantizar una alta eficiencia durante la expansión. Para reunir ambos requisitos, el aire se puede almacenar en un tanque con presión excedente y reducir a la presión de entrada del expansor requerida, lo que obviamente está relacionado con la pérdida de eficiencia. ↩︎
Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage (AA-CAES), Energy Storage Association. Retrieved May 2018. http://energystorage.org/advanced-adiabatic-compressed-air-energy-storage-aa-caes ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617-628. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680 ↩︎ ↩︎
De hecho, las plantas CAES de hoy son esencialmente turbinas de gas convencionales en las que la compresión del aire de combustión se separa del proceso real de la turbina de gas. A diferencia de las turbinas de gas convencionales, que consumen aproximadamente dos tercios de su combustible de entrada para comprimir el aire en el momento de la generación de energía, CAES precomprime el aire con electricidad de bajo costo de la red eléctrica, en horas de menor actividad, y lo utiliza con algo combustible de gas para generar electricidad cuando sea necesario. ↩︎
Smil, Vaclav. “Energy in world history.” (1994). ↩︎
Ewbank, Thomas. A Descriptive and Historical Account of Hydraulic and Other Machines for Raising Water, Ancient and Modern: Including the Progressive Development of the Steam Engine. No. 32707. Tilt and Bogue, 1842. ↩︎
Nye, David E. “Hunter Louis C. and Bryant Lynwood. A History of Industrial Power in the United States, 1780–1930. Volume 3: The Transmission of Power. Cambridge, Mass, and London: MIT Press, 1991. Pp. xxv+ 596 ISBN 0-262-08198-9.” The British Journal for the History of Science 25.4 (1992): 476-477. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“The transmission and distribution of power from central stations by compressed air“. William Cawthorne Unwin, B. 1891. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Compressed air, its production, uses, and applications; comprising the physical properties of air from a vacuum to its highest pressure, its thermodynamics, compression, transmission and uses as a motive power“, Gardner D. Hiscox, 1909 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“La SUDAC, un siècle d’air comprimé au bord de la Seine“, Denis Cosnard, Des usines à Paris, 2011. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Histoire de la SUDAC (1877-1996)” (PDF), Tristan de la Broise & Florence Meffre, 1996 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“The transmission of power by compressed air“, Robert Zahner, 1890 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Compressed air: experiments upon the transmission of power by compressed air in Paris (Popp’s system)“, F.E. Idell, 1892 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Las conversiones de energía no son necesariamente algo malo. La transmisión de potencia mecánica no implica conversiones de energía, pero tiene pérdidas de energía muy elevadas cuando es transportada a largas distancias y cuando se subdivide para una gran cantidad de máquinas. Esta es la razón por la cual los llamados ” equipos de transmisión eólica y neumática” aparecieron en la escena en el siglo XIX. Aunque su conversión a otra forma de energía implica una pérdida de energía, esta pérdida se compensa , ya que su eficiencia es mucho mayor en la transmisión y subdivisión. Sin embargo, la combinación de dos equipos de transmisión eólica y neumática, como el aire comprimido y la electricidad, es un desperdicio por definición. ↩︎
Ibrahim, Hussein, et al. “Study and design of a hybrid wind–diesel-compressed air energy storage system for remote areas.” Applied Energy 87.5 (2010): 1749-1762. http://www.academia.edu/download/42460658/Study_and_design_of_a_hybrid_winddiesel-20160209-23813-kip9us.pdf ↩︎
Cheng, Jie. Configuration and optimization of a novel compressed-air-assisted wind energy conversion system. The University of Nebraska-Lincoln, 2016. https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?referer=https://www.google.es/&httpsredir=1&article=1081&context=elecengtheses ↩︎
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Hartenberg, R. S., and J. Denavit. “The fabulous air compressor.” Mach. Des 21 (1960): 168-170. ↩︎ ↩︎
Millar, Dean L. “A review of the case for modern-day adoption of hydraulic air compressors.” Applied Thermal Engineering 69.1-2 (2014): 55-77. ↩︎ ↩︎

Cómo Hacer Funcionar la Economía con el Clima

Thu, 21 Sep 2017 00:00:00 +0000

Antes de la Revolución Industrial, las personas ajustaban su demanda de energía en base a la oferta de la misma, la cual era variable. Nuestro sistema de transporte y comercio global, que dependía de barcos de vela, operaban solo cuando el viento soplaba, así como los molinos que proporcionaban nuestro alimento y energizaban muchos procesos de manufactura.

El mismo enfoque podría ser muy útil hoy en día, especialmente cuando es mejorado con tecnología moderna. En particular, las fábricas y el transporte de carga, como barcos e incluso trenes, podrían solo operarse cuando haya energía renovable disponible. Ajustar la demanda de energía a la oferta haría que el cambio a la energía renovable fuera mucho más realista de lo que es hoy.

Energía renovable en tiempos preindustriales

Antes de la Revolución Industrial, tanto la industria como el transporte dependían en gran medida de fuentes de energía renovable intermitentes. Los molinos de agua, los molinos de viento y los veleros han estado en uso desde la Antigüedad, pero los europeos llevaron estas tecnologías a su pleno desarrollo a partir del siglo XV en adelante.

