Tecnologías para cambiar el actual modelo energético by Real Academia de Ingeniería

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TECNOLOGÍAS PARA CAMBIAR EL ACTUAL MODELO ENERGÉTICO

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oy en día, y más que nunca, la ciencia y la tecnología deben considerar las grandes tendencias sociales, también denominadas “megatrends”, con el fin de anticiparse a los problemas que se avecinan y de conseguir un desarrollo sostenible. Cuestiones derivadas del crecimiento de la población, del envejecimiento de la sociedad, de la salud, del cambio climático, del uso de recursos limitados, así como un aumento en la demanda de tecnologías más sostenibles y en la miniaturización y automatización de sistemas, requieren una respuesta rápida por parte de la ciencia y la tecnología. No debe, pues, sorprendernos que las líneas de investigación prioritarias a nivel mundial estén relacionadas con energía, sostenibilidad, salud, alimentos y agua. Dado que los temas de alimentos y agua han sido tratados en presentaciones anteriores, me centraré hoy en un tema que, en cierta medida, tiene implicaciones claras en todos los restantes: la energía. No cabe duda de que si se consiguiese obtener la energía necesaria, económica y renovable, podríamos solucionar muchos de los problemas que existen hoy en día en sostenibilidad, alimentación y agua. Se considera fuente de energía primaria toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o transformada, como la energía contenida en los hidrocarburos fósiles y la biomasa, la energía solar, la eólica, la nuclear, la hidráulica y la geotérmica. Es lógico pensar que un aumento de la población y un mayor desarrollo económico conllevará un mayor consumo de energía. Así, a partir de las previsiones de crecimiento de la población representa-

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das en la figura 1, [1], se deduce un crecimiento moderado desde los 7000 M de la actualidad, hasta cerca de 9000 M en 2035. Sin embargo, la distribución del crecimiento no será homogénea, ya que la población tenderá a estabilizarse en los países más desarrollados mientras que aumentará en el resto. Un factor adicional a considerar desde el punto de vista de los “megatrends” a los que nos referíamos anteriormente, es el desplazamiento de la población hacia las ciudades con la formación de megalópolis con sus problemas asociados de ! ! ! ! Si analizamos ! ! ! en el! desarrollo ! ! servicios. el! incremento económico, del ! ! aumento !medido como ! ! producto interior ! !bruto (PIB), ! ! éste! será mucho mayor en los países no incluidos en la OCDE, especialmente ! ! ! ! ! ! en China y otros países emergentes de la región de Asia.

Figura 1. Previsiones de crecimiento de la población hasta 2035 [1].

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! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! De acuerdo con lo dicho anteriormente, el crecimiento de la economía implicará un mayor consumo de recursos energéticos por ! !de! los países ! ! ! mantendrá ! ! ! parte emergentes,! mientras que se estable en los países de que ! ! úl! la !OCDE (figura 2). Hay que destacar ! en ! estos timos países el aumento del consumo energético será menor al que ! ! ! ! ! acuerdo ! ! ! del! PIB,! como consecuencorrespondería de al incremento tecnológicos ! energética. ! !cia de los avances ! ! ! en materia de! eficiencia ! ! Una vez que se ha llevado acabo el análisis de necesidades ener! ! ! ! ! ! ! ! géticas, deberemos centrarnos en la disponibilidad de las distintas ! ! de !energía! primaria a las que ! nos ! referíamos anteriormente. fuentes De las previsiones presentadas en la figura 3, se puede deducir que ! ! ! !!

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! !! CAMBIAR EL ACTUAL MODELO ENERGÉTICO 7 TECNOLOGÍAS PARA

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Figura 2. Previsión de consumo!de energía mundial hasta 2035. [1] ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! disminuirá ! ! ! relativa ! !a el consumo de petróleo y carbón de manera ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! otras fuentes, mientras que el consumo de gas natural y renovables ! ! ! significativamente. ! ! ! energías renovables ! ! se inclu! aumentará En las yen, fundamentalmente, de biomasa. ! ! ! ! ! la! eólica, !la solar y! la derivada ! ! ! ! En cualquier caso, la disminución relativa de energía primaria ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! proveniente del petróleo (que no necesariamente la cantidad absoluta ! demandada) ! ! ! ! dismi! ! total disminuirá en los !próximos 20 años. Esta nución a un retroceso en! la! capacidad ! no ! será debida ! ! ! de suministro ! ! ! sino, como veremos más adelante, a políticas medioambientales. En !!

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! Figura 3. Previsiones ! ! de distribución ! de ! fuentes de! energía ! primarias ! hasta 2035![1]

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! ! ! ! ! ! !! 5M?QEM!?NM!RAI?KRLAI!ERA!EQ! KBCEBO ! ! !! 'AI?KR!LA!A! IONGEOAI!iA! AV!!RNINBP!EI!OA! L[! B?M?PNAI!!AW?MWA !! 4AL[B?M?P@![EI!ECCAC!ONP[! O!?NMF!CAAVjkEOAR!?NM!IEBCI

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! ! ! ! ! ! ! ! efecto, a partir de los datos publicados! !por !ExxonMobil (2015) y !la ! ! ! ! Agencia! Internacional de la !Energía [2], !la cantidad de! ! ! ! !de recursos ! ! crudos y de condensados del gas natural es del orden de tres veces !! ! ! ! ! ! ! ! !! mayor que los consumidos hasta el presente (figura 4). !! !

