El futuro de la energía

La digitalización de la energía

¿Cómo podemos obtener energía cuando y donde se necesite?

 

El desorbitado crecimiento económico de países como China y la India significa que nosotros, como planeta, nos encaminamos a aumentar nuestro consumo de energía en al menos un 50 % para el 2030. Gran parte de este crecimiento masivo se está produciendo en áreas remotas en las que nunca antes ha habido electricidad. Asimismo, las fuentes tradicionales en las que siempre hemos confiado para obtener energía cada vez son más escasas. Todos estos factores nos obligan a buscar de forma más enérgica que nunca nuevas fuentes de producción y transmisión de energía.

La carrera consiste en encontrar y sacar el máximo partido a las energías renovables y las formas innovadoras de almacenarlas para que se puedan utilizar cuando el sol no brille y el viento no sople, por ejemplo. Las redes inteligentes son esenciales para conseguir este objetivo: mediante software, sensores, contadores electrónicos e Internet, manejan la información de forma que el suministro y la demanda de electricidad se puedan gestionar de manera más eficaz y distribuirla así cuando y donde se necesite.

El vídeo, el artículo y la infografía que aparecen a continuación exploran la sorprendente transformación que se está produciendo en el sector de la energía para cambiar la manera en que el mundo gestiona y consume la energía. La transición es significativa e implicará que deberemos crear, medir, monetizar, consumir, controlar, almacenar, comercializar y transmitir la energía eléctrica. ¿Qué función desempeñan las redes inteligentes en este cambio? ¿Cómo puede la plataforma 3DEXPERIENCE ayudar a las empresas que están reconsiderando la forma en que generamos y ofrecemos energía a colaborar e innovar de forma más eficaz?

¿Se inicia la era de la energía solar?

Estamos en el año 2035. A lo largo y ancho de los refulgentes bosques tropicales y desiertos del mundo, enormes paneles solares absorben la energía del sol para generar electricidad y enviarla a redes que transmiten la nueva energía perfeccionada de forma inalámbrica. Se almacena en cantidad suficiente como para permitir la generación de energía por la noche después de la puesta de sol.

Millones de hogares y oficinas disponen de paneles solares y ventanas generadores rentables y eficaces que siguen generando energía a menor escala in situ durante el día. También se conducen vehículos de cero emisiones que desarrollaron grandes fabricantes de coches, como Audi, BMW, Toyota y Honda, en la década de 2010. Estos coches funcionan con combustible de hidrógeno, creado mediante energía solar que separa el hidrógeno y el oxígeno de las aguas residuales. Y, cuando cae la noche, la humanidad alza la vista a nuevos destellos entre las estrellas: grandes paneles solares que orbitan alrededor de la tierra y que absorben energía de forma ininterrumpida de la eterna luz solar del espacio para devolverla a la Tierra en forma de microondas o rayos láser hasta receptores gigantes situados a nivel del suelo.

¿Fantasía? Nada de eso. La idea de la energía solar y su potencial para convertirse en la fuente de energía predominante de la Tierra se remonta a un pasado muy anterior a la época en la que comenzaron las amenazas del cambio climático y el agotamiento de combustibles fósiles fáciles de obtener. La primera célula de energía solar se desarrolló en 1883, mientras que el escritor Isaac Asimov publicó en 1941 el cuento Razón, en la que se describe una estación espacial que envía cantidades ingentes de energía solar mediante microondas. El científico norteamericano Peter Glaser trazó planos en 1968 para hacer realidad el sueño de Asimov, pero sus planes se vieron obstaculizados por las limitaciones tecnológicas de la época.

Pero las tecnologías que posibilitan un mundo alimentado por energía solar ya están presentes en la actualidad, acallando a todos aquellos críticos que afirman que la energía solar global nunca podrá superar los problemas de transmisión a larga distancia desde las zonas más soleadas a las menos soleadas, o que no se encontrarán soluciones de almacenamiento que permitan seguir transmitiendo la alimentación cuando oscurezca.

China, por ejemplo, ya está construyendo redes de alimentación de alta tensión para distribuir el suministro por todo su vasto territorio desde sus cada vez más numerosas instalaciones de energía solar. Tan solo durante los tres primeros meses de 2015, el gigante asiático añadió 5 gigavatios de capacidad solar a su red, el equivalente a todo el suministro de energía solar completo de una de las mayores naciones europeas como Francia.

