Catálogo de la plaza OIKOS
Nuestro planeta constituye un entorno casi cerrado con recursos finitos, incapaz de soportar por un largo período de tiempo una demanda en crecimiento. Hasta ahora el aire, el agua, la energía o los alimentos se han considerado potencialmente abundantes, casi ilimitados y su acceso solo dependiente de la capacidad tecnológica para su extracción y uso. No parece fácil el necesario tránsito hacia una sociedad de “crecimiento cero” regida por la mayor frugalidad en el uso de los recursos donde los productos han de ser reciclados al menor coste posible.
El uso masivo de los combustibles fósiles a partir de la revolución industrial ha potenciado la calidad de vida para el hombre pero también ha supuesto un cambio drástico para la explotación de los recursos hídricos, la sanidad y los servicios en general, que dan cobertura a una explosión demográfica nunca conocida antes por la especie humana. Este desarrollo tecnológico, iniciado en la revolución industrial, ha generado una gran capacidad de modificación/ agresión al medioambiente. Así, el peligro para el nicho ecológico que ha permitido el desarrollo del hombre durante cientos de miles de años, se ha incrementado en forma dramática.
El agua y la energía son elementos críticos para nuestro bienestar e incluso para la supervivencia, como sociedad y como especie. La organización económica de nuestra sociedad, basada en las ideas de un desarrollo continuo con recursos ilimitados, no parece capaz de encontrar una respuesta adecuada a la trascendencia, urgencia y gravedad de la situación. Los objetivos estrictamente económicos del mejor balance anual para las decisiones de empresa o la estrategia para el éxito de las elecciones cuatrienales de los programas políticos envuelven, ocultan, abruman con una cortina de exigencias perentorias las necesidades más elementales de la Tierra que heredarán nuestros descendientes.
La búsqueda de soluciones ha de empezar por el análisis de los esquemas básicos de generación, transformación, distribución y uso de la energía. La escasa eficiencia global de los mecanismos y redes existentes en la actualidad ofrecen el ahorro de energía como vía primera e indispensable. Por otro lado, es preciso considerar el balance neto de energía en el planeta para determinar las fuentes disponibles a largo plazo y la cantidad accesible en cada una de ellas, tomando como referencia las necesidades de la población y la tecnología existente.
Según las estimaciones, los recursos de las reservas fósiles, petróleo, carbón, gas natural, son finitos en un plazo corto, solo unas cuantas generaciones, aunque resalta la enorme cantidad de energía desperdiciada en el conjunto del proceso que conduce a su utilización. Hasta el 84% de despilfarro en el sistema básico de transformación y transporte de los países desarrollados, sin tener en cuenta la ineficiencia o mal uso que de la energía inherente al usuario o la aplicación concreta.
En este contexto, es preciso considerar que la aportación de seis unidades de combustible al sistema cuesta y contamina en su totalidad pero solo una de las seis alcanza al usuario. El mismo resultado se obtendría con el incremento de la eficiencia del sistema con ahorro de una unidad que evitaría el consumo y la contaminación correspondiente a seis. El esfuerzo en mejorar la tecnología energética es, por tanto, mucho más eficaz que la búsqueda de nuevas fuentes.
La vida en general y la especie humana en particular, ha evolucionado alimentada por la radiación solar. Los cambios de la energía recibida del sol diarios, estacionales y plurianuales, son causa de la dinámica en la química del agua, el aire y el carbono sobre la Tierra, haciendo realidad en la Ciencia actual el antiguo mito de los Cuatro Elementos. La función clorofílica, base de este proceso de síntesis solar de materia orgánica es un proceso complejo con un rendimiento energético muy bajo (menos del 0,1%) comparado incluso con la poco eficiente red energética actual.