En su apogeo, justo antes del despegue de la Revolución Industrial, habían en Europa aproximadamente 200,000 molinos accionados por el viento y 500,000 molinos accionados por el agua. Inicialmente, los molinos de agua y los molinos de viento se usaban principalmente para moler grano, una tarea laboriosa que se había hecho a mano durante muchos siglos, primero con la ayuda de piedras y luego con un molino de mano giratorio.

“Een zomers landschap” (“Un paisaje de verano”), pintura de Jan van Os.

Pronto los molinos accionados por agua y viento se adaptaron a procesos industriales destinados a aserrar madera, pulir vidrio, fabricar papel, taladrar tuberías, cortar mármol, cortar metal, afilar cuchillos, triturar tiza, moler mortero, fabricar pólvora, acuñar monedas, etc. . ¹ ² Los molinos de viento y agua también procesaron una gran cantidad de productos agrícolas: presionando aceitunas, descascarando cebada y arroz, moliendo especias y tabaco, y triturando linaza, colza y semillas de cáñamo para cocinar e iluminar.

Aunque el comercio internacional dependía de Fuentes intermitentes de viento, este fue crucial para muchas economías europeas antes de la Revolución Industrial.

Los llamados “molinos industriales de agua” se habían utilizado en la Antigüedad y fueron ampliamente adoptados en Europa en el siglo XV, pero los “molinos industriales de viento” aparecieron solo en los 1600 en los Países Bajos, un país que llevó la energía eólica al extremo. Los holandeses incluso aplicaron la energía eólica para recuperar tierras del mar, y todo el país se mantuvo seco mediante molinos de viento de funcionamiento intermitente hasta 1850. ²

Abraham Storck: Paisaje de un río con Pescadores en botes de remo, 1679.

El uso de la energía eólica para el transporte usando veleros, también prosperó desde el año 1500 en adelante, cuando los europeos “descubrieron” nuevas tierras. El transporte eólico apoyó un sistema de comercio internacional robusto, diverso y en constante expansión, tanto en productos a granel (como grano, vino, madera, metales, cerámica y pescado conservado), artículos de lujo (como metales preciosos, pieles, especias, marfil, sedas y medicinas) y esclavos humanos. ³

Aunque dependía de fuentes eólicas intermitentes, el comercio internacional fue crucial para muchas economías europeas. Por ejemplo, la industria de construcción naval holandesa, que se apoyaba en aproximadamente unas 450 serrerías eólicas, importó prácticamente todos sus víveres navales del Báltico: madera, alquitrán, hierro, cáñamo y lino. Incluso el suministro de alimentos podía depender del transporte impulsado por el viento. Hacia finales del siglo XVI, los holandeses importaron dos mil cargamentos de grano por año desde Gdansk. ³ Los veleros también fueron importantes para la pesca.

Tratando con la intermitencia en tiempos Pre-industriales

Aunque las fuentes de energía renovables variables fueron críticas para la sociedad europea durante los 500 años antes de que los combustibles fósiles tomaran el control, no habían ni baterías químicas, ni líneas de transmisión eléctrica ni capacidad de equilibrio de las centrales eléctricas de combustibles fósiles para manejar la energía variable del viento y el poder del agua. Entonces, ¿cómo lidiaron nuestros antepasados con la gran variabilidad de las fuentes de energía renovables?

Hasta cierto punto, contaban con soluciones tecnológicas para igualar la oferta de energía a la demanda de energía, tal como lo hacemos hoy. El nivel del agua en un río depende del clima y las estaciones. Los molinos flotantes y molinos situados en puentes se encontraban entre las primeras soluciones tecnológicas para este problema. Subiendo y bajando junto con el nivel del agua, les permitía mantener un régimen operativo más predecible. ¹ ⁴

Hasta cierto punto, nuestros antepasados contaban con soluciones tecnológicas para igualar la oferta de energía a la demanda, tal como lo hacemos hoy.

Sin embargo, la potencia hidráulica podría almacenarse para un uso posterior. Comenzando en la Edad Media, se construyeron presas, o azudes, para crear estanques, una forma de almacenamiento de energía similar a los depósitos de energía hidroeléctrica de hoy en día. Los depósitos de almacenamiento igualaron el flujo de arroyos y ríos y aseguraron que el agua estuviera disponible cuando fuese necesario. ⁴ ⁵

Molino movido por caballos, una pintura de James Herring. Ca. 1850.