Figura 4. Estimación de reservas de petróleo y líquidos condensados.

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5. Estimación líquidos hasta ! Figura ! ! suministro de! hidrocarburos ! ! 2040. !

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Figura 6a

Figura 6b

Figura 6. Distribución de consumo energético por sectores a) y fuentes de generación eléctrica b) en países de la OCDE.

Nótese, sin embargo, que la cantidad de crudo convencional tenderá a disminuir, siendo compensado por crudos, en general más pesados, obtenidos en aguas profundas y en arenas petrolíferas (Figura 5). Esta distribución de los crudos obligará a los refinadores a desarrollar tecnologías que permitan procesar crudos más pesados, produciendo combustibles de mayor calidad. Sin embargo, hay que considerar que, para cualquier proyección futura, los problemas medioambientales globales tales como efecto invernadero (emisiones de CO2), compromisos acordados (COP21) y efectos locales (contaminación en entornos urbanos), marcarán un cambio en el reparto de las fuentes primarias de energía. En cualquier caso, y de no producirse nuevos descubrimientos revolucionarios y desarrollos tecnológicos espectaculares en el campo de las energías renovables, el uso de los hidrocarburos fósiles seguirá siendo muy importante. En cuanto a las reservas de petróleo y otros líquidos condensados, las proyecciones descartan el agotamiento de estos recursos que seguirán siendo fundamentales para su transformación en la industria y para el transporte durante la próxima década. En los países de la OCDE, el mayor consumo energético se produce en la actualidad en el sector del transporte (33%) seguido de los sectores industrial y residencial (Figura 6a). Si se considera que en el sector industrial hasta un 40% de los recursos energéticos fósi-

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! les se dedican a la transformación y no a la generación de energía ! ! residencial ! por !combustión,! y que el sector utiliza principalmente !! ! ! !renovables !!! (Figura energía eléctrica proveniente en! parte! de energías 6b), resulta evidente que el impacto del transporte en el consumo de ! energía no renovable es, hoy en día, de gran importancia. A continuación nos referiremos específicamente a este sector. ! ! !

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SECTOR DEL TRANSPORTE !

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! ! vendrá ! ! ! ! futura ! marcada ! ! En el sector del transporte, la evolución por el aumento de vehículos particulares, especialmente en países como China e India (Figura 7).

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! ! del número! de vehículos, ! ! ! hasta !2035. ! Figura 7. Estimación distribución por países y! eficiencia !

La expectativa es que hasta el año 2035 el uso de carburantes basados en combustibles fósiles todavía seguirá siendo mayoritario. Sobre la base de esta consideración y teniendo en cuenta las políticas medioambientales, los esfuerzos tecnológicos se dirigen a: un mejor aprovechamiento de los recursos fósiles, una mejor calidad de los carburantes, una mejora de la eficiencia en motores de combustión interna, el desarrollo de automóviles eléctricos, y el uso de combustibles derivados de la biomasa.

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Con respecto a la utilización de hidrocarburos fósiles las innovaciones vendrán marcadas por: – cambios en la demanda de combustibles de automoción (gasolina/diesel, mejoras en la calidad) – demanda de productos químicos y de lubricantes de altas prestaciones. – cambios en las alimentaciones a las refinerías: petróleos pesados, alimentaciones derivadas de la biomasa. – requerimientos medioambientales (regulaciones en los combustibles y emisiones). – eficiencia energética.

TENDENCIAS ACTUALES EN LA TRANSFORMACIÓN DE HIDROCARBUROS FÓSILES Dentro de los hidrocarburos fósiles, el carbón es el que contiene una mayor relación de carbono a hidrógeno en su composición, siendo por tanto el que producirá una mayor cantidad de CO2 por unidad de calor producido durante su combustión. Más aún, una gran parte de los carbones contienen elevadas cantidades de azufre y requiere un tratamiento intensivo previo a la combustión y / o un tratamiento de las emisiones gaseosas generadas. A nivel global, y ciertamente entre los países de la OCDE, se observa una disminución en el uso del carbón para producir electricidad y un aumento en la cantidad de gas natural utilizado. En el caso de EEUU este cambio ha sido muy notable con una repercusión clara en la cantidad total de emisiones de CO2 [3]. En otros países, como por ejemplo China, el carbón sigue siendo una fuente de energía primaria clave en su desarrollo. Hay que señalar que China ha desarrollado tecnología propia para gasificar carbón, produciendo gas de síntesis (CO+ H2) que utiliza como materia prima para producir metanol y carburantes mediante la tecnología FischerTropsch. El metanol se considera una molécula plataforma, ya que además de su uso directo en química se puede transformar en olefinas (etileno y propileno para la producción de polietileno y polipropileno) y otros productos del sector químico. El metanol también se podría transformar en poliéteres que serían compuestos oxigenados muy interesantes para ser introducidos en la fracción diésel. Finalmente, el