La gran fuente de energía renovable más segura y abundante es, sin lugar a duda, la radiación solar directa, no solo por su cantidad al ser origen de todas las demás, sino también por su distribución que alcanza toda la superficie del planeta. Los datos de consumo de nuestra sociedad (transporte, residencial, industrial) nos dicen que quedarían satisfechos con una fracción de la radiación disponible haciendo uso de tecnologías al alcance de la mano.
Por ello, es preciso considerar que lo largo de muchos cientos de millones de años la vida ha evolucionado alimentándose del sol en forma prácticamente exclusiva. Es quizá momento para que la humanidad vuelva sus ojos al cielo en busca de la energía que ha alimentado sus raíces desde el comienzo de los tiempos.
La electricidad es probablemente el vector o soporte de la energía más flexible de nuestro tiempo por su facilidad y eficiencia en la transformación a otras aplicaciones: calor en un horno, luz en una bombilla, movimiento en un motor, hidrógeno como combustible químico por electrolisis, etc. La conversión directa de la energía solar en electricidad es técnicamente posible desde hace casi dos siglos y se consigue con un rendimiento muy superior al que alcanza la naturaleza en la síntesis de carbohidratos mediante la fotosíntesis por la clorofila.
A pesar de ello, el uso masivo de combustibles no renovables ha mantenido esta fuente de energía restringido a un reducido conjunto de aplicaciones marginales donde el acceso del combustible químico o la red eléctrica resulta imposible o de gran dificultad: satélites artificiales, repetidores aislados de comunicaciones, estaciones remotas de medida, etc. El fenómeno fotovoltaico consiste en la producción de electricidad cuando se ilumina (radiación ultravioleta, visible e infrarroja) bien la unión entre un semiconductor y un metal, o bien la unión de dos semiconductores, siendo, en estos casos, mucho más eficiente. La células fotovoltaicas solares comerciales se fabrican utilizando Silicio de alta pureza.
La rápida demanda de silicio en los últimos años para generación de electricidad fotovoltaica compite con la industria de los circuitos electrónicos saturando la capacidad de producción de las pocas fábricas dedicadas a la producción y refinado de silicio. Es preciso, por tanto, la investigación en elementos alternativos capaces de convertir la energía solar en electricidad mediante tecnologías de eficiencia y precio capaces de competir en el mercado tras el correspondiente proceso de industrialización.
La integración fotovoltaicas-fotoelectroquímicas en diferentes tipos de tejas, colocando sobre ellas capas de diodos y colectores de bajo coste y materias primas naturales reduce los precios de fabricación y permite la obtención potencias máximas mediante una red de interconexiones en serie y en paralelo. Es posible acoplar una celda de combustible de entre 1-5 kW para almacenar la energía eléctrica obtenida a través de procesos de electrólisis del agua, mientras que en oscuridad la producción de electricidad corre a cargo de la pila de combustible. Se unen de forma casual las ideas de Becquerel, descubridor del efecto fotovoltaico, y de Grove, descubridor de la pila de combustible, en el mismo año 1839. Ambos desarrollos confluyen en una simple integración energética idónea para la edificación autosostenible.
En la reacción electrolítica, la molécula de agua se separa en sus componentes. El hidrógeno gaseoso se libera en el cátodo a presión atmosférica con pequeñas cantidades de vapor de agua y oxígeno como impurezas. Además, se produce simultáneamente oxígeno gas en el ánodo con un volumen equivalente a la mitad del H2 producido. El proceso consume bastante energía eléctrica por lo que solamente resulta económicamente atractivo donde se dispone de electricidad barata y donde se consume el O2 subproducto, con el consiguiente incremento del valor añadido. El H2 resultante de la electrolisis se seca, se comprime y las impurezas de oxígeno presentes se eliminan con un convertidor catalítico.