Pero los ríos aún podrían secarse o congelarse durante períodos prolongados, haciendo inútiles las represas y las ruedas hidráulicas ajustables. Además, no habían soluciones disponibles de este tipo para los molinos de viento. ² ⁶ ⁷

Una solución tecnológica para la intermitencia del agua y la energía eólica era el “molino de tracción a sangre” o “molino de caballos”. ⁸ En contraste con la energía eólica y hidráulica, se puede contar con caballos, burros o bueyes para suministrar energía cuando sea necesario. Sin embargo, los molinos de bestias eran caros e ineficientes energéticamente: alimentar a un caballo requería un área de tierra capaz de alimentar a ocho humanos. ⁹ En consecuencia, el uso de la potencia animal en procesos de fabricación a gran escala era raro. Los molinos de tracción a sangre se usaban principalmente para la molienda de granos o como fuente de energía en talleres pequeños, utilizando animales de tiro. ¹

Obviamente, los molinos de tracción a sangre tampoco eran una fuente de energía de respaldo viable para barcos de vela. En principio, los veleros podrían usar la energía humana cuando el viento no estuviera disponible. Sin embargo, una cuadrilla de remo suficientemente grande necesitaba agua y alimentos adicionales, lo que habría limitado el alcance del buque o su capacidad de carga. Por lo tanto, el remo estaba restringido principalmente a barcos de guerra y botes más pequeños.

Ajustando la demanda a la oferta: Fábricas

Debido a las limitadas opciones tecnológicas que nuestros antepasados tenían para hacer frente a la variabilidad de las fuentes de energía renovables, recurrieron principalmente a una estrategia que hemos olvidado en gran medida: adaptaron su demanda de energía a la oferta variable de energía. En otras palabras, aceptaron que la energía renovable no siempre estaba disponible y actuaron en consecuencia. Por ejemplo, los molinos de viento y los veleros simplemente no se operaban cuando no había viento.

Pintura: [Molinos en Westzijderveld, cerca de Zaandam](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Claude_Monet_Mills_in_the_Westzijderveld_near_Zaandam.jpg), una pintura de Claude Monet.

En los molinos de viento industriales, se trabajaba cada vez que soplaba el viento, incluso si eso significaba que el molinero tenía que trabajar día y noche, tomando cortas siestas. Por ejemplo, un documento revela que en el Union Mill en Cranbrook, Inglaterra, el molinero solo durmió tres horas durante un período ventoso que duró 60 horas. ² Un libro de 1957 sobre molinos de viento, en parte basado en entrevistas con los últimos molineros supervivientes, revela la urgencia de usar el viento cuando estaba disponible:

A menudo, cuando soplaba el viento en otoño, el molinero trabajaba desde el domingo a la medianoche hasta el martes por la noche, desde el miércoles por la mañana hasta el jueves por la noche, y desde el viernes por la mañana hasta el sábado a medianoche, tomando solo algunos momentos de sueño; y un buen molinero siempre se despertaba cuando el viento soplaba, levantándose en la mitad de la noche para poner en marcha el molino, porque el viento era su capataz y debía aprovecharse cada vez que soplaba. Muchas veces, a un pueblo le ha faltado el pan de trigo porque el molino local estaba en un distrito sin agua antes de la invención de la máquina de vapor; y el pan de harina de cebada o incluso el pan de patata tenían que ser suficientes en la crisis de un otoño sin viento. ¹⁰

En el pasado, tiempos más conservadores, un molinero era castigado por trabajar el domingo, pero a este no siempre le importó. Cuando se realizó una protesta contra el trabajo dominical del Sr. Wade del molino de Wicklewood, Norfolk, él replicó: “Si el Señor es lo suficientemente bueno como para enviarme viento un domingo, lo voy a usar”. ¹¹ Por otro lado, cuando no había viento, los molineros hacían otros trabajos, como mantener su maquinaria, o tomarse un tiempo libre. Noah Edwards, el último molinero de la torre de molinos Arkley en Hertfordshire, se “sentaría en el escenario de una buena tarde y tocaría el violín”. ¹¹

Ajustando la demana a la oferta: Barcos de vela

Un enfoque similar existía para los viajes en altamar, utilizando veleros. Cuando no había viento, los marineros se quedaban en tierra, mantenían y reparaban sus barcos, o hacían otras cosas. Planeaban sus viajes según las estaciones, haciendo uso de vientos y corrientes estacionales favorables. Los vientos en el mar no solo son mucho más fuertes que los terrestres, sino también más predecibles.

Los marineros planeaban sus viajes según las estaciones del año, haciendo uso de los vientos y corrientes más favorables.

La atmósfera baja del planeta, la tropósfera, está rodeada por seis cinturones de viento principales, tres en cada hemisferio. Desde el ecuador hasta los polos, estos “vientos dominantes” son los vientos alisios, los vientos del oeste y los vientos del este. Los seis cinturones de viento se mueven hacia el norte durante el verano en el hemisferio norte y hacia el sur durante el invierno boreal. Cinco grandes corrientes marinas están correlacionados con los flujos de viento dominantes.

El Mass en Dordrecht, pintura de Aelbert Cuyp, 1660.

Poco a poco, los navegantes europeos descifraron el patrón global de los vientos y las corrientes y aprovecharon esta información para establecer nuevas rutas marítimas en todo el mundo. Para el año 1500, Cristóbal Colón había descubierto que la combinación de vientos alisios y vientos del oeste permitía una ruta de ida y vuelta para los veleros cruzando el océano Atlántico.

Los vientos alisios alcanzan su latitud más septentrional en/o después del final del verano septentrional, poniéndolos al alcance de España y Portugal. Estos vientos alisios de verano facilitaron la navegación desde el sur de Europa hasta el Caribe y América del Sur, porque el viento soplaba en esa dirección a lo largo de la ruta.