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metanol se puede transformar en gasolina y compuestos aromáticos para su utilización como combustibles. Hay que tener en cuenta que el metanol es un compuesto excelente para ser utilizado en celdas de combustible para automoción. Recientemente hemos desarrollado un catalizador que permite convertir metanol en propileno con muy buena selectividad [4]. Las primeras 150 Tm de este catalizador están ya funcionando satisfactoriamente en una planta comercial. En el apartado referente a los cambios en las materias primas hidrocarbonadas, el gas natural y los condensados provenientes del denominado gas de esquisto son de especial relevancia. El metano se puede convertir en hidrocarburos aromáticos mediante el uso de un catalizador bifuncional formado por óxido de molibdeno soportado en una zeolita del tipo ZSM-5. La zeolita ZSM5, o MFI según el código de la IZA, es una zeolita de poro medio, es decir, su estructura cristalina presenta poros formados por anillos de 10 átomos silicio y aluminio en coordinación tetraédrica, con un diámetro de poro de aproximadamente 0.56 nm. La reacción tiene lugar a 700 °C, siendo la conversión baja debido a limitaciones termodinámicas. El óxido de molibdeno se transforma durante la reacción en un compuesto de tipo carburo metálico que es el responsable de catalizar las reacciones de deshidrogenación. Por otra parte la zeolita cataliza las reacciones de oligomerizacion y ciclación que conducen a la formación de aromáticos [5]. Este proceso produce cantidades elevadas de coque que disminuyen el rendimiento del proceso y limitan su desarrollo comercial. En la actualidad se intentan desarrollar reactores de membrana que permitan separar el hidrógeno formado durante la etapa de deshidrogenación para desplazar el equilibrio termodinámico [6]. El acoplamiento oxidativo de metano para obtener olefinas y aromáticos se ha venido investigando desde hace casi 30 años. En estos momentos, la selectividad del proceso todavía no alcanza el límite necesario para su comercialización, debido a la rápida oxidación a CO2 y H2O de una parte de los compuestos intermedios formados. Además de la posible utilización del gas natural para producir calor y electricidad por combustión directa, una opción muy interesante sería la transformación del gas natural en combustibles líquidos para automoción, así como en olefinas y aromáticos para la industria quí-

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mica. Así, mediante un proceso de gasificación, el gas natural se transforma en gas de síntesis (CO+ H2) que se utiliza como materia prima para obtener hidrocarburos de cadena larga mediante el proceso Fischer-Tropsch. Estos hidrocarburos se transforman en diésel de alta calidad mediante un proceso de hidrocraqueo catalítico. Como decíamos anteriormente, el gas de síntesis se utiliza también para la obtención de metanol, a partir del cual es posible obtener olefinas (etileno y propileno) o gasolina, dependiendo del catalizador y de las condiciones de reacción utilizadas. Con respecto a nuevas alimentaciones de refinería asociadas a crudos pesados, hay que señalar que existen grandes reservas en forma de arenas bituminosas y, en general, en forma de crudos con un alto punto de destilación y una relación carbono/hidrógeno mayor que la de los crudos convencionales. Éstos crudos contienen una elevada cantidad de compuestos aromáticos y resultan difíciles de bombear y procesar. Su tratamiento en las refinerías actuales no es sencillo y requiere de tratamientos térmicos (“coking”, “delayed coking”) que producen una elevada cantidad de coque con un elevado contenido en metales, y unos destilados inestables que deben ser rápidamente hidrotratados. Las alimentaciones pesadas pueden ser procesadas mediante craqueo catalítico en las unidades de FCC, teniendo que ser mezcladas con otros crudos más ligeros. En efecto, las unidades de FFC, con un lecho de catalizador transportado ascendente, presentan problemas para procesar alimentaciones con carbón Conradson (CC) (medida para determinar la tendencia del combustible a formar depósitos de carbón durante la vaporización en los quemadores), mayor de 8-10. Teniendo en cuenta la necesidad de procesar crudos pesados con valores de CC superiores a 10 y las limitaciones de las unidades de FFC para tratar estos crudos, hace unos 15 años apostamos por el desarrollo de un nuevo tipo de reactor de lecho transportado descendente con separación rápida de catalizador y productos. Esta unidad que denominamos “Microdowner” permite trabajar a cortos tiempos de contacto, altas relaciones catalizador/alimentación y elevadas temperaturas, permitiendo procesar petróleos muy pesados (CC ≤ 17) produciendo gasolina, keroseno, diésel y olefinas C3-C4. La primera unidad a escala laboratorio la construimos en 2004 y desde entonces se han construido varias unidades de laboratorio y piloto para em-