Las soluciones de almacenamiento que ya se están utilizando en todo el mundo han demostrado con éxito el funcionamiento de dos métodos. Uno de ellos utiliza la energía solar para crear sales fundidas, cuyas cualidades de retención térmica les permiten impulsar las turbinas de electricidad durante toda la noche. Otras plantas solares, sin embargo, utilizan los rayos del sol para comprimir el gas que se libera al anochecer para que las turbinas funcionen.

Alzamos los ojos hacia el cielo

Una respuesta más radical a los problemas que plantea la generación de energía cuando el sol se pone es volver la vista al lugar en el que el sol nunca se pone: el espacio. Tanto China como Japón están planificando la fabricación de estaciones de energía solar proveniente del espacio (SBSP) para el año 2030 que eclipsarían a los proyectos anteriores de este tipo. "Una estación de energía espacial económicamente viable tendría que ser realmente grande, con unos paneles solares que alcanzaran un área total de 5 a 6 kilómetros cuadrados", explica Wang Xiji de la Academia China de las Ciencias.

Pero, ¿por qué ese empeño en construir estaciones de energía en el espacio? Uno de los motivos principales es el de aprovechar los niveles mucho más altos de radiación solar disponible en el espacio (más del 60 % de la energía solar se pierde debido al reflejo y la absorción en la atmósfera de la Tierra), y hacerlo de manera ininterrumpida. "Los paneles solares situados en el espacio pueden generar diez veces la misma electricidad que los paneles situados en terrenos por unidad de superficie", indica el ingeniero espacial chino Duan Baoyan.

Las SBSP presentan grandes retos, sobre todo la necesidad de garantizar una transmisión extremadamente precisa para evitar freír vastas franjas de terreno de la superficie de la Tierra con algún rayo errante extremadamente potente. "Al transmitir energía mediante microondas, uno de los retos más importantes es el de encontrar la manera de transmitirlas con precisión milimétrica a una ubicación de recepción en el terreno. La transmisión de microondas desde una altitud de 36 000 km a una superficie plana de 3 km de diámetro será como enhebrar una aguja", afirma Yasuyuki Fukumuro de la agencia espacial JAXA de Japón.

La empresa japonesa Shimizu Corporation propone una alternativa de SBSP aún más impactante: un cinturón de células solares de 400 km de anchura alrededor del ecuador de la luna, que comprende 11 000 km. El denominado Luna Ring podrá enviar suficiente energía para satisfacer las necesidades energéticas del mundo en un abrir y cerrar de ojos.

Otros retos son el mantenimiento del sistema en un entorno hostil como es el espacio y la puesta en órbita de las estaciones de SBSP. Una estación de energía espacial comercialmente viable pesaría aproximadamente más de 10 000 toneladas, pero pocos cohetes pueden hoy en día llevar cargas útiles de más de 100 toneladas.

Aunque la creación de las estaciones de SBSP supone retos difíciles, podríamos compararlos con aquellos retos a los que se enfrentó la humanidad durante sus primeras aventuras en el espacio durante la década de 1960. Muchos cuestionaron el sentido de que los seres humanos exploraran el espacio. No obstante, los beneficios tecnológicos y los conocimientos que resultaron del enfrentamiento a esos retos aún tienen repercusiones en el mundo moderno.

Control del terreno

Sin embargo, aunque las estaciones de SBSP marcan una frontera fantástica a través de la que impulsar la tecnología a nuevos límites, el verdadero potencial se encuentra en los desarrollos sobre el terreno. Lo cierto es que la superficie de la Tierra recibe suficiente energía solar, por muy debilitada que llegue debido a la atmósfera, como para satisfacer las demandas de energía de la humanidad durante mucho tiempo. El Programa Apolo Global de 2015, publicado por expertos en energía del Reino Unido, argumentaba que el sol proporciona 5000 veces más energía a la superficie de la Tierra que la que humanidad utiliza actualmente.

Es más, la electricidad solar se ha ido abaratando cada vez más a lo largo de los años. El coste de los paneles solares se ha ido reduciendo aproximadamente en una veinteava parte a lo largo de los últimos 25 años, a la vez que la eficiencia seguía aumentando. Los paneles de silicio actuales convierten alrededor del 20 % de la luz solar que reciben en electricidad, el triple en comparación con los primeros que aparecieron. Los nuevos paneles basados en compuestos como el arseniuro de galio (un mejor conductor de la electricidad que el silicio) prometen aún más mejoras en el futuro. Todo esto a pesar de que hay límites físicos inherentes para obtener la eficiencia máxima de los paneles solares debido a diversos factores, como la pérdida de la energía por el reflejo y la conductividad de los materiales (el límite Shockley-Queisser).