Mapa de vientos del Atlántico, 9 de Septiembre del 2017. Fuente: [Windy](https://www.windy.com)

Tomar la misma ruta de regreso sería casi imposible. Sin embargo, los marineros ibéricos primero navegaron hacia el norte para atrapar los vientos del oeste, que alcanzan su ubicación más al sur en/o después del final del invierno, y estos llevaron a los marineros directamente al sur de Europa. En la década de 1560, el explorador vasco Andrés de Urdaneta descubrió una ruta de ida y vuelta similar en el Océano Pacífico. ¹²

El uso de vientos favorables hizo que los tiempos de viaje de los veleros fueran relativamente fidedignos. El cruce del océano Atlántico mas rápido fue de 21 días, el más lento de 29 días.

El uso de vientos favorables hizo que los tiempos de viaje de los veleros fueran relativamente predecibles. Ocean Passages for the World menciona que los tiempos típicos de Nueva York al Canal de la Mancha para un velero de mediados del siglo XIX a principios del siglo XX fue de 25 a 30 días. De 1818 a 1832, el cruce más rápido fue de 21 días, el más lento de 29 días. ¹³

El viaje del Canal de la Mancha a Nueva York tomaba 35-40 días en invierno y 40-50 días en verano. Para Ciudad del Cabo, Melbourne y Calcuta tomaba 50-60 días, 80-90 días y 100-120 días, respectivamente. ¹³ Estos tiempos de viaje son el doble o el triple de los de los portacontenedores actuales, que varían su velocidad en función de los precios del petróleo y la demanda económica.

Viejo Enfoque, Nueva Tecnología

Como estrategia para tratar con fuentes de energía variables, ajustar la demanda de energía a la oferta de energía renovable es hoy una solución tan valiosa como lo era en tiempos preindustriales. Sin embargo, esto no significa que tengamos que volver a los medios preindustriales. Tenemos una mejor tecnología disponible, lo que hace que sea mucho más fácil sincronizar las demandas económicas con los caprichos del clima.

Navegando en la calma, pintura de Charles Brooking, primera mitad del siglo XVIII.

En los párrafos siguientes, investigo más detalladamente cómo la industria y el transporte podrían operar solo con fuentes de energía variable, y demostrar cómo las nuevas tecnologías abren nuevas posibilidades. Luego concluyo analizando los efectos sobre los consumidores, los trabajadores y el crecimiento económico.

Manufactura Industrial

A escala mundial, la manufactura industrial representa casi la mitad de todo el consumo energético. Muchos procesos mecánicos que fueron manejados por molinos de viento siguen siendo importantes hoy en día, como serrar, cortar, perforar, triturar, martillar, afilar, pulir, fresar, tornear, etc. Todos estos procesos de producción se pueden ejecutar con una fuente de energía intermitente.

Lo mismo ocurre con los procesos de producción de alimentos (trituración o descascarado de granos, prensado de aceitunas y semillas), minería y excavación (recolección y paleo, trituración de rocas y minerales) o producción textil (relleno de tela, preparación de fibras, tejido y tejido). En todos estos ejemplos, la entrada de energía intermitente no afecta la calidad del proceso de producción, solo la velocidad de producción.

Muchos procesos industriales no se ven fuertemente afectados debido al suministro de energía de forma intermitente.

Ejecutar estos procesos con fuentes de energía variables se ha vuelto mucho más fácil de lo que era en épocas anteriores. Las plantas de energía eólica están ahora completamente automatizadas, mientras que el molino de viento tradicional requiere atención constante. ¹⁴

Imagen: “Travailler au moulin / Werken met molens/ Trabajando con molinos”, Jean Bruggeman, 1996.

Sin embargo, no solo las turbinas eólicas (y las turbinas hidráulicas) son más prácticas y poderosas que en épocas anteriores, ahora podemos utilizar la energía solar para producir energía mecánica. Esto se hace generalmente con paneles solares fotovoltaicos, que convierten la luz solar en electricidad para hacer funcionar un motor eléctrico.

En consecuencia, una fábrica que requiere energía mecánica puede funcionar con una combinación de energía eólica y solar, lo que aumenta las posibilidades de que haya suficiente energía para hacer funcionar su maquinaria. La capacidad de recolectar energía solar es importante porque es la fuente de energía renovable más ampliamente disponible. La mayor parte de la capacidad energética del agua ya está siendo utilizada. ¹⁵

Energía Térmica

Otra diferencia crucial con los tiempos preindustriales es que podemos aplicar la misma estrategia a los procesos industriales básicos que requieren energía térmica en lugar de energía mecánica. El calor domina el uso de energía industrial, por ejemplo, en la fabricación de productos químicos o microchips, o en la fundición de metales.

En tiempos preindustriales, los procesos de fabricación que requerían energía térmica se alimentaban de la quema de biomasa, turba y/o carbón. El uso de estas fuentes de energía causó graves problemas, como la deforestación a gran escala, la pérdida de tierras y la contaminación del aire. Aunque la energía solar se usó en épocas anteriores, por ejemplo, para evaporar sal a lo largo de las costas, para secar cultivos para su conservación o para secar el barro en ladrillos de arcilla, su uso se limitó a procesos que requerían temperaturas relativamente bajas.