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presas del refino y petroquímica. El microdowner se licenció a una empresa alemana que comercializa esta tecnología. Por lo que sabemos, una primera planta comercial está ya proyectada [7]. En nuestra opinión, los mayores cambios en los combustibles líquidos de automoción se están produciendo y se producirán debido a requerimientos medioambientales enfocados a la disminución de las emisiones de CO2. Con este fin, se han introducido los combustibles derivados de la biomasa. Los primeros biocombustibles utilizados fueron el etanol y los derivados de aceites vegetales (FAME y TAME). Estos biocombustibles de primera generación presentan el inconveniente de que son obtenidos a partir de maíz o de trigo (etanol) y a partir de aceites vegetales comestibles (palma, colza...), respectivamente. Además, el uso de tierras cultivadas y agua de riego limitan la sostenibilidad de estos biocombustibles. Así pues, la tendencia actual es a utilizar lignocelulosa como fuente de carbono e hidrógeno para la obtención de biocombustibles. Una gran parte de esta lignocelulosa provendría de residuos forestales e incluso de desechos orgánicos municipales. Las cantidades disponibles de este tipo de biomasa son muy elevadas y, por ejemplo, sólo en EEUU se consideran disponibles más de 1.000 millones de Tm al año de biomasa lignocelulósica que podrían ser transformada en combustibles de automoción. Hay que señalar que por el momento la transformación de lignocelulosa en combustibles líquidos no es competitiva con la obtención de productos derivados del petróleo. Sin embargo, legislaciones más restrictivas o incentivos fiscales pueden influir fuertemente en el balance económico. No resulta, pues, sorprendente que las empresas y centros académicos estén desarrollando nuevas tecnologías para convertir residuos lignocelulósicos en combustibles líquidos y en productos químicos. Así, se ha conseguido producir etanol a partir de la celulosa (por ejemplo la compañía española Abengoa). El coste del etanol producido es todavía elevado debido a la dificultad de romper la celulosa ya sea por métodos químicos o enzimáticos. Además, hay que considerar que el rendimiento global es bajo, puesto que no toda la biomasa se utiliza para producir etanol. Sin embargo, se puede pensar en un proceso integrado en el que el residuo de biomasa después de la obtención del etanol sería utilizado para producir combustibles mediante procesos químicos.

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Si pensamos en la biomasa como una fuente de carbono e hidrógeno, ésta se podría gasificar para producir gas de síntesis (CO+H2), y a continuación producir hidrocarburos mediante un proceso Fischer-Tropsch (FT). Los combustibles obtenidos serían de muy buena calidad pero la eficiencia del proceso sería de alrededor del 50% y el coste de la inversión elevado [8]. Debe tenerse en cuenta que la influencia del factor de escala, especialmente en la gasificación, es muy importante, resultando en un coste aún mayor si se consideran unidades compatibles con redes locales de recogida de residuos. Hay que destacar una nueva tecnología de gasificación introducida recientemente que integra gasificación y tratamiento y acondicionamiento del gas en un único reactor (UNIQUE gasifier). Otros conceptos interesantes combinan pirólisis y gasificación, o gasificación y combustión para aumentar la flexibilidad del proceso y producir gas de síntesis o electricidad según la demanda [9]. Una tecnología alternativa y de bajo coste sería la pirólisis rápida para producir líquidos a partir de la biomasa. Sin embargo, el producto líquido obtenido es de muy baja calidad, con un alto contenido en oxígeno, que requiere de tratamientos posteriores importantes. En nuestro caso, y en colaboración con la compañía Bioecon, desarrollamos el proceso de pirólisis catalítica que permite disminuir el contenido en oxígeno en los líquidos y mejorar su calidad [10]. Existiría una nueva tecnología para convertir residuos de biomasa en combustibles líquidos basada en un tratamiento hidrotermal de la biomasa con un catalizador en condiciones próximas al punto crítico del H2O (330-380°C y 200-300 bar) [11]. En estas condiciones la lignocelulosa se rompe y reacciona, dando una fracción líquida y una cantidad relativamente pequeña de gas formada fundamentalmente por CO2 ,y menores cantidades de H2, CO y CH4. Si se compara los líquidos obtenidos mediante reacción hidrotermal con los productos de pirólisis, los primeros tienen mayor peso molecular, mucha menor cantidad de oxígeno y se pueden tratar y transportar mucho más fácilmente [12]. Como resultado de lo anterior, el contenido energético de los líquidos orgánicos obtenidos por el proceso hidrotermal y pirolítico es de 30-35 MJ/Kg y 15-20 MJ/Kg, respectivamente. Como resultado de nuestra colaboración con la compañía Licella, se presenta un proceso integrado que permite convertir lignocelulosa en diesel de buena calidad (Fig 8).

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Figura 8. Etapas para la preparación de biocrudo por vía hidrotermal y su procesado para obtener combustible.

