La demanda mundial de energía

2. RESUMEN

La energía constituye la savia de la sociedad y de la economía actual. Nuestro trabajo, nuestro ocio y nuestro bienestar económico, social y físico dependen de que el abastecimiento de energía sea suficiente y no se interrumpa. Sin embargo, actuamos como si estuviera garantizado, y la demanda de energía continúa creciendo año tras año. Las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles tales como el petróleo son limitadas, y el creciente desfase entre una demanda en aumento y una oferta en retroceso tendrá que ser compensado, en un futuro no muy lejano, utilizando fuentes de energía primaria alternativas. En un mundo tan industrializado como en el que actualmente vivimos, la energía eléctrica es una herramienta esencial. Por tanto, tendemos a buscar sustitutos de la energía eléctrica de red que nos ofrezcan un respaldo de energía para áreas críticas, o para generar servicios locales de energía en áreas que son inaccesibles a líneas de energía. Una de las alternativas más importantes al petróleo como combustible, tanto para la generación de energía eléctrica como para el transporte, es el uso de celdas de energía, cuyo combustible básico es el hidrógeno. La tecnología de las pilas de combustible ofrece la posibilidad de disponer de energía de manera eficiente, limpia y abundante, ya que el hidrógeno que utilizan para funcionar se puede obtener de numerosas fuentes. Aunque existen numerosos tipos distintos de pilas, las de hidrógeno son las que ofrecen mejores características para su utilización en aplicaciones portátiles y de automoción. En este Proyecto se han estudiado los fundamentos de funcionamiento de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones. Se trata de un sistema que consume hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, calor y agua

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La demanda mundial de energía está creciendo a un ritmo alarmante. Se predice un crecimiento medio de la energía primaria en el mundo del 1,8% anual durante el período 2.000-2.030. Este incremento de demanda se satisface fundamentalmente utilizando las reservas de combustibles fósiles, que emiten gases de invernadero y otros contaminantes. Estas reservas, por otra parte, irán encareciéndose a medida que vayan disminuyendo. El abastecimiento seguro de energía constituye un problema importante. Los combustibles fósiles, en particular el petróleo, se producen sólo en determinadas zonas del mundo, por lo que la continuidad del abastecimiento se ve gobernada por factores políticos, económicos y ecológicos. Estos factores conspiran para que los precios del combustible resulten volátiles, y a menudo elevados, al tiempo que la política de medio ambiente exige una reducción de los gases de invernadero y de las emisiones tóxicas.

Los países industrializados deberían liderar el desarrollo de nuevos sistemas energéticos que puedan contrarrestar esta tendencia. Resulta necesaria una estrategia energética coherente que tenga en cuenta el ciclo de vida completo de la energía, incluyendo la producción, transmisión y distribución del combustible y la conversión energética, así como el impacto sobre los fabricantes de equipos energéticos y los usuarios finales de los sistemas de energía. A la vista de los avances de la tecnología, la industria de la energía e incluso los particulares están pensando seriamente en adoptar combustibles y fuentes de energía alternativas y en tecnologías más eficientes y limpias, en particular, el hidrógeno y las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno.

4. JUSTIFICACIÓN Y USO DE LOS RESULTADOS

La situación energética actual a nivel mundial está condicionada por determinados factores, tales como el consumo de las reservas de combustibles fósiles, la concienciación medioambiental y la situación geopolítica actual.

Tabla 1. Evolución nacional de la extracción de hidrocarburos de los últimos 5 años.

Fuente: Síntesis operativa. PEMEX, mayo 2013

En la Tabla 1 se puede observar las estadísticas de la producción nacional de hidrocarburos en los últimos 5 años y la variación en la producción cada año, así como también se muestra el índice de reservas tanto de gas como de crudo, de la misma forma se da a conocer el incremento de la tasa de reservas descubiertas anualmente comparadas con una proporción de la producción.

El nivel de consumo de combustibles fósiles está íntimamente ligado a la situación geopolítica de los países de Oriente Medio, ya que estos son precisamente los que poseen la mayoría de las reservas mundiales de petróleo y gas natural (un 64 % aprox.).

El informe más actual de la Asociación para el Estudio de los Picos de Petróleo y Gas (ASPO), basándose en datos de extracción obtenidos de Oriente Medio, concluye que las reservas de petróleo no son tan abundantes como se pensaba en un principio.

A este respecto cabe mencionar que, según las proyecciones de Naciones Unidas, la población mundial pasara de los actuales seis mil millones a más de siete mil millones para el año 2020; el porcentaje de población de los países en vías de desarrollo será de un 81 %, mientras que un tercio de la población mundial no tendrá acceso a la energía eléctrica (esta cantidad se ha mantenido prácticamente constante durante los últimos 30 años).

Con todo esto, el consumo energético mundial aumentara significativamente, pero la demanda proporcional al mundo en vías de desarrollo será cada vez menor, mientras que la del mundo desarrollado se mantendrá constante.

Figura 1. Estimación de la evolución del consumo energético a nivel mundial.

En la figura 1 se muestra mayor consumo energético corresponde al transporte, siendo los vehículos propulsados por motores térmicos los responsables de la mayor parte de las emisiones de gases de efecto invernadero; dichas emisiones son, principalmente, gases tales como el CO, CO2, compuestos nitrogenados y sulfurados. De tal manera el porcentaje del uso de energías renovables se encuentra en los últimos lugares de importancia.

Tabla 2. Evolución de consumo energético a nivel mundial

FUENTE: Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC). 2012

En la tabla 2, se muestra el consumo de energía de algunos países en el año 2012, siendo Noruega el país que más energía consume a nivel mundial. Con esta información también podemos determinar que este país es el que más emisiones produjo en este mismo año. Aunque se esperan ciertos avances tecnológicos que reducirían las emisiones, estos no serán suficientes, ya que las emisiones de CO2 que hoy se producen por cada kWh generado son 157 gC, y bajarían apenas hasta 147 gC para el año 2025 con la moderna tecnología que se espera tener para esa fecha.

Las concentraciones de CO2 en la atmosfera han aumentado un 38% desde siglo XVIII hasta ahora. El aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmosfera podría ocasionar un aumento de la temperatura media del planeta de hasta 5.8% de aquí a 100 años, así como una subida del nivel del mar de casi un metro.

Teniendo en cuenta la evolución de la producción de petróleo, la inestabilidad de su precio, el consumo energético de los diferentes sectores y las actuales emisiones de los vehículos propulsados por combustibles fósiles, está claro que se tiene que emplear un combustible que no siga afectando al planeta.

5. FUNDAMENTO TEÓRICO

En la búsqueda de tecnologías alternativas de generación de energía eléctrica, desde hace algunos años, se diseñó en una tecnología que promete ser clave en los próximos años: las celdas de combustible.

La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y científico galés que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor. El verdadero interés en celdas de combustible como un generador práctico vino hacia comienzos de los años sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de tipo práctico, puesto que las celdas de combustible están atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convencionales de generación eléctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas.

El término “pila” de combustible proviene, del término inglés “Fuel Cell Stack”, cuya traducción literal es “Apilamiento de Celdas de Combustible”. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo, puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recarga, ya que producirán energía en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de combustible. En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrólito.

...