Podemos aplicar la misma estrategia a los procesos industriales básicos que requieren energía térmica en lugar de energía mecánica, lo cuál no era posible antes de la Revolución Industrial.

En la actualidad, las energías renovables distintas de la biomasa pueden ser utilizadas para producir energía térmica de dos maneras. En primer lugar, podemos usar turbinas eólicas, turbinas hidráulicas o paneles solares fotovoltaicos para producir electricidad, que luego puede usarse para producir calor mediante resistencia eléctrica. Esto no era posible en la época preindustrial, porque no había electricidad.

Imprenta accionada mediante energía solar de Augustin Mouchot,1882.

En segundo lugar, podemos aplicar directamente el calor solar, utilizando colectores de placas planas a base de agua o colectores de tubos de vacío, que recogen la radiación solar desde todas las direcciones y pueden alcanzar temperaturas de 120 grados centígrados. También tenemos colectores de concentrador solar, que rastrean el sol, concentran su radiación y pueden generar temperaturas lo suficientemente altas como para fundir metales o producir microchips y células solares. Estas tecnologías solares solo estuvieron disponibles a finales del siglo XIX, siguiendo los avances en la fabricación de vidrio y espejos.

Almacenamiento de Energía Limitada

La ejecución de procesos en fábricas utilizando fuentes de energía variables no excluye aprovechar del almacenamiento de energía o plantas de energía de respaldo para el despacho de la misma. Ajustar la demanda a la oferta debe tener prioridad, pero otras estrategias pueden ser un apoyo. En primer lugar, el almacenamiento de energía o la capacidad de generación de energía de respaldo podrían ser útiles para procesos de producción críticos que no pueden detenerse durante períodos prolongados, como la producción de alimentos.

En segundo lugar, el almacenamiento de energía a corto plazo también es útil para ejecutar procesos de producción que están en desventaja debido a un suministro de energía intermitente. ¹⁶ En tercer lugar, el almacenamiento de energía a corto plazo es crucial para los procesos de fabricación controlados por computadora, permitiendo que sigan funcionando durante breves interrupciones en la fuente de alimentación y que las computadoras se apaguen de forma segura en caso de cortes de energía más prolongados. ¹⁷

Binnenshaven Rotterdam, una pintura de Jongkind Johan Berthold (1857)

En comparación con los tiempos preindustriales, ahora tenemos más y mejores opciones de almacenamiento de energía disponibles. Por ejemplo, podemos usar biomasa como fuente de energía de respaldo para la producción de energía mecánica, algo que los molineros preindustriales no podían hacer: antes de la llegada de la máquina de vapor, no había forma de convertir la biomasa en energía mecánica.

Antes de la llegada de la máquina de vapor, no había forma de convertir la biomasa en energía mecánica.

También contamos con baterías químicas, y sistemas de baja tecnología como volantes de motor (flywheels), almacenamiento de aire comprimido, acumuladores hidráulicos y plantas de almacenamiento por bombeo. La energía térmica puede almacenarse en depósitos de agua bien aislados (hasta 100 grados) o en sal, aceite o cerámica (para temperaturas mucho más altas). Todas estas soluciones de almacenamiento fracasarían por alguna razón u otra si se les encomendara almacenar una gran producción de energía renovable. Sin embargo, pueden ser muy útiles a menor escala para apoyar el ajuste de la demanda de energía.

La nueva era de la vela

El transporte de carga es otro candidato para el uso de energía renovable cuando está disponible. Los barcos todavía transportan alrededor del 90 por ciento del comercio mundial, y aunque es la forma de transporte más eficiente en términos de energía por tonelada-kilómetro, el uso total de energía es alto y los buques que funcionan con petróleo son extremadamente contaminantes.

Imagen de Arne List [CC BY-SA 2.0], via Wikimedia Commons

Una idea común de alta tecnología es instalar turbinas eólicas costa afuera, convertir la electricidad que generan en hidrógeno y luego usar ese hidrógeno para alimentar los buques de navegación marítima. Sin embargo, es mucho más práctico y eficiente energéticamente utilizar el viento para alimentar las naves directamente, como lo hemos hecho durante miles de años. Además, los buques de carga propulsados por petróleo suelen flotar inactivos durante días o incluso semanas antes de que puedan entrar y/o abandonar un puerto, lo que hace que la relativa imprevisibilidad de los veleros sea menos problemática.

Es mucho mas práctico y eficiente energéticamente usar el viento para alimentar barcos directamente.

Al igual que con la fabricación industrial, en la actualidad la tecnología ha avanzado y hay conocimiento disponible para basar una industria naviera mundial únicamente en la energía eólica. Tenemos nuevos materiales para construir barcos y velas, mejores y más duraderos, contamos con instrumentos de navegación y comunicación más precisos, tenemos previsiones meteorológicas más predecibles, podemos utilizar paneles solares como energía de respaldo del motor, y tenemos un conocimiento más detallado sobre vientos y corrientes.