En este sentido, Licella ha instalado ya una unidad que permite procesar 10.000 Tm al año de biomasa, y que permite obtener entre 30 y 35% en peso de líquido orgánico con respecto a biomasa seca. Después de destilar el producto se obtienen entre un 20 y 30 por ciento del biocrudo en forma de una fracción más pesada, siendo el resto una fracción con punto de ebullición en el rango del diesel. En cualquier caso, como el biocrudo no es apto para ser utilizado directamente como combustible de automoción, hemos estudiado la posibilidad de introducirlo en las unidades de FCC de las refinerías existentes, combinándolo con alimentaciones típicas de FCC (gasoil de vacío) (Fig. 1). Una segunda opción es hidrotratar catalíticamente el biocrudo. El líquido resultante se destila y la fracción pesada remanente se craquea (combinada con gasoil de vacío en las unidades de FCC). Hemos observado que introduciendo en la unidad de FFC hasta ~ 5% en peso del biocrudo en gasoil de vacío, sería posible tratar esta alimentación con la tecnología catalítica actual, sin necesidad de modificar ningún parámetro de operación de la unidad. Debe tenerse en cuenta que un 5% de biocrudo en la alimentación de una unidad de FCC que procesa 30.000 bpd, representa 200 Tm por día de biocrudo tratado. La opción de hidrotratamiento catalítico del biocrudo permite, en las condiciones experimentales adecuadas, obtener directamente diesel y queroseno de buena calidad [11]. El cultivo de algas para obtener productos químicos y combustibles ha sido también objeto de atención. Su cultivo no compite con terrenos de cultivo ni con alimentos para humanos. Muchas microalgas son mixotróficas, pudiendo ser utilizadas como fuente de ener-

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gía y para purificar simultáneamente aguas residuales. Su utilización como biomasa está basada en métodos térmico-químicos, químicos, bioquímicos y de combustión directa. Determinadas algas modificadas genéticamente pueden producir cantidades elevadas de triglicéridos que podrían ser convertidos en FAME Y TAME. Podrían ser también utilizadas para producir bioalcohol por fermentación [13]. Hemos visto que es posible convertir un biocrudo obtenido por tratamiento hidrotérmico de algas, en diésel, ! ! ! mediante ! !un hidrotratamiento ! ! ! keroseno y gasolina catalítico suave. ! Tanto pueden y en ! las! micro! como! las ! macroalgas ! ! ! crecer rápido ! ! el caso! de se puede ! ! microalgas ! ! !cultivadas ! ! ! producir ! ! alrededor ! ! 72 Tm ! ! por hectárea y año. Con estos números, la velocidad de producción ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! sería entre 40 y 100 veces mayor! que la biomasa terrestre. !se clasifican en cuatro ! !grupos ! principales: ! !diato! ! ! Las microalgas meas, ! !algas verdes, ! ! algas ! ! azul-! verde ! ! y algas! doradas. Las microal!! gas pueden contener entre 7 y 60% en peso de triglicéridos con respecto a la materia seca. Un valor añadido sería su consumo de ! ! proveniente ! ! ! de procesos ! ! de combustión ! ! de ! hidrocarburos ! fósi- ! CO 2 ! ! ! ! ! ! producción ! !! las algas es cinco les. Desafortunadamente el coste de de veces mayor que el coste de la biomasa lignocelulósica. En la figura 9 se presenta un esquema con las distintas posibilidades para convertir la biomasa en distintos tipos de combustible.

Wood 15 MJ/kg à Diesel 45 MJ/kg Max weight yield is 33% % %% generación. % % Figura 9.% Biofuels de%%última % % % %

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ELECTRICIDAD PARA AUTOMOCIÓN Generación de electricidad a partir de fuentes renovables de energía

En un modelo energético a medio y largo plazo, se considera que una gran parte de la energía directamente utilizable será energía eléctrica. En este modelo consideramos que la producción eléctrica provendría parcialmente de combustibles fósiles y en una fracción cada vez mayor de energías renovables, principalmente eólica y solar. Con el avance de las tecnologías en nuevos materiales, será posible diseñar y fabricar celdas solares con bajo costo. Así, las celdas fotovoltáicas para convertir la luz del sol en electricidad permitirían, junto a la energía eólica, cubrir la mayor parte de nuestras necesidades. Conversión directa de la energía solar en electricidad

La luz solar puede ser convertida en electricidad mediante sistemas termosolares o directamente mediante sistemas fotovoltaicos (celdas solares). En estos momentos más del 90% de los paneles solares son sistemas fotovoltaicos basados en silicio. La eficiencia energética de las celdas de silicio está en el rango de 20-25%. El National Renewable Energy Laboratory (NREL), que se considera el centro oficial para verificar la eficiencia de las celdas solares, sitúa el valor más alto en celdas de silicio multicristalinas en el 21%, siendo del 25% para las de silicio de cristal único (single crystal). Por otra parte, las celdas solares más avanzadas de arseniuro de galio permiten alcanzar eficiencias del 46% pero su coste es significativamente más elevado. Dado que las celdas de silicio requieren silicio ultra puro (99,999%), que el proceso de crecimiento de cristales es intensivo en energía y que su aplicación está limitada debido a la rigidez y peso de los paneles, se está investigando y desarrollando nuevos tipos de celdas fotovoltáicas. A continuación describiremos brevemente los desarrollos más significativos en nuevas celdas fotovoltáicas. Celdas solares de colorante (DSSC)