En la reacción electrolítica, la molécula de agua se separa en sus componentes. El hidrógeno gaseoso se libera en el cátodo a presión atmosférica con pequeñas cantidades de vapor de agua y oxígeno como impurezas. Además, se produce simultáneamente oxígeno gas en el ánodo con un volumen equivalente a la mitad del H2 producido. El proceso consume bastante energía eléctrica por lo que solamente resulta económicamente atractivo donde se dispone de electricidad barata y donde se consume el O2 subproducto, con el consiguiente incremento del valor añadido. El H2 resultante de la electrolisis se seca, se comprime y las impurezas de oxígeno presentes se eliminan con un convertidor catalítico.
El uso del hidrógeno como combustible en vehículos de motor está aún en la etapa de investigación y de desarrollo. Sin embargo, la mayoría de los fabricantes de automóviles ahora han desarrollado autos de prototipo o de demostración propulsados a hidrógeno, basados en motores de combustión interna, además de celdas de combustible. Una serie de automóviles propulsados a hidrógeno están en lista, además de estaciones de combustible que han sido instaladas alrededor del mundo en conexión con varios proyectos. Comparado a otros combustibles alternativos, los vehículos propulsados a hidrógeno probablemente estén más lejos de ser comercializados. La mayoría de los fabricantes han derivado su atención de los motores de combustión interna propulsados a hidrógeno hacia los vehículos propulsados a celdas de combustible con hidrógeno.
El almacenamiento de hidrógeno de forma sencilla y económica es un requerimiento esencial para conseguir que se generalice el uso del hidrógeno. Esto representa un verdadero reto cuando se compara el hidrógeno con los combustibles fósiles debido a la baja densidad energética por unidad de volumen de este gas. El almacenamiento del hidrógeno es una práctica común en la industria, donde funciona de manera segura y presta el servicio deseado. Además, el hidrógeno puede almacenarse fácilmente a gran escala en depósitos subterráneos.
El desarrollo de las tecnologías del hidrógeno guarda un cierto paralelismo con lo ocurrido con la electricidad a finales del siglo XIX, ninguno de los dos constituyen una fuente de energía primaria. Como simple intermediario en el sistema energético su incorporación requiere transformaciones que reducen la eficiencia global del sistema si la fuente original se aplicase directamente a la aplicación. Puede complicar notablemente el proceso, haciéndolo más caro y delicado en su funcionamiento. A pesar de ello, no se puede concebir el desarrollo tecnológico del siglo XX sin la intervención de la electricidad como vector para el transporte y manipulación de la energía, como probablemente sucederá con el hidrógeno en las próximas décadas.
Aunque una buena parte del esfuerzo en las aplicaciones de las pilas de combustible se ha centrado en la industria del automóvil, podrían también ser de gran utilidad en el sector residencial, donde pueden proporcionar tanto el calor para la calefacción y al agua caliente sanitaria como la energía eléctrica. La total ausencia de ruido y de contaminación en su funcionamiento, junto a su elevada eficacia, hacen de las células de combustible uno de los sistemas más atractivos para proporcionar calor y energía eléctrica en los hogares y otros edificios, tales como servicios públicos (escuelas, hospitales, bibliotecas, etc.) así como en los de carácter industrial. El calor residual es fácilmente reutilizable para calefacción o agua caliente sanitaria e incluso puede almacenarse en el subsuelo u otros depósitos como los materiales de cambio de fase.
A gran escala, las células de combustible se pueden utilizar, junto con la generación del hidrógeno, para almacenar energía durante los plazos de demanda baja y para suministrar esa energía cuando la demanda es más alta, como se realiza actualmente con las estaciones de bombeo hidroeléctricas reversibles. El precio actual es el obstáculo principal para estas aplicaciones, tanto de los dispositivos electrolizadores para obtener hidrógeno a partir de agua y energía eléctrica como la celda de combustible para el proceso inverso
La captura directa de la energía del sol para ser almacena como calor en el subsuelo o como hidrógeno mediante procesos fotovoltaicos y electroquímicos es una posibilidad tecnológica actual que nos aproximaría a una generación de edificios autosuficientes.