Thomas W. Lawson era una Goleta de 7 mástiles y casco de acero construida en 1902 para el comercio del Pacífico. Tenía una tripulación de 18.

De hecho, los patrones mundiales de viento y corrientes solo se entendieron completamente cuando la era de la navegación a vela casi había terminado. Entre 1842 y 1861, el navegante estadounidense Matthew Fontaine Maury recolectó una amplia gama de registros de embarcaciones que le permitieron registrar los vientos dominantes y las corrientes marinas, así como sus variaciones estacionales. ¹⁸

El trabajo de Maury permitió a los marineros acortar considerablemente el tiempo de navegación, simplemente mediante el mejor aprovechamiento de los vientos dominantes y las corrientes marinas. Por ejemplo, un viaje de Nueva York a Río de Janeiro se redujo de 55 a 23 días, mientras que la duración de un viaje de Melbourne a Liverpool se redujo a la mitad, de 126 a 63 días. ¹⁸

Más recientemente, las carreras de yates han generado muchas innovaciones que nunca se han aplicado al envío comercial. Por ejemplo, en la Copa Americana del 2017, el equipo Emirates New Zealand introdujo bicicletas fijas en lugar de manivelas para alimentar el sistema hidráulico que dirige el barco. Debido a que nuestras piernas son más fuertes que nuestros brazos, el uso de pedal permite un viraje y giro más rápidos en una carrera, pero también podría ser útil para reducir los recursos humanos requeridos para veleros comerciales. ¹⁹

Los registros de velocidad de navegación también son reveladores. El velero más rápido en 1972 ni siquiera llegó a 50 km/h, mientras que el actual poseedor del récord – el Vestas Sailrocket 2 – navegó a 121 km/h en 2012. Si bien este tipo de barcos no son prácticos para transportar carga, podrían inspirar otros diseños que lo fuesen.

Trenes accionados por energía eólica y solar

Podríamos seguir un enfoque similar para el transporte terrestre, con el uso de trenes propulsados por energía eólica y solar. Al igual que los barcos de vela, los trenes podrían funcionar siempre que haya energía renovable disponible. Por supuesto esto no significaría poner velas en los trenes, sino accionarlos con electricidad producida por paneles solares fotovoltaicos o turbinas eólicas a lo largo de las vías. Esta sería una aplicación completamente nueva de una estrategia centenaria para tratar con fuentes de energía variables, solo posible gracias a la invención de la electricidad.

Trenes accionados por energía eólica y solar podrían ser la aplicación completamente nueva de una estrategia centenaria para tratar con fuentes de energía variables.

Accionar trenes de carga con energía renovable es un gran uso de la energía eólica intermitente, ya que generalmente se operan de noche, cuando la energía eólica a menudo es óptima y la demanda de energía es la más baja. Además, al igual que los buques de carga, los trenes de carga tienen horarios poco confiables porque a menudo permanecen estacionarios en los varaderos durante días, esperando cargarse por completo.

Cardiff Docks, una pintura de Lionel Walden, 1894

Incluso la velocidad de los trenes podría regularse dependiendo de la cantidad de energía renovable que esté disponible, al igual que la velocidad del viento determina la velocidad de un velero. Un enfoque similar también podría funcionar con otros sistemas de transporte eléctrico, como trolebús, trolebotes o teleféricos aéreos.

La combinación de trenes de carga y fábricas accionadas por energía solar y eólica crea posibilidades adicionales. Por ejemplo, a primera vista, los trenes de pasajeros impulsados por energía solar o eólica parecen ser imposibles, porque las personas son menos flexibles que los bienes. Si un tren con energía solar no funciona o funciona demasiado lento, es posible que hayan cambios en las agendas de las personas. Del mismo modo, en días nublados, pocas personas llegarían a la oficina.

Paneles fotovoltáicos solares cubren una vía férrea en Bélgica, 2016. Imagen: Infrabel

Sin embargo, esto podría resolverse utilizando las mismas fuentes de energía renovables para fábricas y trenes de pasajeros. Los paneles solares a lo largo de las líneas ferroviarias podrían dimensionarse para días nublados, y así garantizar un nivel mínimo de energía para un servicio mínimo de trenes de pasajeros (pero no de producción industrial). Durante los días soleados, la energía solar adicional podría usarse para hacer funcionar las fábricas a lo largo de la línea ferroviaria, o para ejecutar trenes adicionales de pasajeros (o carga).

Consecuencias para la sociedad: Consumo y Producción

Como hemos visto, si la producción industrial y el transporte de carga dependieran de la disponibilidad de energía renovable, aún podríamos producir una amplia gama de bienes de consumo y transportarlos por todo el mundo. Sin embargo, no todos los productos estarían disponibles todo el tiempo. Si se quisiera comprar zapatos nuevos, es posible que se deba esperar la temporada adecuada para su fabricación y entrega.

La producción y el consumo dependerían del clima y las estaciones. Las fábricas accionadas con energía solar tendrían mayores tasas de producción en los meses de verano, mientras que las fábricas eólicas tendrían mayores tasas de producción en los meses de invierno. Las temporadas de navegación también deberían tenerse en cuenta.