Las celdas solares de colorante están constituidas por nano partículas porosas de TiO2, recubiertas con un colorante capaz de absorber

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la luz. Las partículas de TiO2 con el colorante están rodeadas por un electrólito en fase líquida. Los fotones capturados por el colorante (complejos de Ru, como por ejemplo el Ru bipirilido) generan electrones cargados negativamente y vacantes (holes) cargadas positivamente. Las cargas negativas y positivas se separan en las nanopartículas de TiO2. Los electrones son transportados a través de la capa de conducción del TiO2 hasta un electrodo. Al mismo tiempo, las cargas positivas migran a través del electrólito hasta el contra electrodo. Un esquema de este tipo de celda se presenta en la figura 10. La máxima eficiencia certificada para este tipo de celdas (DSSC) es del 11,9%, siendo su mayor ventaja el bajo costo, bajo peso, flexibilidad, pequeño espesor y capacidad para transmitir luz. Los paneles flexibles construidos con celdas fotovoltaicas del tipo DSSC funcionan bien con luz difusa y son láminas finas y translúcidas que pueden ser colocadas entre capas de vidrio convirtiendo las ventanas clásicas y las fachadas construidas con vidrio de los edificios en sistemas generadores de electricidad. Este tipo de celdas se encuentra ya en fase de demostración. En estos momentos se están desarrollando aplicaciones de las celdas de colorante para suministrar electricidad a sistemas electrónicos mediante la luz presente en es-

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Figura 10. [14]

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pacios cerrados. Existen todavía ciertas limitaciones en este tipo de celdas, como por ejemplo la naturaleza del electrólito líquido utilizado que consiste en un par redox de I-/I3- disuelto en un líquido orgánico. Este par redox es corrosivo y volátil. Además, puede reaccionar con el colorante limitando la estabilidad del sistema a largo plazo. En la actualidad se ha conseguido mejorar el sistema, reemplazando el electrólito líquido por un semiconductor sólido de ioduro de cesio y estaño dopado con fluor. (CsSn I2.95 F005). Celdas fotovoltáicas orgánicas

Las celdas fotovoltáicas orgánicas están formadas por un polímero sensible a la luz, moléculas pequeñas y materiales tipo fulerenos que adsorben luz y generan electricidad. Los compuestos se mezclan a escala nanométrica generando una elevada superficie de contacto entre la molécula orgánica que actúa como electro-donor y el fulereno que actúa como electro-aceptor. Un esquema del sistema se presenta en la figura 11. Estas celdas son flexibles, delgadas y ligeras, presentan una eficiencia máxima certificada de 11,5% y están ya en fase de demostración.

! ! Figura 11. [14]

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Celdas solares basadas en Perovskitas

Lo más llamativo de estas celdas fotovoltaicas es que, así como las descritas anteriormente han ido aumentando su eficiencia situándose de manera casi asintótica en valores de 11-12%, las celdas basadas en Perovskitas han alcanzado en muy poco tiempo una eficiencia certificada del 22%. Este tipo de celdas fotovoltáicas utiliza estructura cristalinas indexadas como perovskitas, cuya estequiometria les permite absorber luz. (CH3NH3) PbI3 es el ejemplo más estudiado. En estos momentos todavía está bajo discusión por qué y cómo las cargas positivas y negativas generadas mediante foto excitación alcanzan los electrodos. Estas celdas están todavía en fase de desarrollo aunque se espera pasar a fase demostración en dos años. Una visión esquemática de las celdas solares basadas en perovskitas se presenta en la figura 12.

! ! ! Figura 12. [14]

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Celdas solares basadas en puntos cuánticos ! !

En estas celdas, PbSe, ! ! calcogenuros metálicos! del! tipo ! ! CdS, CdSe, ! ! PbS, ! ! ! actúan como! los materiales adsorbentes de luz, y un esquema de ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! este ! tipo de!centros se da !en! la figura 13. certificada de estas cel! ! !La eficiencia ! ! ! das! está en 11,3 y su producción se encuentran en fase de desarrollo.

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Figura 13. [14]

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De lo dicho anteriormente se deduce que no es descabellado pen! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! sar que en un periodo de 15-20 años hasta el 40-50% de la energía ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! consumida provenga de fuentes renovables como el sol y el viento a ! ! ! ! ! electricidad ! ! ! ! ! través de! la electricidad. Sin embargo, esta se producirá ! intermitente, ! ! !lo que será ! !necesario ! ! ! de manera por disponer de siste- ! ! ! ! ! ! ! ! bajo ! mas que nos !permitan su! almacenamiento y utilización de! ! ! ! ! !la! posibilidad ! ! manda.! En el esquema presentado se muestra de almacenar la !energía eléctrica la de ! ! ! producida ! mediante ! ! síntesis ! ! mo! léculas químicas que pueden ser almacenadas para producir por ! ! ! ! !! ! ! ! ! ! ejemplo calor por combustión, o ser utilizadas como materias pri! mas en ! procesos químicos.