Por lo tanto, ¿cómo es posible que solo el 1% de las demandas de electricidad del mundo estén cubiertas actualmente por la energía solar? La restricción clave no es tecnológica, sino la inercia política impulsada en gran medida por los intereses creados por las grandes empresas de combustibles fósiles y la falta de inversiones adecuadas, según los principales informes sobre la materia, como los del Programa Apolo Global de 2015 y el informe de 2015 de MIT, "El futuro de la energía solar". En ellos se describe cómo las grandes subvenciones globales maquillan el verdadero coste de la electricidad generada a partir de los combustibles fósiles al excluir los costes derivados de los daños al medioambiente y la salud que causan.

Otro de los motivos se reduce a una "falta de coherencia entre los legisladores, las normativas y los actores del panorama tecnológico", según Stéphane Declée, Vicepresidente del sector de Energía, Procesos y Servicios Públicos de Dassault Systèmes, una empresa de software global.

"Nuestros clientes deben adaptarse a normativas y requisitos que cambian constantemente. Con nuestra plataforma 3DEXPERIENCE, los defensores de la energía solar pueden demostrar la viabilidad y la seguridad de sus soluciones a muchos participantes diferentes, desde organismos reguladores a financieros, pasando por comunidades locales y medios de comunicación".

Otro de los retos, afirma Declée, es que "con un porcentaje en constante crecimiento de fuentes de energía renovables intermitentes, como la energía solar, la generación de energía no siempre coincidirá con los picos de mayor demanda de los clientes". Según Declée, la solución consiste en desarrollar sistemas que se ajusten de forma más precisa a la demanda (como las redes inteligentes) y puedan equilibrar mejor el suministro intermitente con una demanda más flexible. Por ejemplo, mediante el almacenamiento de parte de la energía renovable para un uso posterior.

Ejemplos reales

Además de los proyectos gestionados en países como China y Japón, muchas empresas están dando luz verde a programas innovadores para encontrar formas aún más eficaces y rentables de producir y almacenar energía. Solana, la planta gigante situada en Arizona, es un buen ejemplo del potencial que la Energía Solar por Concentración (CSP) ofrece para alimentar un futuro en el que predomine la energía solar. Sus 3000 gigantescos espejos concentran los rayos de sol del desierto para crear vapor de agua sobrecalentada que alimenta turbinas gigantes, proporcionando así suficiente energía para ofrecer alimentación a 70 000 hogares. Lo que es más importante, Solana dispone de enormes tanques llenos de sales fundidas que almacenan suficiente calor durante el día para impulsar las turbinas a la máxima potencia durante las seis horas posteriores a la puesta de sol. No nos sorprende que se prevea que el número de plantas de CSP vaya a duplicarse para el año 2018.

Los avances tecnológicos más pequeños también están allanando el camino para un futuro alimentado por energía solar. Las nuevas células solares en polímeros transparentes (PSC) sirven de base a las "ventanas solares", que generan electricidad absorbiendo la luz infrarroja y dejan pasar la luz visible. "Nuestras PSC son ligeras, flexibles y se pueden producir a gran volumen y a un coste bajo", explica Yang Yang, líder del equipo de la UCLA que las ha desarrollado. "La ventana solar es una idea rompedora".

Las cosas también están cambiando en el sector de los transportes. En 2015, vimos cómo cobraba vida el proyecto del delicado avión Solar Impulse y progresaba con energía solar alrededor del mundo. No obstante, en el sector de la aviación, el sol se utiliza sobre todo con el fin de crear hidrógeno para combustible. Los coches eléctricos alimentados por hidrógeno producido a partir del sol ya están funcionando en las carreteras y las cifras contabilizadas son impresionantes. Eicke Weber, director del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems de Alemania, conduce uno de estos vehículos capaz de recorrer 300 km tras una carga de 5 minutos de la bomba de hidrógeno, que funciona con energía solar.

La tecnología existente ya ha abierto la veda hacia un futuro en el que predomina la energía solar, con estaciones espaciales que retan a nuestros ingenieros más especializados a aplicar los avances tecnológicos a la conquista de las estrellas. Todo cuanto necesitamos es un cambio en las prioridades políticas y económicas para que el sol brille intensamente por su presencia en la posible revolución energética.

Y con empresas como Dassault Systèmes, que ayudan a atar los cabos sueltos y ofrecen una visión compartida más clara de lo que el destino nos puede deparar, puede que el sueño de un futuro alimentado por energía solar se haga realidad muy pronto.

El vídeo, la infografía y el artículo se publicaron por primera vez como publirreportaje en bbc.com. Los creó el equipo de BBC Advertising Commercial Production en colaboración con Dassault Systèmes.