Si se quisiera comprar zapatos nuevos, es posible que se deba esperar la temporada adecuada para su fabricación y entrega.

Pero administrar una economía según los ritmos del clima no significa necesariamente que las tasas de producción y consumo disminuirían. Si las fábricas y el transporte de carga ajustan su uso de energía al clima, pueden utilizar la producción anual de energía total de las turbinas eólicas y los paneles solares.

Un Molino de viento en Zaandam, una pintura de Claude Monet, 1871.

Los fabricantes podrían contrarrestar la escasez de producción produciendo artículos estacionales ‘de temporada’ y luego almacenándolos cerca de los consumidores para la venta durante períodos de baja energía. De hecho, estos productos se convertirían en “reserva de energía” en este escenario. En lugar de almacenar energía para fabricar productos en el futuro, fabricaríamos productos siempre que haya energía disponible, y almacenaríamos los productos para su posterior venta.

Sin embargo, la producción estacional si podría conducir a menores tasas de producción y consumo. Sobre-producir en tiempos de alta energía requiere grandes instalaciones de producción y almacenes, que serían infrautilizados durante el resto del año. Para producir de forma rentable, los fabricantes deberán hacer compromisos. De vez en cuando, estos compromisos conducirán a la escasez de productos, lo que a su vez podría alentar a las personas a considerar otras soluciones, como la reparación y la reutilización de productos existentes, productos hechos a mano, bricolaje o intercambiar y compartir productos.

Consecuencias para la fuerza de trabajo

Ajustar la demanda de energía al suministro de energía también implica que la fuerza de trabajo se debe adaptar al clima. Si una fábrica funciona con energía solar, entonces la disponibilidad de energía se correspondería muy bien con los ritmos humanos. El único inconveniente es que los trabajadores estarían libres del trabajo, especialmente en invierno y en días nublados.

Sin embargo, si una fábrica o un tren de carga funciona con energía eólica, entonces la gente también tendría que trabajar durante la noche, lo que se considera poco saludable. Lo bueno es que tendrían vacaciones en verano y en días de buen clima.

Nachtelijk werk in de dokken (Trabajo nocturne en los muelles), una pintura de Henri Adolphe Schaep, 1856.

Si una fábrica o un sistema de transporte es operado solo con energía eólica o solar, los trabajadores también tendrían que lidiar con la incertidumbre sobre sus horarios de trabajo. Aunque tenemos pronósticos meteorológicos mucho mejores que en tiempos preindustriales, sigue siendo difícil hacer predicciones precisas con más de unos días de anticipación.

Sin embargo, no son solo las plantas de energía renovables las que ahora están completamente automatizadas. Lo mismo ocurre con las fábricas. Desde el siglo pasado se ha visto una creciente automatización de los procesos de producción, basados en computadoras y robots. Las llamadas “fábricas oscuras” ya están completamente automatizadas (no necesitan luces porque no hay nadie allí).

No son solo las plantas de energía renovables las que están ahora completamente automatizadas. Lo mismo ocurre con las fábricas.

Si una fábrica no tiene trabajadores, no importa cuándo esta esté operando. Además, muchas fábricas ya funcionan durante 24 horas por día, en parte operadas por millones de trabajadores haciendo el turno de noche. En estos casos, el trabajo nocturno en realidad disminuiría porque estas fábricas solo funcionarán durante la noche si hace viento.

Finalmente, también podríamos limitar la parte principal de la fabricación industrial y el transporte ferroviario a las horas de trabajo normales, y reducir el exceso de oferta durante la noche. En este escenario, simplemente tendríamos menos bienes materiales y más vacaciones. Por otro lado, habría una mayor necesidad de otros tipos de trabajos, como la artesanía y la navegación.

¿Qué hay del Internet?

En conclusión, la fabricación industrial y el transporte de carga, tanto terrestre como marítimo, podrían ejecutarse casi en su totalidad con fuentes de energía renovables variables, con poca necesidad de almacenamiento de energía, redes de transmisión, capacidad de equilibrado o sobre-construcción de plantas de energía renovable. En contraste, el enfoque moderno de alta tecnología de unir el suministro de energía a la demanda de energía en todo momento requiere una gran cantidad de infraestructura adicional que hace que la producción de energía renovable sea una tarea compleja, lenta, costosa e insostenible.

Ajustar la demanda de energía al suministro haría que el cambio a la energía renovable fuera mucho más realista de lo que es hoy. No habría reducción de energía ni pérdidas por almacenamiento y transmisión. Toda la energía producida por los paneles solares y las turbinas eólicas se usaría en el lugar y nada se desperdiciaría.

Marina, una pintura de Carol Popp de Szathmary, 1800s.

Ajustar la demanda de energía al suministro de energía puede ser menos sencillo en otros sectores. A pesar de que Internet podría operarse completamente con fuentes de energía variables, utilizando redes asíncronas y softwares tolerantes al retardo, muchas aplicaciones de Internet más nuevas desaparecerían.