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Esquema 1

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Por ejemplo en un escenario con electricidad abundante y barata se podría obtener H2 por electrolisis del H2O. El H2 se podría utilizar después como combustible almacenado en adsorbentes específicos y/o en moléculas fácilmente almacenables y que liberarían el H2 en el punto y momento deseado (por ejemplo NH3, ácido fórmico, metanol, etc.). ! ! también ! ! el CO con hidrógeno ! ! pro! ! para Se podría hacer reaccionar 2 ! o hidrocarburos. ! ! ! Estos ! ! ! ! ducir metanol hidrocarburos, producidos a parpodrían, de nuevo, ser utilizados como combustibles tir de CO ! ! ! ! ! ! ! de ! 2 ! automoción en la! huella de ! con el consiguiente ! impacto favorable ! ! ! ! CO2. ! Otra manera de almacenar electricidad sería en pilas eléctricas ! ! ! ! ! ! que ya son utilizadas en vehículos eléctricos. A continuación se des! cribe el posible impacto de la electrificación masiva en automoción. !

!El vehículo eléctrico !

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El informe de le!IEA un fuerte aumento en !el número de ! [15] predice ! ! ! ! vehículos !eléctricos durante 2020-2030, pudiendo alcan! ! la !década ! ! ! ! zar hasta los 140 millones de vehículos en 2030 con el objeto de cum! ! ! ! ! ! ! ! ! ! plir con los objetivos de la declaración de París. Sin embargo, hay ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! que tener en cuenta que la reducción esperada de emisiones de CO2 ! ! ! del transporte ! ! ! se podrá ! ! a !través! de la electrificación sólo alcanzar si ! ! ! ! sido producida ! ! ! ! ! mayori! la energía eléctrica empleada ha utilizando tariamente fuentes del ! ! ! no fósiles. ! ! Además, ! ! !la extensión ! ! uso ! del! vehículo eléctrico mejorará la calidad del aire en las ciudades, ! ! ! ! ! ! como de ! ! ! ! ! hecho está ocurriendo en los grandes entornos urbanos de China, ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! donde los vehículos de dos ruedas son exclusivamente eléctricos, así ! ! ! como un gran número de autobuses (hasta 170000).

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AVELINO CORMA CANÓS

Los vehículos eléctricos que se comercializan en la actualidad emplean baterías basadas en litio, existiendo dos grandes grupos fabricantes asociados de automóviles y baterías: Tesla-Panasonic y Nissan-LG. Hasta el momento sólo las baterías !de litio ! ! ! ! ! ! ! presentan ! ! la ! ! ! ! ! ! densidad medida !como kWh Kg ! ! ! de carga, ! ! !por ! ! de batería, ! ! ! ! que ! ! !hace !! ! ! ! !! ! ! ! factible que puedan ser transportadas en vehículos de pequeño ta! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! maño y! les permiten funcionar eficiente. (Fig. 14). ! ! ! de modo ! ! !! ! !

! ! ! ! eléctricos ! por kWh ! se ! ! en vehículos ! con baterías. ! 150$ Figura !14. Coste de! baterías de ion-Li ! !

! ! ! considera ! !punto ! ! crítico ! ! para ! !su comercialización. ! !! ! ! el [16]

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! ! ! ! Figura Coste kWh, y cambio entre porcentaje. ! ! 15. ! ! medio ! !de! baterías !en $! por ! !! ! !2014!y !2015! en ! !! ! ! ! !! ! ! !! ! ! ! !

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Salvo en países como China, donde por motivos de salud pública no se ofrece otra posibilidad, el alto precio de las baterías de litio todavía es disuasorio. Sin embargo, el rápido descenso del precio de las baterías debido a las grandes “gigafactorias” que se están poniendo en funcionamiento, puede hacer que el vehículo eléctrico desplace al de combustión interna simplemente porque su precio y consumo sean competitivos. La pregunta que surge a continuación es si existen recursos minerales suficientes para sostener el crecimiento del vehículo eléctrico y cuál será el impacto ambiental del uso masivo del litio. Si estimamos que en cada vehículo se podrían utilizar 10 Kg de litio, en el año 2030 se necesitarían hasta 1.4 millones de Tm para los vehículos en circulación, con el fin de alcanzar el compromiso medioambiental de reducción global de emisiones de CO2 en el transporte. A principios del 2015 se concluyó que con el nivel de consumo existente de 37.000 Tm por año, existirían suficientes reservas conocidas de litio para 365 años [17]. En estos momentos, aproximadamente un tercio del consumo anual de Li tiene lugar en la industria cerámica y otro tercio en baterías. Los recursos de Li han sido evaluados en ~39.5 x106 Tm. Sin embargo, si el transporte electico basado en baterías se generaliza, resulta evidente que las reservas se agotarían en aproximadamente 30 años. Esta visión puede mejorarse si pensamos que la tecnología tendrá un impacto positivo, aumentando la eficiencia de las baterías de litio con nuevos diseños en los que el ánodo se base en el grafito, silicio o simplemente oxígeno encapsulado en una matriz de cobalto que aumenta la densidad de carga, tal como ocurre en el diseño publicado recientemente por investigadores del MIT [18]. Se puede también pensar en el reciclado del litio, que pasaría a ser la mayor fuente de Li en las baterías del futuro. Finalmente cabe pensar en otros avances en el desarrollo de baterías, como por ejemplo las baterías de vanadio. Estas baterías, desarrolladas por investigadores del US Energy Dept. de EEUU basadas en el flujo redox de soluciones de vanadio, presentan un futuro prometedor por su baja degradación durante los ciclos de carga y descarga y porque es posible recargarlas simplemente cambiando el electrolito. Sin embargo, las baterías de vanadio presentan menor densidad de carga que las de litio y la reducción de tamaño necesaria para instalarlas en automóviles todavía no está demostrada.

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AVELINO CORMA CANÓS

CONCLUSIONES – Parece evidente que el consumo total de energía primaria aumentará de manera global en los próximos 15-20 años, debido fundamentalmente al aumento del consumo en los países emergentes. – La evolución en el suministro de energía en los próximos 15-20 años seguirá dependiendo de los hidrocarburos fósiles, con un aumento relativamente importante de las energías renovables. – En el caso de los hidrocarburos fósiles, aumentará el consumo de gas natural, disminuirá el de carbón y en mucha menor medida disminuirá el del petróleo. – El impacto positivo en la producción de energías renovables provendrá, fundamentalmente de la solar, la eólica y la biomasa. – Los avances tecnológicos permiten predecir una nueva situación, en un plazo de 20-30 años, en la que cerca del 50% de la energía provendrá de fuentes renovables, y la producción de electricidad jugará un papel clave en su utilización. – El mayor desafío tecnológico actual está relacionado con el almacenamiento de las energías eólica y solar. – El almacenamiento de la energía solar ha tenido y tiene lugar a través de la biomasa, de la que en sus orígenes formaban parte los hidrocarburos fósiles. – En una próxima etapa, en la que se espera disponer de electricidad abundante y barata, que a su vez permitirá la generación de H2 abundante y barato, se puede pensar en un sistema de almacenamiento de la energía en moléculas químicas como el H2 o el metanol, así como en pilas eléctricas. – En el escenario considerado en el punto anterior, el sector del transporte combinará motores de combustión interna utilizando combustibles fósiles y derivados de la biomasa, con motores eléctricos utilizando baterías y celdas de combustible.

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– En el nuevo escenario descrito, los mayores avances tecnológicos en un futuro próximo se esperan en los campos de las celdas fotovoltaicas y el almacenamiento de energía. – Solamente a través de la ciencia y la tecnología, y de la educación en el consumo se podrá conseguir un mundo más sostenible en el que los seres humanos tengan acceso a la energía, salud y alimentos y agua.

REFERENCIAS [1] BP Energy Outlook 2016. [2] The Outlook for Energy to 2040. ExxonMobil (2015) (http://corporate.exxonmobil.com/en/energy/energy-outlook), y Agencia Internacional de la Energía. (https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/ EnergyBalancesofOECDcountries2015editionexcerpt.pdf). [3] US Energy Information Administration, https://www.eia.gov/ todayinenergy/detail.php?id=26152). [4] US2014079627A1 [5] H. Zheng et al, J. Am. Chem. Soc. 130, 3722, 2008. [6] S. H. Morejudo et al. Science, 353, 6299, 2016. [7] A.Corma, et al. , Appl. Catal. A, 232, 247, 2002; WO03043726(A1); US 7378059 (B2) [8] S.A. Toor, L. Rosenthal and A. Rudolf, Energy, 36, 2328, 2011. [9] S. Heidendenreich, P.U. Foscolo. Progress in Energy and Combustion Science 46,72,2015. [10] EP1,892,280 (A1), WO2008020047 (A1), US8,524,960 (B2). [11] Opportunities in Upgrading Biomass Crudes. Corma. Y. Mathieu, L. Sauvanaud, L. Humphreys, W. Rowlands, T. Maschmeyer, and A. Corma. Faraday Discussions on Energy.January 2017. [12] WO2011/032202 (A1). [13] R. A. Voloshin et al. Int. J. of Hydrogen Energy 41, 17257 (2016). [14] M. Jacoby, Chemical & Engineering news (C&EN) Vol. 94(18), May 2016. [15] Global EV Outlook 2016, International Energy Agency. [16] Nykvist, B. et al. Nat Clim Change, 5, 329, 2015. [17] http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2015-lithi.pdf [18] Zhu, Z.et al. Nature Energy, 1, 16111, 2016