En casa, probablemente no podemos esperar que las personas se sienten a oscuras o que no cocinen cuando no hay energía renovable. Del mismo modo, las personas no vendrán a los hospitales sino hace sol. En tales casos, existe una mayor necesidad de almacenamiento de energía u otras medidas para contrarrestar un suministro de energía intermitente. Esto es material para una próxima publicación.

Parte de la investigación de este artículo se realizó durante una beca en el Demand Center, Lancaster, Reino Unido.

Lucas, Adam. Wind, Water, Work: Ancient and Medieval Milling Technology. Vol. 8. Brill, 2006. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Hills, Richard Leslie. Power from wind: a history of windmill technology. Cambridge University Press, 1996. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Paine, Lincoln. The sea and civilization: a maritime history of the world. Atlantic Books Ltd, 2014. ↩︎ ↩︎
Reynolds, Terry S. Stronger than a hundred men: a history of the vertical water wheel. Vol. 7. JHU Press, 2002. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Una de las primeras represas hidroeléctricas más grandes fue la Cento Represa, en Italia (1450), que tenía 71 m de largo y casi 6 m de altura. En el siglo XVIII, las presas más grandes tenían hasta 260 m de largo y 25 m de alto, con canales de potencia que conducían a docenas de ruedas hidráulicas. ⁴ ↩︎
Aunque los molinos de viento tenían todo tipo de mecanismos internos para adpatarse a los cambios repentinos en la velocidad del viento, y la dirección del viento, la energía eólica no tenía equivalente en la presa de energía hidráulica. ↩︎
Esto explica por qué los molinos de viento se volvieron especialmente importantes en regiones con climas secos, en países planos, o en áreas muy frías, donde no había agua disponible. En países con buenos recursos hídricos, los molinos de viento solo aparecieron cuando la demanda de energía crecío y creó una crisis porque los mejores sitios de suministro de agua ya estaban ocupados. ↩︎
Las mareas eran técnicamente similares a los molinos de agua, pero eran más confiables porque el mar es menos propenso a secarse, congelarse o cambiar su nivel de agua comparado con un río. ↩︎
Sieferle, Rolf Peter, and Michael P. Osman. The subterranean forest: energy systems and the industrial revolution. Cambridge: White Horse Press, 2001. ↩︎
Freese, Stanley. Windmills and millwrighting. Cambridge University Press, 1957 ↩︎
Wailes, Rex. The English windmill. London, Routledge & K. Paul, 1954 ↩︎ ↩︎
El patrón global del viento se complementa con patrones de viento regionales, como la brisa terrestre y la brisa marina. El Océano Índico Norte tiene inviernos semi-anuales reversos a los vientos del Monzón. Estos soplan del suroeste desde junio a noviembre y del noreste desde diciembre a mayo. El comercio marítimo en el Océano Índico comenzó antes que en otros mares, y las rutas comerciales establecidas dependían por completo de la temporada. ↩︎
Jenkins, H. L. C. “Ocean passages for the world.” The Royal Navy, Somerset (1973). ↩︎ ↩︎
Las personas encargadas de los molinos de viento tenían que estar alertas para mantener la brecha entre las piedras constante, por muy agitado que fuera el viento. Antes de los días en los que gobierna el centrifugado, esto se hacía a mano. El molinero tenía que vigilar la fuerza del viento, juzgar la cantidad de tela que debía extenderse, y estar preparado para detener el molino a vela y tomar o sacar más tela, ya que no había velas patentadas. Y antes de que la fantail se pusiera en uso, también tenía que vigilar la dirección del viento y mantener las velas cuadradas en el ojo del viento. [11] ↩︎
Además de la electricidad, la Revolución Industrial también nos trajo aire comprimido, agua a presión y una mejor transmisión de potencia mecánica, que pueden ser todas alternativas valiosas para la electricidad en ciertas aplicaciones. ↩︎
Una distinción similar se hizo en pasado. Por ejemplo, cuando se hacía girar la tela, se requería una velocidad constante para evitar la caída de las ruedas dentadas y hacer que las máquinas entregaran partes gruesas y delgadas en mechas o hilos. [3] Es por eso que la hilatura solo se mecanizó utilizando energía hidráulica, que podría almacenarse para garantizar un suministro de energía más regular, y no energía eólica. La energía eólica tampoco era apta para procesos como la fabricación de papel, el transporte de minas o el funcionamiento de fuelles de alto horno en ferrerías. ↩︎
Se requiere un almacenamiento de energía a muy corto plazo para muchos procesos mecánicanicos que se ejecutan usando fuentes de energía variables, con el fin de suavizar las variaciones pequeñas y repentinas en el suministro de energía. Dichos sistemas mecánicos ya se usaban en molinos de viento preindustriales. ↩︎
Leighly, J. (ed) (1963) The Physical Geography of the Sea and its Meteorology by Matthew Fontaine Maury, 8th Edition, Cambridge, MA: Belknap Press. Cited by Knowles, R.D. (2006) “Transport shaping space: the differential collapse of time/space”, Journal of Transport Geography, 14(6), pp. 407-425. ↩︎ ↩︎
Rival teams rejected pedal power because they feared radical change, says Team New Zealand designer. The Telegraph, May 24, 2017. ↩︎